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1 绪论 1

1.1 概述 1

1.1.1 现代设计方法的概念 1

1.1.2 设计方法的发展过程 1

1.1.3 现代设计与传统设计 2

1.2 现代设计方法的主要内容和特点 2

1.2.1 现代设计方法的主要内容 2

1.2.2　现代设计方法的特点 5

1.3 学习现代设计方法的意义 6

2　设计方法学 7

2.1　概述 7

2.1.1 设计系统 8

2.1.2　技术系统 12

2.1.3 产品设计的类型与设计原则 13

2.2　创造性设计方法 14

2.2.1 创造力和创造过程 14

2.2.2　创造性思维 17

2.2.3 创造技法 19

2.3 系统化设计方法 21

2.3.1 功能分析法 21

2.3.2 系统化设计实例——汽车举升机设计 25

2.3.3 系统化设计中的评价与决策 27

习题 33

3 计算机辅助设计（CAD） 34

3.1 CAD的概述 34

3.1.1 CAD的概念 34

3.1.2 应用CAD技术的优越性 35

3.1.3 CAD技术的应用领域 35

3.1.4 CAD的发展历程及其发展趋势 36

3.2 CAD系统的构成 38

3.2.1 CAD系统的硬件平台 38

3.2.2　CAD系统的软件平台 41

3.2.3　CAD系统的类型及系统选择 43

3.3 工程数据的处理方法 44

3.3.1 数据组成 45

3.3.2 数表的程序化处理 45

3.3.3 实测数据的曲线拟合 47

3.3.4 数据结构 48

3.3.5 图形标准 51

3.3.6 产品数据管理技术 53

3.4 数据库及其应用 55

3.4.1 数据模型 56

3.4.2 数据库的特点 56

3.4.3 数据库管理系统 57

3.4.4 工程数据库系统 58

3.4.5 数据库系统的应用 59

3.5 图形处理技术 61

3.5.1 计算机图形技术的基本概念 61

3.5.2 图形处理的数学基础 62

3.5.3 坐标系 64

3.5.4 窗口与视区变换 65

3.5.5 图形裁剪 66

3.5.6 二维与三维图形变换 66

3.6 常用的CAD软件 70

3.6.1 I-deas系统 70

3.6.2 Unigraphics系统 70

3.6.3 Pro/Engineer系统 70

3.6.4 CATIA系统 71

3.6.5 AutoCAD系统 71

习题 71

4　有限元法 73

4.1　概述 73

4.2 弹性力学基础 75

4.2.1 弹性力学假设 75

4.2.2 基本概念 75

4.2.3 弹性力学中的典型问题 77

4.2.4 弹性力学平面问题基本方程 78

4.2.5 圣维南原理 82

4.2.6 虚位移原理 83

4.3 平面问题的有限元法 85

4.3.1 三角形常应变单元 85

4.3.2 面积坐标与形函数性质 90

4.3.3 单元刚度矩阵及性质 92

4.3.4 整体分析 97

4.3.5 单元等效节点力与整体载荷阵列 101

4.3.6 收敛准则 104

4.3.7 有限元分析步骤 105

4.4 轴对称问题有限元法 110

4.4.1 轴对称问题基本方程 110

4.4.2　单元分析 113

4.4.3 等效节点载荷计算 115

4.5 等参数单元 117

4.5.1 四节点平面矩形单元 118

4.5.2 等参元的概念 121

4.5.3　平面等参元 126

4.5.4 高斯积分法简介 135

4.6　有限元软件简介 136

4.6.1 概述 136

4.6.2 ANSYS的相关介绍及其分析流程 141

习题 160

5　机械优化设计 164

5.1　优化设计总论 164

5.1.1 优化设计数学模型 164

5.1.2　优化问题的几何描述 168

5.1.3　优化问题的数值迭代法 169

5.2　一维优化方法 170

5.2.1 确定初始区间的进退法 171

5.2.2　黄金分割法 172

5.2.3 二次插值法 175

5.3 无约束优化方法 178

5.3.1 数学基础 178

5.3.2 梯度法 183

5.3.3 牛顿法（Newton法） 186

5.3.4　共轭梯度法 189

5.3.5 变尺度法 194

5.3.6 鲍威尔（Powell）法 198

5.4 约束优化方法 203

5.4.1 约束优化问题的极值条件 204

5.4.2 随机方向法 206

5.4.3 复合形法 210

5.4.4 可行方向法 214

5.4.5 惩罚函数法 219

5.5 最优化方法在机械设计中的应用 228

5.5.1 机械优化设计的一般步骤 228

5.5.2 阶梯轴的优化设计 231

5.5.3 平面铰链四杆机构再现运动规律的最优化设计 232

5.5.4 最小体积二级圆柱齿轮减速器的优化设计 234

习题 236

6　机械可靠性设计 239

6.1 概述 239

6.1.1 可靠性研究历史发展 239

6.1.2 中国机械可靠性研究现状 240

6.1.3　机械可靠性研究的必要性 241

6.1.4 机械系统可靠性设计的特点和难点 242

6.2 可靠性基本概念和理论 242

6.2.1 可靠性的基本概念 242

6.2.2　可靠性特征量 243

6.2.3　典型失效曲线 247

6.2.4 可靠性的概率分布 247

6.3　机械零件可靠性设计 252

6.3.1 概率法机械设计 253

6.3.2 应力-强度干涉模型 254

6.3.3 零部件静强度可靠性设计 256

6.3.4 零部件疲劳强度可靠性设计 257

6.4　机械系统可靠性设计 263

6.4.1 系统模型 263

6.4.2 系统可靠性预测 266

6.4.3　系统可靠性分配 268

6.4.4　机械系统可靠性预计 271

6.5 可靠性设计应用实例 272

6.6 其他机械产品可靠性设计方法简介 273

6.6.1 TTCP法 274

6.6.2 平均累计故障率方法 274

6.6.3　稳健性设计 274

6.6.4 故障模式、影响及危害性分析（FMECA） 275

6.6.5 故障树分析法（FTA） 275

习题 275

参考文献 278