1、现现 代代 设设 计计 方方 法法宁夏大学宁夏大学 机械工程学院机械工程学院朱学军朱学军Modern Design Methodology自动设计自动设计手工设计手工设计静态设计静态设计动态设计动态设计安全设计安全设计优化设计优化设计并行设计并行设计串行设计串行设计定性设计定性设计定量设计定量设计人类设计人类设计经历的阶段经历的阶段直觉设计阶段直觉设计阶段经验设计阶段经验设计阶段半理论半经验半理论半经验设计阶段设计阶段 系统性系统性:2:2种体系种体系,即即:设计方法学、创造性设计法。设计方法学、创造性设计法。社会性社会性：面向市场、面向社会解决产品生命周期中的问题。：面向市场、面向社会解决产
2、品生命周期中的问题。创造性创造性：发散思维、激励创新，获取最优方案，改变品质。：发散思维、激励创新，获取最优方案，改变品质。最优化最优化：规划建模，选择方法，定性、定量地寻求最优解。：规划建模，选择方法，定性、定量地寻求最优解。动态化动态化：多变量、离散化的可靠性设计，逼近实际工况。：多变量、离散化的可靠性设计，逼近实际工况。宜人性宜人性：内在品质实用性与外观质量的艺术性相结合。：内在品质实用性与外观质量的艺术性相结合。智能化智能化：信息的综合运用，高智能化的产品。仿人、仿生：信息的综合运用，高智能化的产品。仿人、仿生 CA化化：CAD、CAPP、CAM、CAE、PDM CIMS 信息网络协调
3、、控制信息网络协调、控制动力学任务动力学任务机电一体化机电一体化伺服系统伺服系统Servo systemServo system:a kind of automatic control system,which can be used:a kind of automatic control system,which can be used to control displacement or angle of a machine.to control displacement or angle of a machine.开发性设计开发性设计适应性设计适应性设计变型设计变型设计五个阶段五个阶段产
4、品规划产品规划(概念设计概念设计)总体方案设计总体方案设计结构技术设计结构技术设计生产施工设计生产施工设计(工艺设计工艺设计)改进设计改进设计定义：定义：力求以最低寿命周期费用，可靠地实现产品或作业的必要功能，力求以最低寿命周期费用，可靠地实现产品或作业的必要功能，籍以提高其价值，是着重于功能研究的、有组织的活动。籍以提高其价值，是着重于功能研究的、有组织的活动。中心：中心：功能分析是核心；创造是关键；信息是基础功能分析是核心；创造是关键；信息是基础物品的用途、功用，即性能和机能。价值工程追求的是物品的用途、功用，即性能和机能。价值工程追求的是用户所需的必要功能。用户所需的必要功能。功能：功能
5、：C=C1+C2C=C1+C2（C C：寿命周期成本；：寿命周期成本；C1C1：生产成本；：生产成本；C2C2：使用成本）：使用成本）寿命周期成本：寿命周期成本：定义：定义：19881988年，美国国防部防卫分析研究所年，美国国防部防卫分析研究所（IDAIDA）发表发表R338R338 报告：报告：这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中所有的因素，包括质量、成本、进度（从概念形成到产品报废）中所有的因素，包括质量、成本、进度与用户需求。与用户需求。注：注：支持过程支持过程 包括对包括对制造过程制造过
6、程的支持（原材料的获的支持（原材料的获取取,中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定）和）和使用过程使用过程的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产品的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产品报废后的处理报废后的处理）CECE的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配、检测、质量的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配、检测、质量控制、销售、售后服务控制、销售、售后服务）设计的）设计的集成集成。各活动间的关系可归纳为：各活动间的关系可归纳为：串行依赖、并行独立、交互耦合串行依赖、并行独立、交互耦合。基本特征基本特征主要技术特点主要技术特点 产品产品开发
7、过程的并行重组开发过程的并行重组 支持并行设计的支持并行设计的群组工作方式群组工作方式 统一的产品信息模型统一的产品信息模型 基于时间的决策基于时间的决策 分布式的软、硬环境分布式的软、硬环境 开放式的系统界面开放式的系统界面 缩短新产品开发周期缩短新产品开发周期404060%60%；提高设计质量（早期生产中工；提高设计质量（早期生产中工程变更次数减小一半以上，产品报废及反复工作减小程变更次数减小一半以上，产品报废及反复工作减小75%75%）；制造）；制造成本下降成本下降303040%40%。CECE的效益的效益 设计方法学是用系统观点研究产品的设计方法学是用系统观点研究产品的一般设计进程、设
8、计规律、一般设计进程、设计规律、设计思维、工作方法、设计工具设计思维、工作方法、设计工具的综合性学科。的综合性学科。对具体的产品设计而言，对具体的产品设计而言，具有方法论的性质具有方法论的性质。目的是指导设计目的是指导设计师应用先进的设计方法开发、创新，设计出高性价比的产品。师应用先进的设计方法开发、创新，设计出高性价比的产品。设计对象：设计对象：能够实现一定技术过程的技术系统。能够实现一定技术过程的技术系统。设计进程：设计进程：设定技术过程、划定技术系统边界、功能分解及求解。设定技术过程、划定技术系统边界、功能分解及求解。设计评价：设计评价：多目标优化规划多目标优化规划最佳设计方案的确定。最
9、佳设计方案的确定。设计思维：设计思维：激发、培养创新思维的能力和方法。激发、培养创新思维的能力和方法。设计工具：设计工具：信息集约信息集约 Database Database，调用、参考。，调用、参考。现代设计理论和方法应用：现代设计理论和方法应用：完善方法论，推广、应用。完善方法论，推广、应用。技术系统：技术系统：针对作业对象针对作业对象,完成某种技术过程的支持系统。完成某种技术过程的支持系统。作业对象：作业对象：物料物料(Materiel)、能量、能量(Energy)、信息、信息(Information)。举例：举例：坯料是坯料是作业对象作业对象；加工中心是；加工中心是技术系统技术系统；加
10、工是；加工是技术过程技术过程。分析分析作业对象及其转换要求；作业对象及其转换要求；分析分析实现转换的工作原理；实现转换的工作原理；明确明确实现技术过程的环境和约束条件；实现技术过程的环境和约束条件；明确明确主要技术过程和其他辅助过程；主要技术过程和其他辅助过程；划定划定技术系统的边界（工作范围）。技术系统的边界（工作范围）。技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。作业单元：作业单元：转换的实现；转换的实现；控制单元：控制单元：采集、处理并输出控制信息；采集、处理并输出控制信息；动力单元：动力单元：能量的转换、传递、分配；能量的转换、传递、
11、分配；检测单元：检测单元：反馈信息；反馈信息；结构单元：结构单元：系统各部分的联接、支承。系统各部分的联接、支承。信息集约：信息集约：产品生命周期相关环节所需信息的集成、分配、共享；产品生命周期相关环节所需信息的集成、分配、共享；调研预测：调研预测：市场、技术、社会环境、企业内部；设计可行的依据；市场、技术、社会环境、企业内部；设计可行的依据；可行性报告：可行性报告：系统化产品设计的初步开发依据。系统化产品设计的初步开发依据。并行设计组并行设计组技术、经济技术、经济社会目标评价社会目标评价最优方案最优方案信息集约信息集约调研预测调研预测可行性报告可行性报告功能分析功能分析功能元求解功能元求解方
12、案综合方案综合组合方案组合方案 最优化的概念最优化的概念 使问题的解决在一定程度上达到无可争议的完善化。使问题的解决在一定程度上达到无可争议的完善化。优化设计优化设计 以计算机为工具，运用数学规划理论寻求复杂设计问题最佳方案以计算机为工具，运用数学规划理论寻求复杂设计问题最佳方案 的现代设计方法。的现代设计方法。优化设计的主要内容优化设计的主要内容 分析对象，建立正确的数学模型；分析对象，建立正确的数学模型；选择适当的优化方法，应用计算机求解。选择适当的优化方法，应用计算机求解。构成模型的三大要素：构成模型的三大要素：设计变量设计变量：在设计过程中需不断修正、一直处于变化状态：在设计过程中需不
13、断修正、一直处于变化状态 的基本参数，直接决定设计质量。的基本参数，直接决定设计质量。约束条件约束条件：一个可行设计必须满足的限制条件。：一个可行设计必须满足的限制条件。按性质分为：性能约束；侧面约束（边界约束）按性质分为：性能约束；侧面约束（边界约束）按表达式分为：等式约束；不等式约束按表达式分为：等式约束；不等式约束 目标函数目标函数：使设计得以优化的函数，又称评价函数。：使设计得以优化的函数，又称评价函数。1)()1(kkxx2)()1()()(kkxfxf3)()(kxf 解析解法解析解法：利用微分或变分法求解：利用微分或变分法求解精确理论解精确理论解 数值解法数值解法：利用数学规划理
14、论求解：利用数学规划理论求解 中心思想中心思想：搜索，迭代，逼近：搜索，迭代，逼近 迭代公式迭代公式：)()()()1(kkkkSxx近似解近似解 偏导数偏导数（；）：）：是目标函数沿某一坐标轴方向函数值的变化率。是目标函数沿某一坐标轴方向函数值的变化率。ixxf)(22)(ixxf 方向导数方向导数（）：）：是目标函数在设计空间任意点是目标函数在设计空间任意点p处，沿任意方向处，沿任意方向S的函数值变化率。的函数值变化率。pSxf)(梯度梯度（）：）：是由目标函数一阶偏导数组成的列向量；是由目标函数一阶偏导数组成的列向量；是等值线上某点处法线方向，也是方向导数取最大值的方向；是等值线上某点处
15、法线方向，也是方向导数取最大值的方向；是目标函数值变化最快的方向。是目标函数值变化最快的方向。Tnxfxfxfxfxgradf21,)()(梯度、方向导数的关系梯度、方向导数的关系iniioxfxSfcos1SxfTo)(),cos()(Sfxfo 示例：示例：求求 在在 处处 的梯度和方向导数的梯度和方向导数的最大值。的最大值。524)(212221xxxxxfTox0,0 必要条件：必要条件：0,)(21*Tnxfxfxfxf 充分条件：充分条件：)()(*2xfxH正定正定即：要求即：要求HESSIAN 矩阵的行列式，各阶主子式的值大于零。矩阵的行列式，各阶主子式的值大于零。例：例：求求
16、522)(1212222141xxxxxxxf的极小值。的极小值。0)(*xf;11*Tx 24410)(xH正定正定且且故故4)(*xf 定义：对任意的一个集合定义：对任意的一个集合R，若，若 且有且有 时，时，等式等式 ，则称，则称R为一凸集。为一凸集。RxRx21,10 aRyxaax21)1(几何意义：任意集合几何意义：任意集合R中，若任意两点连线上的所有元素均属于中，若任意两点连线上的所有元素均属于 集合集合R，则称，则称R 为一凸集。为一凸集。凸集：凸集：函数凸性的判断：函数凸性的判断：利用不等式判断利用不等式判断：若若Rn为凸集，有任意的为凸集，有任意的x1 Rn，x2 Rn，且
17、不等式，且不等式)()()()(11212xfxxxfxfT恒成立，则恒成立，则f(x)是定义在是定义在Rn上的凸函数。上的凸函数。若若)()()()(11212xfxxxfxfT 成立，则成立，则f(x)是严格凸函数。是严格凸函数。利用利用Hessian矩阵判断：矩阵判断：若若Rn为凸集，为凸集，f(x)具有连续二阶偏导数，且具有连续二阶偏导数，且H(x)半正定（即半正定（即:H(x)各阶主子式的值均大于等于各阶主子式的值均大于等于0），则），则f(x)是定义在是定义在Rn上的凸函数。上的凸函数。若若Hessian矩阵矩阵H(x)正定（即正定（即H(x)各阶主子式的值均大于各阶主子式的值均大
18、于0），），则则f(x)是定义在是定义在Rn上的严格凸函数。上的严格凸函数。例例：试判断：试判断124)(2221xxxf是否为凸函数，其中是否为凸函数，其中.0)(;0)(2211xxgxxg凸规划：凸规划：目标函数、约束函数都是定义在凸集上的凸函数，目标函数、约束函数都是定义在凸集上的凸函数，该优化规划称为凸规划。该优化规划称为凸规划。凸规划的任一局部最优解即为全局最优解。凸规划的任一局部最优解即为全局最优解。一维搜索方法：一维搜索方法：试探法（试探法（0.618法）、插值法（二次）法）、插值法（二次）锯齿现象锯齿现象，其等值面近似，其等值面近似数可以用二次函数近似数可以用二次函数近似在极
19、小点附近，目标函在极小点附近，目标函椭球面。椭球面。1x*x2x3x它它只只是是。标标函函数数的的一一种种局局部部性性质质最最速速下下降降方方向向反反映映了了目目快快的的方方向向。局局部部目目标标函函数数值值下下降降最最注注1）共轭方向的基本性质共轭方向的基本性质。，令精度要求，任取初始点1.1)1(kxstep为所求极小点；停止，若令)1(1)1(1,|,)(.2xgxfgstep。令，）计算利用公式（否则，令)1(1)1()2(11)1(3,SxxgS为所求极小点；停止，若令)1(1)1(1,|,)(.3kkkkxgxfgstep为：其中否则，令kkkkkSgd,)(1)1(。转，令计算3
20、,.4)()()1(kkkkkSxxstep。令令1:kk221|kkkgg2）共轭梯度法的主要特点共轭梯度法的主要特点算法步骤算法步骤0:,0.10kxstep，精度给定初始点10)()(.3kkkkxxxHgxQstep解出由方程组)()(.22kkkkxfHxfgstep和计算。可逆时，当kkkkkgHxxH11;,|)(|.41*1kkxxxfstep停止，若。转令，否则2,1:stepkk）收敛速度要快（的计算量要小）（质）迭代公式具有下降性（的要求：对321)3kkHH0 kH)HHH(HHHkkkkkk 111 kkGH则则有有记记,11kkkkkkxxsggy kkkkkxxg
21、gH111)(kkksyH1nkn21 将有约束优化问题转化为一系列无约束优化问题将有约束优化问题转化为一系列无约束优化问题进行求解。进行求解。（Sequential Unconstrained Minimization Technique-SUMT）算法思想：算法思想：算法类型：算法类型：q 外点法（外惩法）外点法（外惩法）q 内点法（内惩法内点法（内惩法）1.1.可靠性：可靠性：产品产品在在规定规定的条件下的条件下和和规定的规定的时间内时间内，完成，完成规定功能规定功能的的能力能力。环境约束环境约束温度、介质、负载温度、介质、负载时变时变随机事件随机事件技术指标技术指标精度、稳定性精度、稳
22、定性2.2.可靠度：可靠度：产品产品在在规定规定的条件下的条件下和和规定的规定的时间内时间内，完成，完成规定功能规定功能的的概率概率。是是产品可靠性的产品可靠性的概率度量概率度量：Reliability3.3.可靠性设计的特点可靠性设计的特点由由设计决定产品固有的可靠度设计决定产品固有的可靠度（R的分配、预测的分配、预测）将将设计变量设计变量视为随机变量并视为随机变量并用分布函数进行描述、计算用分布函数进行描述、计算以以强度大于应力法则强度大于应力法则来度量可靠性指标来度量可靠性指标用用安全度或失效率定量描述安全度或失效率定量描述产品的可靠性产品的可靠性4.4.失效率：失效率：(t)(t)失效
23、率曲线与失效类型失效率曲线与失效类型 （1）早期失效期为递减型早期失效期为递减型。主要由于设计、制造、贮存、运输。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素造成。等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素造成。使产品失效率达到偶然失效期的时间使产品失效率达到偶然失效期的时间t0称为交付使用点。称为交付使用点。（2）偶然失效期为恒定型偶然失效期为恒定型。主要由非预期的过载、误操作、偶。主要由非预期的过载、误操作、偶然因素所造成。然因素所造成。偶然失效期是能有效工作的时期，称为有效寿命。偶然失效期是能有效工作的时期，称为有效寿命。（3）耗损失效期，失效率是递增型耗损失
24、效期，失效率是递增型。是由产品已经老化、疲劳、。是由产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。效期。5.5.平均寿命：平均寿命：Mean LifeMean Life 一批产品从投入运行到发生失效的平均工作时间。一批产品从投入运行到发生失效的平均工作时间。MTTF：不可修复产品；从开始使用到发生失效的平均时间不可修复产品；从开始使用到发生失效的平均时间 MTBF：可修复产品；相邻两次故障间工作时间的平均时间可修复产品；相邻两次故障间工作时间的平均时间6.6.维修度：维修度：Maintain abili
25、tyMaintain ability 规定条件下使用的产品，在规定时间内按规定程序和方法维规定条件下使用的产品，在规定时间内按规定程序和方法维修，保持或恢复到规定功能状态的概率修，保持或恢复到规定功能状态的概率。00)()()(0）（可以修复）（不可修复MMdmTPM7.7.有效度：有效度：AvailabilityAvailability 可修复产品，维持其功能在正常工作状态的概率可修复产品，维持其功能在正常工作状态的概率。)()(1)(),(MtRtRtA指数分布指数分布)(ttetf.)(tetF1)(tetR)(1)()(00dttedtttfTEt 当当 时，产品寿命的密度函数时，产品
26、寿命的密度函数 其其分布函数分布函数F(t)F(t)与可靠度与可靠度R(t)R(t)分布为分布为 这个分布函数为指数分布，它的数学期望（即：这个分布函数为指数分布，它的数学期望（即：均值）为：均值）为：结论：结论：若产品寿命服从指数分布，其平均寿命为失效率的倒数若产品寿命服从指数分布，其平均寿命为失效率的倒数0应力应力-强度干涉模型强度干涉模型 g()f()f()g()干涉区干涉区o 现考虑整个应力区间内的情况，有强度大于现考虑整个应力区间内的情况，有强度大于 应力的概率（可靠度）为应力的概率（可靠度）为o 当已知应力和强度的概率密度函数时，根据当已知应力和强度的概率密度函数时，根据 以上表达
27、式即可求得可靠度。以上表达式即可求得可靠度。ddgfdRR222)(exp21)(xxf22SSZR25.540803508202222SSZR/n)7(9.0)(RZR34.2350/820n 根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：式中式中 R Rs s (t t)系统的可靠度；系统的可靠度；R Ri i (t t)第第i i个单元的可靠度。个单元的可靠度。niistRtR1)()(一一)串联系统的可靠度计算串联系统的可靠度计算 组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导致整个系统故障的系统称串联系统。致
28、整个系统故障的系统称串联系统。它属于非贮它属于非贮备可靠性模型，其逻辑框图如图所示。备可靠性模型，其逻辑框图如图所示。1 12 23 3n n 若各单元的寿命分布均为指数分布，即若各单元的寿命分布均为指数分布，即 式中式中 s s 系统的故障率；系统的故障率；i i 各单元的故障率。各单元的故障率。tiietR)(ttnitssniiseeetR11)(niis1例：由例：由4个单元串联组成的系统，单元的可靠度个单元串联组成的系统，单元的可靠度分别为：分别为：RA=0.9 RB=0.8 RC=0.7 RD=0.6,求系求系统的可靠度统的可靠度 RS RS=0.9 0.8 0.7 0.6=0.3
29、024纯并联系统可靠度：纯并联系统可靠度：R RS S=1=1 (1(1 R Ri i)=1=1(1(1 0.9)0.9)=1 =1 0.1=0.999 0.1=0.999 2/32/3表决系统可靠度为：表决系统可靠度为：R RS S=3R=3R 2R=3 2R=3 0.90.9=0.972=0.972 一般公式：一般公式：n n中取中取k k系统的可靠度可按二项式系统的可靠度可按二项式分布计算分布计算 R(t)=R(t)=P Pn n(i)=(i)=C Cn ni i R Ri i F Fn-in-i六、故障树分析六、故障树分析 故障树故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图是一种特殊的倒立
30、树状逻辑因果关系图，它用事件符，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。“底事件底事件”是导致其故障的原因事件是导致其故障的原因事件，位于所讨论故障树底，位于所讨论故障树底端。端。“结果事件结果事件”是由其它事件或事件组合所导致的事件。它是由其它事件或事件组合所导致的事件。它总是总是位于某个逻辑门的输出端位于某个逻辑门的输出端。故障树的建立步骤故障树的建立步骤 ：1 1）熟悉并分析对象；）熟悉并分析对象；2 2）选定顶事件；）选定顶事件；3 3）故障树的构造与简化；）故障树的构造与简化；4 4）计算分析；）计
31、算分析；5 5）评价改进。）评价改进。目的目的 寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合（寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合（最小割集最小割集）发现潜在的故障发现潜在的故障发现设计的薄弱环节，以便改进设计发现设计的薄弱环节，以便改进设计指导故障诊断，改进使用和维修方案指导故障诊断，改进使用和维修方案 割集、最小割集概念割集、最小割集概念割集：割集：故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生；时发生时，顶事件必然发生；最小割集：最小割集：若将割集中所含的底事件任意去掉一个就若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集。不再成为割集。
32、可靠性和可靠度的基本概念：可靠性和可靠度的基本概念：三个规定；能力；概率三个规定；能力；概率 可靠性设计的特点：可靠性设计的特点：4 4个方面个方面 指数分布：指数分布：偶然失效期内，平均寿命是失效率的倒数偶然失效期内，平均寿命是失效率的倒数。应力应力-强度干涉模型强度干涉模型:广义概念广义概念 零部件可靠度计算零部件可靠度计算:正态分布；联结方程求解正态分布；联结方程求解 统计指标：统计指标：可靠度、累计失效概率、失效率、平均寿命可靠度、累计失效概率、失效率、平均寿命 系统可靠性预测系统可靠性预测:串联、并联、表决系统可靠度计算串联、并联、表决系统可靠度计算 故障树分析故障树分析:故障树、最
33、小割集、最小路集的概念故障树、最小割集、最小路集的概念 故障树分析故障树分析:故障树的定性分析和定量计算故障树的定性分析和定量计算jiijKK fDB)1(123456789101112131415 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415123456789101112131415带宽带宽B=B=（相邻节点号的最大差值（相邻节点号的最大差值D+1D+1）*2 2 前置处理是在用有限元法进行结构分析之前，按所使用前置处理是在用有限元法进行结构分析之前，按所使用的单元类型的单元类型对结构进行剖分对结构进行剖分；根据要求；根据要求对结点进行顺序编号对结点进行顺序编号；输入
34、单元特性及结点坐标输入单元特性及结点坐标；生成网格图象并显示。生成网格图象并显示。（1 1）数据输出：）数据输出：将结点位移、单元应力按用户的要求输出规格化的数将结点位移、单元应力按用户的要求输出规格化的数据文件。据文件。（2 2）图形显示：）图形显示：包括包括有限元网格图、结构变形图、等值线图以及振型图有限元网格图、结构变形图、等值线图以及振型图等。等。有限元法的应用领域：有限元法的应用领域：平衡或稳态、特征值、瞬态问题平衡或稳态、特征值、瞬态问题 单元刚度系数的概念；整体刚度矩阵的特点（单元刚度系数的概念；整体刚度矩阵的特点（4 4个个）FEM FEM的基本求解步骤（的基本求解步骤（6 s
35、teps6 steps）带宽的概念与简单应用（带宽的概念与简单应用（P110 5-3P110 5-3 ）有限元软件：有限元软件：前处理的主要功能前处理的主要功能 形函数的概念与特点（形函数的概念与特点（2 2个个）有限元软件有限元软件:后处理的主要内容后处理的主要内容结构离散化结构离散化虚功移置、最小势能原理虚功移置、最小势能原理单元动力方程单元动力方程公共结点位移相同公共结点位移相同组集系统动力方程组集系统动力方程引入边界条件引入边界条件系统动态数学模型系统动态数学模型虚功移置虚功移置：原载荷与结点载荷在任意虚位移上所做的功相等：原载荷与结点载荷在任意虚位移上所做的功相等最小势能：最小势能：
36、所有可能位移场中，真实位移场的总势能最小所有可能位移场中，真实位移场的总势能最小基础基础：单元动力学方程的转换与组集。：单元动力学方程的转换与组集。坐标转换坐标转换：转换为转换为方向余弦矩阵方向余弦矩阵码转换码转换：转换为转换为i 0)(MK2结构特征值结构特征值，可获取不同阶次的固有频率，可获取不同阶次的固有频率反映结构按某固有频率振动时的空间形态，反映结构按某固有频率振动时的空间形态，振型、模态振型、模态脉冲激励测验（锤击试验）脉冲激励测验（锤击试验）FrequencyDistanceAmplitudeBeam一阶模态二阶模态三阶模态ForceForceForceForceForceFor
37、ceForceForceForceForceForce方法方法:ResponseResponse measured at measured at one point one point（在一点测试响应在一点测试响应 ）ExcitationExcitation of the structure at a of the structure at a number of pointsnumber of points（用带传感器的锤头在不同的点激励）用带传感器的锤头在不同的点激励）Frequency Domain Viewv确定结构的模态确定结构的模态v计算激励点和测点的频响函数计算激励点和测点的频响
38、函数ForceModal Domain ViewAcceleration参数化参数化智能化智能化三维化三维化集成化集成化网络化网络化标准化标准化大型主机大型主机智能终端智能终端小型机（小型机（TurnKeyTurnKey SystemSystem）工作站工作站微机微机网络化网络化线框系统线框系统曲线曲面造型曲线曲面造型实体造型技术实体造型技术参数化特征造型参数化特征造型变量化变量化创新协同设创新协同设计计模块化，专业分工模块化，专业分工PLMPLM：产品生命周期管理：产品生命周期管理 满足需要满足需要 模块化模块化 易用性易用性 开放性开放性 二次开发能力二次开发能力 文件接口丰富文件接口丰富
39、 常用外设支持常用外设支持 公司背景公司背景 技术支持技术支持应用软件应用软件系统软件系统软件描述零部件各参数之间的耦合关系；树型组织结构；一对多。描述零部件各参数之间的耦合关系；树型组织结构；一对多。多对多；层次型数据结构是网络型的特例。多对多；层次型数据结构是网络型的特例。用集合论中的用集合论中的n n维数组表示维数组表示顺序存储、链式存储。顺序存储、链式存储。数据共享；数据共享；数据存储结构化；数据存储结构化；数据的独立性；数据的独立性；数据保护。数据保护。是是DBSDBS的核心，是用户与数据库之间的接口。的核心，是用户与数据库之间的接口。帮助用户建立、使用和维护数据库；帮助用户建立、使
40、用和维护数据库；实现对数据库的安全性、完整性、并发性控制。实现对数据库的安全性、完整性、并发性控制。工程数据分析工程数据分析管理型数据：管理型数据：数据间关系分明、数据相对稳定、语义一致；数据间关系分明、数据相对稳定、语义一致；设计型数据：设计型数据：数据呈动态；语义不完全一致；数据呈动态；语义不完全一致；图形数据：图形数据：动态数据；设计过程中急剧增加；动态数据；设计过程中急剧增加；各类软件包：各类软件包：数据具有独立性，必要时可以被激活。数据具有独立性，必要时可以被激活。EDBMSEDBMS的特点的特点数据类型的多样性；数据模型的复杂性；数据类型的多样性；数据模型的复杂性；数据的动态性；数
41、据的动态性；交互式操作方式（交互式操作方式（OOPOOP）图形输出的基础：图形输出的基础：屏幕显示、硬拷贝屏幕显示、硬拷贝 基本图素：矢量图素、像素图素基本图素：矢量图素、像素图素 坐标系统：坐标系统：世界坐标系、设备坐标系、世界坐标系、设备坐标系、NDC NDC 窗口：用户坐标系中定义的确定显示内容的区域窗口：用户坐标系中定义的确定显示内容的区域 视区：设备坐标系中定义的矩形区域，输出窗口图形视区：设备坐标系中定义的矩形区域，输出窗口图形 二维图形的裁剪：二维图形的裁剪：逐点比较法、双边裁剪法逐点比较法、双边裁剪法 ANN ANN是由神经元广泛互连构成的常用的有以下几种：是由神经元广泛互连构
42、成的常用的有以下几种：(1)(1)前向网络：前向网络：前向网络又称为前馈网络。前向网络又称为前馈网络。神经元分层排列，分别组成神经元分层排列，分别组成输入层、中间层和输出层。输入层、中间层和输出层。每每一层神经元只接收来自前一层神经元的输入。输入信息经一层神经元只接收来自前一层神经元的输入。输入信息经各层变换后，最终在输出层输出。各层变换后，最终在输出层输出。(1)(1)能较好地模拟人的形象思维。能较好地模拟人的形象思维。(2)(2)具有大规模并行协同处理能力。具有大规模并行协同处理能力。(3)(3)具有较强的容错能力和联想能力。具有较强的容错能力和联想能力。(1)(1)有导师学习（有导师学习
43、（Supervised LearningSupervised Learning）(2)(2)无导师学习无导师学习(Unsupervised Learning)(Unsupervised Learning)(3)(3)强化学习强化学习(Reinforcement Learning)(Reinforcement Learning)(1)(1)误差纠正学习误差纠正学习(2)(2)HebbHebb学习规则学习规则 (3)(3)竞争学习竞争学习(1)(1)样本学习样本学习 (2)(2)分布式联想记忆分布式联想记忆(3)(3)容错性与自协调功能容错性与自协调功能6.BP6.BP网络建模特点网络建模特点非线
44、性映照能力非线性映照能力：神经网络能以任意精度逼近任何非线性连续函：神经网络能以任意精度逼近任何非线性连续函数。在建模过程中的许多问题正是具有高度的非线性。数。在建模过程中的许多问题正是具有高度的非线性。并行分布处理方式：并行分布处理方式：在神经网络中信息是分布储存和并行处理的，在神经网络中信息是分布储存和并行处理的，这使它具有很强的容错性和很快的处理速度。这使它具有很强的容错性和很快的处理速度。自学习和自适应能力：自学习和自适应能力：神经网络在训练时，能从输入、输出的数神经网络在训练时，能从输入、输出的数据中提取出规律性的知识，记忆于网络的权值中，并具有泛化能力据中提取出规律性的知识，记忆于
45、网络的权值中，并具有泛化能力数据融合的能力：数据融合的能力：神经网络可以同时处理定量信息和定性信息，因神经网络可以同时处理定量信息和定性信息，因此它可以利用传统的数值运算和人工智能技术（符号处理）。此它可以利用传统的数值运算和人工智能技术（符号处理）。多变量系统多变量系统：神经网络的输入和输出变量的数目是任意的，不必：神经网络的输入和输出变量的数目是任意的，不必考虑各子系统间的解耦问题。考虑各子系统间的解耦问题。（1 1）（2 2）（3 3）（5 5）基本遗传算法（基本遗传算法（Simple Genetic AlgorithmsSimple Genetic Algorithms，简称，简称SG
46、ASGA，又称简单遗传算法或标准遗传算法），又称简单遗传算法或标准遗传算法），由由GoldbergGoldberg总结、是其它遗传算法的雏形和基础。总结、是其它遗传算法的雏形和基础。开放性开放性 透明性透明性 继承性继承性 集成性集成性接口智能化接口智能化便于信息交换便于信息交换软件软件-用户用户解释、帮助功能解释、帮助功能元知识元知识继承、提纯继承、提纯多知识多知识多领域的结合多领域的结合IE：应用向导的工程学科应用向导的工程学科 面向实际问题求解；面向实际问题求解；知识的操作、控制，接口与协调管理功能至关重要。知识的操作、控制，接口与协调管理功能至关重要。AI：理论研究导向理论研究导向 智
47、能活动过程的机理；智能活动过程的机理；仿人、仿生；模型、算法；收敛速度、精度。仿人、仿生；模型、算法；收敛速度、精度。ES：专业领域应用专业领域应用 IEIE的基础；的基础；具体问题的决策与解答。具体问题的决策与解答。1 1）知识库）知识库 (Knowledge Base,KB)(Knowledge Base,KB)2 2）推理机）推理机 (Inference Engine,IE)(Inference Engine,IE)3 3）动态数据库）动态数据库 4 4）人机界面）人机界面5 5）解释模块）解释模块 6 6）知识库管理系统）知识库管理系统 专家系统的概念结构专家系统的概念结构人 机 界 面推 理 机解释模块动态数据库知识库知识库管理系统
