“现代设计方法”课程教学探索与实践

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1、“现代设计方法”课程教学探索与实践　[摘要]“现代设计方法”是一门工程代写论文实用性较强的新兴边缘学科，目的在于使其成为学生未来从事工业产品设计的有力工具，提高产品的设计水平和质量，推动人类设计事业的进步。结合多年来，在“现代设计方法”课程教学中的探索与实践，从教学内容的确定、教材的选用、软件平台的使用方面进行了详细的阐述，并对实验教学、教学理念、考核方式几个方面的改进进行了介绍。　　[关键词]现代设计方法优化设计有限元教学Matlab　　　　“现代设计方法”是一门工程实用性较强的新兴边缘学科，

2、根本目的在于使它成为学生未来从事工业产品设计的有力工具，以提高产品的设计水平和质量，推动人类设计事业的进步。多年来，我们在“现代设计方法”教学中不断探索、实践。　　　　一、确定教学内容　　　　现代设计方法是一门种类繁多、知识面广的学科群，它由多种设计方法组成，包括计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元法、模块化设计、动态设计、疲劳强度设计、并行设计、绿色设计、虚拟设计、反求工程、人机工程等。由于课时有限，在“现代设计方法”这门课中，主要介绍理论上比较成熟并已经获得广泛应用的现代设计计算方法

3、，包括计算机辅助设计、优化设计、有限元法和可靠性设计，学生通过本课程的学习，能够运用这四种方法解决工程实际中的一些基本问题。对于其他现代设计理念和方法，作为前沿知识介绍给学生，扩大学生的知识面。从教学内容上既突出现代设计方法的重点，又覆盖现代设计方法的全貌。　　　　二、选用教材　　　　要完成以上教学内容，目前没有一本教材可以完全胜任，必须以一本为主，再辅以其他教材作为参考。由于“现代设计方法”涉及高数、物理、线性代数、概率与数理统计、力学等多门学科内容，为了便于基础差的学生课前预习、课后自学，选

4、用了西安理工大学应锦春教授主编的全国高等教育自学考试指定的《现代设计方法》教材作为主教材，这本教材中主要介绍了计算机辅助设计、优化设计、有限元法和可靠性设计这四种现代设计方法。由于是自学考试教材，学生学起来有一种通俗易懂的感觉，而且实例丰富，利于学以致用。对于其他现代设计理念和方法，参考了卢小平、吴威主编的《现代制造技术》，黄雨、董遇泰主编的《现代机械设计理论与方法》等教材，并通过网络查找更多有关现代设计方法的相关内容。在实验教学上参考肖伟、刘忠主编的《Matlab程序设计与应用》、宋兆基主编的

5、《Matlab6.5在科学计算中的应用》，(德)P.I.Kattan著，韩来彬译的《Matlab有限元分析及应用》，自编了实验指导书。　　　　三、选用优秀的软件平台——Matlab软件辅助教学　　　　1．Matlab软件的特点　　Matlab(MatrixLaboratoy)是由美国Matheshgrid，mesh等将插值效果直观地表达出来。而对于曲线拟合，利用Matlab函数，既可以容易地求出拟合曲线，又可以将拟合曲线与原函数在同一坐标系中显示出来，直观地表达拟合曲线与原函数的符合程度　　在第

6、二章“优化设计”中，涉及到高等数学、线性代数、矩阵论等数学问题，对于工科学生而言，本门课程不需要他们对优化的算法进行深入的研究，只要求他们了解和掌握基本概念，每一种算法的特点和应用场合，并将这些算法应用到解决实际问题中。当优化的目标函数和约束条件比较复杂时，计算的工作量很大。利用Matlab软件提供的最优化计算工具箱能很快很好地解决几乎所有的最优化设计问题。对于二维优化设计问题还可以用图形将数学模型和结果表示出来，生动、形象，加深学生对优化设计问题的理解。　　第三章“有限元法”，在求单元刚度矩阵

7、、集成总体刚度矩阵，求解平衡方程中，由于涉及到矩阵运算，计算工作量非常大。所以在本章中使用Matlab作为矩阵计算器进行有限元分析，除了某些手动操作外，主要使用Matlab解决冗长的矩阵计算问题，强调有限元方法的步骤。同时使用了《Matlab有限元分析及应用》提供的有限元工具箱中的函数，大大简化了有限元问题的求解过程，可以将更多的精力放在问题的解决上，在课上可以为学生提供更多练习、讨论的时间，大大增加了学生的学习兴趣。　　第四章可靠性设计中，主要是在第四节“可靠性设计方法的简单应用”中，利用no

8、rminv(1-R)函数，根据可靠度R确定联结系数；利用normcdf(z)函数根据联结系数z确定失效概率F；利用normpdf(z)函数根据联结系数z确定失效率f;利用roots(P)根据多项式各项系数向量P求解多项式的根。一方面省去了查表，另一方面可以大大简化计算。　　　　四、增加实验内容，改进实验平台　　　　在以往的“现代设计方法”课程中，只在第一章和第二章各安排2学时(总学时为40学时)的实验，主要要求学生利用C语言完成工程数据程序化处理、一维搜索、无约束优化设计方法的程序编制、调试和考