“现代机械设计方法”实验教学大纲
“Modern Method of Mechine Design” Experiment Plan
课程中文名称：现代机械设计方法
课程英文名称：Modern Method of Mechine Design
课程编码： MACH3437
实验学时： 32
学分： 2
适用专业： 机械类大三、四年级本科生
先修课程： 机械设计基础、材料力学、线性代数、概率论与数理统计、计算机程序设计
开课学院： 机械工程学院
开课学期： 第7学期
教材及实验指导书：
自编讲义，现代机械设计方法及上机实验指导书
一、 实验课程简介
本课程上机实验内容从理论与应用两个方面使学生掌握优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元分析等现代机械设计方法，扩大学生现代设计的视野，提高现代设计技能，注重学生创新设计能力的培养，使之能够应用现代设计方法和新技能进行机电产品的创新设计。
二、 实验课性质、目的和任务
性质：课程内实验
目的：通过上机实验巩固基础理论知识，培养综合运用理论方法、计算机辅助手段解决工程实际问题的能力。
任务：以典型工程实际项目为背景，综合应用优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元分析等软件解决工程实际问题。
三、 实验课教学基本要求
1．掌握优化设计建模基本方法，了解优化设计模型中的基本概念；学会将实际问题转化为优化设计数学模型；了解Matlab优化设计工具箱的功能，学会应用适当的优化设计算法来解决所面临的优化设计问题。
2．了解现代优化设计方法的基本思想，了解人工智能的基本原理及SVM的基本原理；了解SVM的训练过程及预测过程；了解遗传算法的基本思想及参数设置方法；掌握基于Matlab遗传算法工具箱的优化设计问题解决方法。
3．了解隐式建模的含义，明确基于有限元的优化方法在工程中的应用方法和应用效果，学会利用Solidworks软件建模、优化，解决机械设计中复杂零部件的优化方法。
4．以电源系统、机械结构为对象，综合运用先进的计算机辅助手段，完成典型电子系统、典型机械结构的可靠性设计分析。
5．掌握利用Solidworks软件进行三维建模并生成二维工程图、零件静态应力有限元分析、零件的运动分析和疲劳分析等方法。
四、 实验教学的内容与要求
1．四连杆/凸轮尺寸优化设计实验（4学时）：
实验目的：
1)了解优化设计的基本含义。
2)了解传统优化设计方法中的优化建模的显式方法。
3)学会应用Matlab优化设计工具箱解决实际优化设计问题。
教学基本要求：
通过本实验，要求学生掌握优化设计建模基本方法，了解优化设计模型中的基本概念；学会将实际问题转化为优化设计数学模型；了解Matlab优化设计工具箱的功能，学会应用适当的优化设计算法来解决所面临的优化设计问题。
实验内容提要：
1)分析所面临的优化设计问题，明确设计变量、目标函数及各种约束条件，建立优化设计数学模型。
2)编写Matlab优化设计程序（确定优化设计问题类型、选择优化设计算法、编写目标函数、约束函数的程序）完成程序调试。
3)对优化设计结果进行评价，了解优化设计方法收敛的基本条件。
4)完成实验报告，内容包括物理模型描述、优化设计数学模型建立、优化设计求解程序、优化设计结果。
实验类型：设计性
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机，Matlab2011b版软件
2. 基于SVM及遗传算法的材料配比优化实验（4学时）
实验目的：
1)了解以遗传算法为代表的现代优化设计方法。
2)了解基于人工智能的优化设计建模方法。
3)学会应用Matlab优化设计工具箱解决实际优化设计问题。
教学基本要求：
通过本实验，要求学生了解现代优化设计方法的基本思想，了解人工智能的基本原理及SVM的基本原理；了解SVM的训练过程及预测过程；了解遗传算法的基本思想及参数设置方法；掌握基于Matlab遗传算法工具箱的优化设计问题解决方法。
实验内容提要：
1)利用所给出的训练样本，训练SVM优化设计模型。
2)编写Matlab优化设计函数，将所训练的SVM模型嵌入优化设计模型。
3)利用Matlab遗传工具箱，设置合理的参数，对问题进行求解。
4)观察收敛过程、优化设计结果，完成实验报告
实验类型：设计性
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机，Matlab2011b版软件
3. 支架优化设计实验（3学时）：
实验目的：
1)了解隐式优化模型的含义。
2)了解基于有限元的优化设计方法。
3)基本掌握基于有限元的结构尺寸优化方法。
教学基本要求：
通过本实验，使学生了解隐式建模的含义，明确基于有限元的优化方法在工程中的应用方法和应用效果，学会利用Solidworks软件建模、优化，解决机械设计中复杂零部件的优化方法。
实验内容提要：
1)基于Solidworks，建立支架的三维立体图形；
2)设定支架的材料，应用固定约束和压力载荷，设定优化参数、选项，运行算例，查看优化过程；
3)查看优化结果，如静位移、静刚度、应力分布等，生成优化报告。
实验类型：综合性
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机，Solidworks2010版软件，SolidWorks Simulation插件
4．电源系统计算机辅助系统可靠性设计分析实验（4学时）
实验目的：使学生熟悉并了解可靠性设计分析工程应用的各过程、应用方式及手段。增强学生工程背景，提高工程适应能力。
教学基本要求：以某电源系统为对象，综合运用先进的计算机辅助手段，完成一个典型电子系统的可靠性设计分析并提交相关的上机实验和分析报告。
实验内容提要：应用基于网络的可靠性设计分析集成环境——ARMS软件，开展典型产品的可靠性设计分析，包括电源系统产品树建立、可靠性参数和人员权限管理；电源系统可靠性建模、可靠性分配、可靠性预计。
实验类型：综合性
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机，可靠性设计分析软件ARMS2.0
5．机械结构可靠性分析实验（4学时）
实验目的：使学生熟悉并了解可靠性设计分析工程应用的各过程、应用方式及手段。增强学生工程背景，提高工程适应能力。
教学基本要求：以某机械结构为对象，综合运用先进的计算机辅助手段，完成一个典型机械结构的可靠性分析并提交相关的上机实验和分析报告。
实验内容提要：应用机械结构可靠性分析评价系统——ARES2007，针对某机械结构进行刚性承载能力可靠性分析、机构运动可靠性分析，分析流程包括：用Solidworks三维实体建模；用ADAMS虚拟样机运动学/动力学仿真；用ANSYS强度和热环境有限元分析；输入基本随机变量数据；用ARES进行可靠性分析仿真；输出可靠度和灵敏度，为制定系统改进方案提供依据。
实验类型：综合性
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机，机械结构可靠性分析评价系统ARES2007、Solidworks、ADAMS、ANSYS等软件
6．压力盘零件三维建模与二维工程图实验（2学时）：
实验目的： 完成零件的CAD建模及工程图生成
教学基本要求：教师演示，学生练习，教师指导解决问题，掌握基本概念和软件操作过程
实验内容提要：基于Solidworks软件对压力盘零件进行三维建模，然后从三维模型生成二维工程图，内容包括：从草图生成基体、凸台、及切除特征，添加圆角来圆滑边线，生成圆周阵列，添加工程视图，添加中心线、中心符号和尺寸到工程图等。
实验类型：演示性
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机，Solidworks2010版软件
7．托架零件静态应力有限元分析（2学时）：
实验目的： 完成零件的静态应力有限元分析
教学基本要求：教师演示，学生练习，教师指导解决问题，掌握基本概念和软件操作过程
实验内容提要：基于Solidworks软件对托架零件进行静态应力分析，内容包括：为零件指定材料，生成静态分析算例，应用固定约束和压力载荷，设定网格化选项和网格化零件，运行算例，查看静态分析的基本结果，评估设计的安全性，生成算例报告。
实验类型：演示性
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机，Solidworks2010版软件，SolidWorks Simulation插件
8．冲孔结构运动分析及冲孔装配体接杆零件疲劳分析（3学时）：
实验目的： 完成零件的运动分析及关键零件的疲劳分析
教学基本要求：教师演示，学生练习，教师指导解决问题，掌握基本概念和软件操作过程
实验内容提要：基于Solidworks软件对冲孔结构进行运动分析及冲孔装配体接杆零件疲劳分析，内容包括：添加谐波运动，添加冲击力，绘制结果曲线，将运动载荷从 SolidWorks Motion 输入 SolidWorks Simulation，从运动画面生成设计情形，定义疲劳算例，设定疲劳算例的属性，定义恒定高低幅度疲劳事件，为零件材料查看 SN 曲线，查看疲劳结果。
实验类型：验证性
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机，Solidworks2010版软件，SolidWorks Motion插件
9．Teamwork小组综合实验（6学时）：
实验目的： 按指定工程对象，小组为单位完成工程对象的建模，装配，工程图，有限元分析和运动仿真的集成设计分析过程，培养学生独立学习能力和团队合作能力
教学基本要求：教师指定工程对象，学生3-5人组成Teamwork小组共同完成，教师课堂内和课堂外进行充分的辅导解决学生问题
实验内容提要：按指定工程对象，学生3-5人组成Teamwork小组共同完成，基于Solidworks软件完成工程对象的建模，装配，生成关键零件工程图和装配体工程图，零件/装配体的有限元分析和装配体运动仿真的集成设计分析过程；实验后期每小组展示自己的工作成果并由指导教师进行点评和打分。
实验类型：综合性
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机，Solidworks2010版软件，SolidWorks Simulation插件，SolidWorks Motion插件
五、 实验成绩的考核与评定办法
平时实验：占50%，重点考核学生的实验动手操作情况和利用计算机辅助方法分析问题、解决问题的能力。
上机实验报告：占50%。
附：教学实验基本信息汇总表
大纲制定者：朱永生、白文杰、朱爱斌（执笔）
大纲校对者：白文杰
大纲审定者：张优云
大纲批准者：訾艳阳
