现代机电产品设计理论与方法

本书主要介绍了计算机辅助设计、有限元设计、优化设计和可靠性设计,同时还介绍了计算机辅助设计的更高阶段——智能设计、虚拟设计，可靠性设计的更高阶段——稳健设计，以及创新设计、绿色设计、动态设计、表面设计等,可作为当前现代设计理论与方法课程的教材.

2004年5月至今在中原工学院从事先进制造技术的教学和科研工作，为中国机械制造工艺协会标准工作委员会委员。近年来，先后参与完成了国家863重点项目、国家重大科技专项、国家自然基金项目等6个国家级项目的研究工作，获市级科技进步奖二等奖（第2名）1项，获省级教学成果二等奖（第2名）1项，作为主要起草人，参与制定国家标准11项，发表论文38篇，为机械工程省级重点学科梯队成员，郑州市科技创新团队核心骨干成员。目前主持河南省科技攻关项目2项，省教育厅自然基金项目2项。

第1章绪论(1) 1.1现代设计学(1) 1.1.1设计发展的基本阶段(1) 1.1.2现代产品设计的四个阶段(3) 1.1.3现代产品设计的设计要求(5) 1.2我国制造业的形势和发展(6) 1.3现代设计与制造业的发展(7) 1.4现代设计与信息技术(11) 1.5机电产品设计理论与方法的发展趋势(13) 习题与思考题(15) 第2章设计问题的描述与解决(16) 2.1设计的任务和一般过程(16) 2.1.1确定设计任务(16) 2.1.2产生可能的解决方案(19) 2.1.3确定最终解决方案(20) 2.2设计中的知识获取和知识流(22) 2.2.1设计中的知识流(22) 2.2.2知识流的分类(25) 2.3知识获取资源(28) 2.3.1已有知识(28) 2.3.2新知识的获取(29) 2.4分布式资源环境和知识服务(31) 2.4.1知识服务(31) 2.4.2智力资源单元(32) 2.4.3智力资源注册中心(34) 2.4.4知识服务平台(34) 2.5全生命周期性能数字样机(35) 习题与思考题(39) 第3章计算机辅助设计(40) 3.1概述(40) 3.2工程数据的处理方法及CAD程序编制(41) 3.2.1数表程序化(41) 3.2.2线图程序化(42) 3.2.3数据文件(43) 3.3机械工程数据库的创建与应用(43) 3.4计算机图形处理技术(45) 3.4.1图形与图像的基本概念(45) 3.4.2基本图形生成技术及算法(46) 3.4.3计算机图形学的发展趋势(48) 3.5产品数据交换技术(49) 习题与思考题(50) 第4章计算机辅助工程分析(51) 4.1概述(51) 4.1.1计算机辅助工程分析的概念(51) 4.1.2计算机辅助工程分析技术的发展(53) 4.1.3CAE分析软件(54) 4.1.4CAE技术的基本原理(56) 4.2弹性力学基础(56) 4.2.1弹性力学的内容(56) 4.2.2弹性力学问题的分类(58) 4.2.3弹性力学各类问题的基本方程(59) 4.2.4弹性力学问题的解法(61) 4.3平面问题(63) 4.3.1平面应力问题和平面应变问题(64) 4.3.2结构离散化(65) 4.3.3位移函数(67) 4.3.4单元刚度矩阵(69) 4.3.5载荷移置(72) 4.3.6位移边界条件的处理(74) 4.3.7应力计算(76) 4.4有限元分析(77) 4.4.1概述(77) 4.4.2单元特性的推导方法(79) 4.4.3有限元法的工程应用(84) 习题与思考题(87) 第5章机械最优化设计(90) 5.1概述(90) 5.1.1设计变量(91) 5.1.2目标函数(93) 5.1.3约束条件(94) 5.1.4优化设计的数学模型(95) 5.2最优化设计的数学基础(96) 5.2.1泰勒表达式(96) 5.2.2函数的方向导数和梯度(98) 5.2.3无约束目标函数的极值点存在条件(99) 5.2.4函数的凸性与凸函数、凹函数(100) 5.2.5目标函数的约束极值问题(102) 5.2.6迭代法及其收敛性(103) 5.3常见的优化方法(105) 5.3.1搜索区间的确定(106) 5.3.2黄金分割法(108) 5.3.3二次插值法(109) 5.3.4一维搜索算法比较(112) 5.3.5多维无约束优化方法(112) 习题与思考题(126) 第6章机械可靠性设计(127) 6.1概述(127) 6.1.1可靠性技术研究的发展(127) 6.1.2可靠性的概念和特点(128) 6.1.3机械可靠性设计方法(129) 6.1.4机械可靠性设计的内容(131) 6.2可靠性设计指标及常用函数(132) 6.2.1可靠性设计指标(132) 6.2.2可靠性设计常用的概率分布(136) 6.3机械强度可靠性设计(141) 6.3.1可靠性设计过程(141) 6.3.2应力强度分布干涉理论(143) 6.3.3零件强度可靠度的计算(145) 6.3.4零件强度分布参数的确定(145) 6.3.5零件应力分布参数的确定(147) 6.3.6机械零部件强度的许用可靠度(148) 6.4疲劳强度可靠性设计(148) 6.4.1疲劳曲线(148) 6.4.2等幅变应力作用下零件的疲劳寿命及可靠度(151) 6.4.3不稳定应力作用下零件的疲劳寿命(152) 6.4.4承受多级变应力作用的零件在给定寿命时的可靠度(153) 6.5系统可靠性设计(155) 6.5.1系统可靠性的预测(155) 6.5.2系统可靠性分配(162) 6.6可靠性工程设计案例(165) 习题与思考题(167) 第7章机电产品模块化设计(169) 7.1概述(169) 7.2新产品模块化设计方法(169) 7.2.1市场分析，确定需求(169) 7.2.2确定功能原理和功能模块及系列化规划(174) 7.2.3寻找原理方案及总体结构规划(182) 7.2.4结构模块划分(183) 7.3产品模块化设计的过程模型(187) 7.3.1产品模块化设计的Y模型(187) 7.3.2模块化产品平台构建过程(188) 7.3.3模块化产品平台充实维护过程(189) 7.3.4产品配置和产品变型设计过程(189) 7.4建立产品编码和名称字典(190) 习题与思考题(199) 第8章机电产品动态性能设计与优化(200) 8.1概述(200) 8.2动态设计基本原理(201) 8.2.1动态设计的有关概念(201) 8.2.2机械系统动态设计的基本原则和步骤(201) 8.3多学科设计优化(202) 8.4工程实例(202) 8.4.1超重型卧式车床主轴系统动态性能分析(202) 8.5.2传动轴系统的建模与动态性能分析(204) 习题与思考题(205) 第9章产品仿真与数字样机(206) 9.1数字样机的虚拟装配技术(207) 9.1.1虚拟装配技术概述(207) 9.1.2数字样机协同装配技术(207) 9.2特征建模技术(209) 9.2.1特征定义和分类(210) 9.2.2特征建模系统(211) 9.2.3参数化设计(211) 9.3数字样机运动学与动力学仿真技术(213) 9.3.1仿真的定义和类型(213) 9.3.2数字样机仿真的优势(213) 9.4数字样机的概念(214) 9.4.1数字样机的定义(214) 9.4.2数字样机支撑技术(215) 9.4.3数字样机的分类与特点(216) 9.4.4数字样机的真实性(217) 9.5数字样机的应用与发展(218) 9.5.1数字样机的应用(218) 9.5.2数字样机技术的发展(218) 9.6数字样机的性能仿真与分析技术(220) 9.6.1数字样机的运动学动力学性能分析(220) 9.6.2数字样机多学科建模与性能仿真(221) 9.6.3基于数字样机的制造过程仿真技术(222) 习题与思考题(224) 第10章机械系统创新设计(225) 10.1概述(225) 10.2创新设计基础(225) 10.2.1创新基本原理(225) 10.2.2创新的基本方法(230) 10.2.3创新过程(232) 10.2.4机械的创新设计(233) 10.3机械产品创新设计的评价体系和评价方法(241) 10.3.1机械产品创新设计的内容和原则(241) 10.3.2机械产品创新设计过程(241) 10.3.3工艺动作过程和执行机构(242) 10.4基于工艺动作过程的机械产品运动方案创新设计的过程模型(244) 10.4.1工艺动作过程分解(244) 10.4.2机械产品创新设计方法研究(245) 10.5机械创新设计评论(246) 10.5.1机械创新设计评论的特点(246) 10.5.2机械创新设计评论的内容(247) 10.5.3机械创新设计评论的主客体和媒介(248) 10.5.4机械创新设计评论的技巧(248) 10.6TRIZ理论及机械产品创新设计案例(249) 10.6.1TRIZ：发明问题、解决问题理论(249) 10.6.2实际设计案例应用——自行车刹车装置的设计(250) 习题与思考题(251) 参考文献(252)