本書依據(jù)Top-Down設計思想，將機電產(chǎn)品設計過程分為初步設計、詳細設計、仿真分析、優(yōu)化設計、可靠性設計和協(xié)同設計等幾個階段，不同設計階段對應不同的設計方法。從設計問題框架、數(shù)學模型和軟件實現(xiàn)三個方面講述現(xiàn)代設計方法，包括公理化設計方法、系統(tǒng)建模方法、需求與概念設計方法、計算機輔助設計方法、有限元設計方法、優(yōu)化設計方法、可靠性設計方法、基于知識的產(chǎn)品設計方法和網(wǎng)絡化協(xié)同設計方法等。講述了現(xiàn)代設計方法的支撐軟件，如QFD、SysML、CAD、CAE、MDO、PDM等。本書可以作為高等學校機械工程、機械電子工程等專業(yè)的教材，也可以作為相關研究人員的參考書。
金天國，哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院副教授，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學機械電子工程專業(yè)，研究方向為數(shù)字化設計與制造。為本科生開設課程包括計算機集成制造技術，機電產(chǎn)品現(xiàn)代設計方法以及本科綜合課程設計2（機電控制系統(tǒng)設計）。為碩士研究生開設的課程包括智能制造系統(tǒng)概論。負責"基于虛實映射的制造工藝智能設計與執(zhí)行控制方法研究”項目，并獲得2019年獲黑龍江省自然科學進步二等獎。
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 機電產(chǎn)品的組成、發(fā)展趨勢及研究內(nèi)容 1
1.1.1 機電產(chǎn)品的組成 1
1.1.2 機電產(chǎn)品的發(fā)展趨勢 3
1.1.3 機電產(chǎn)品的研究內(nèi)容 6
1.2 設計方法的發(fā)展與一般設計理論 7
1.2.1 設計方法的發(fā)展 7
1.2.2 產(chǎn)品設計理論 9
1.3 機電產(chǎn)品設計介紹 14
1.3.1 機電產(chǎn)品設計內(nèi)容與方法 14
1.3.2 本書的組成結構 16
第2章 現(xiàn)代設計方法的理論基礎 18
2.1 解決復雜問題的方法論 18
2.1.1 方法論的定位 18
2.1.2 現(xiàn)代方法論的內(nèi)容 20
2.1.3 方法論的應用 24
2.2 數(shù)學建�；A 25
2.2.1 數(shù)學體系的統(tǒng)一性與層次性 25
2.2.2 數(shù)學建�；A 26
2.3 智能建�；A 30
2.3.1 人工智能的產(chǎn)生和內(nèi)容 30
2.3.2 符號智能 35
2.3.3 計算智能 38
2.3.4 認知智能 39
2.4 系統(tǒng)建�；A 41
2.4.1 系統(tǒng)建模的需求與內(nèi)容 41
2.4.2 MBSE建模方法 42
2.4.3 數(shù)字孿生建模方法 43
2.5 工業(yè)軟件的開發(fā)過程 48
2.5.1 工業(yè)軟件的發(fā)展與分類 48
2.5.2 軟件的基本組成 49
2.5.3 軟件開發(fā)的基本流程（軟件工程） 52
第3章 需求與概念設計方法 54
3.1 概念設計內(nèi)容及模式 54
3.1.1 概念設計內(nèi)容 54
3.1.2 概念設計模式 54
3.2 SysML建模方法 55
3.2.1 SysML基本組成 55
3.2.2 SysML建模過程 57
3.3 SysML軟件及其應用 60
3.3.1 SysML軟件 60
3.3.2 基于SysML的機電產(chǎn)品設計實例 63
3.4 QFD分析法 67
3.4.1 QFD基本原理 67
3.4.2 質量屋的結構與參數(shù)計算 68
3.5 QFD軟件與應用實例 70
3.5.1 QFD軟件 70
3.5.2 應用實例 71
第4章 計算機輔助設計方法 74
4.1 CAD的功能與系統(tǒng)構成 74
4.1.1 CAD的功能與分類 74
4.1.2 CAD發(fā)展趨勢與系統(tǒng)構成 74
4.2 曲線的表達與處理 78
4.2.1 曲線表達基礎 78
4.2.2 Hermite曲線 84
4.2.3 Bezier曲線 85
4.2.4 B樣條曲線 87
4.2.5 NURBS曲線 89
4.3 曲面的表達 89
4.3.1 雙線性曲面 90
4.3.2 COONS曲面 91
4.3.3 NURBS曲面 91
4.3.4 插值曲面 92
4.4 CAD建模方法與數(shù)據(jù)結構 94
4.4.1 CAD建模方法 94
4.4.2 數(shù)據(jù)結構 95
4.5 反求建模與應用 101
4.5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 101
4.5.2 反求建模與分析算法 103
4.5.3 軟件實現(xiàn) 106
4.6 CAD二次開發(fā)技術 108
4.6.1 基于商用軟件的二次開發(fā) 108
4.6.2 基于CAD內(nèi)核的軟件開發(fā) 109
第5章 有限元設計方法 112
5.1 有限元法簡介 112
5.1.1 有限元法的產(chǎn)生與解決的工程問題 112
5.1.2 有限元系統(tǒng)的組成與發(fā)展 114
5.2 有限元力學建模 117
5.2.1 彈性力學的建模方法 117
5.2.2 彈性問題三大方程的推導 120
5.2.3 力學模型的三種表示 124
5.3 有限元求解的數(shù)學原理 126
5.3.1 數(shù)學求解的一般過程與方法 126
5.3.2 伽遼金法 127
5.3.3 變分法 130
5.4 有限元建模與求解過程 132
5.4.1 有限元求解過程 132
5.4.2 單元類型與形函數(shù)的構造 136
5.4.3 網(wǎng)格劃分方法 140
5.5 有限元軟件的應用實例與二次開發(fā) 143
5.5.1 有限元軟件的應用實例 143
5.5.2 有限元復雜問題求解的二次開發(fā) 146
第6章 優(yōu)化設計方法 149
6.1 優(yōu)化設計的框架與模型 149
6.1.1 基于仿真的優(yōu)化設計框架 149
6.1.2 優(yōu)化設計的基本模型 151
6.1.3 優(yōu)化設計的代理體模型 152
6.1.4 優(yōu)化問題的分類 156
6.2 優(yōu)化模型的處理方法與求解策略 158
6.2.1 多目標處理 158
6.2.2 約束處理 160
6.2.3 優(yōu)化模型的求解策略 163
6.3 優(yōu)化模型的數(shù)值求解方法 165
6.3.1 梯度法 165
6.3.2 牛頓法及擴展 167
6.4 優(yōu)化模型的搜索求解方法 170
6.4.1 搜索空間的生成 170
6.4.2 搜索求解方法 174
6.5 優(yōu)化模型的智能求解方法 176
6.5.1 智能求解方法概述 176
6.5.2 遺傳算法 177
6.6 多學科優(yōu)化方法的實現(xiàn) 183
6.6.1 多學科優(yōu)化方法的軟件實現(xiàn)框架 183
6.6.2 多學科優(yōu)化設計應用案例 184
第7章 可靠性設計方法 186
7.1 可靠性的研究內(nèi)容與特征量 186
7.1.1 可靠性的研究內(nèi)容 186
7.1.2 可靠性特征量 187
7.2 可靠性分析方法的數(shù)學基礎 188
7.2.1 常用概率分布 188
7.2.2 蒙特卡羅仿真 190
7.3 機械強度的可靠性設計 192
7.3.1 機械強度的可靠性設計框架 192
7.3.2 應力-強度干涉模型 192
7.3.3 正態(tài)分布函數(shù)的零部件強度可靠性設計 194
7.3.4 差變系數(shù)和安全系數(shù) 197
7.4 機械系統(tǒng)的可靠性設計 198
7.4.1 機械系統(tǒng)的可靠性設計框架 198
7.4.2 機械系統(tǒng)的可靠性模型 198
7.4.3 可靠性分配 199
7.4.4 可靠性預計 201
7.5 故障分析技術 204
7.5.1 故障模式與故障分析 204
7.5.2 故障樹分析方法 206
7.5.3 故障模式和影響及危害性分析 211
7.6 電子系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的可靠性設計 212
7.6.1 電子系統(tǒng)的可靠性設計方法 212
7.6.2 軟件系統(tǒng)的可靠性設計方法 213
7.7 可靠性設計分析軟件介紹 218
第8章 基于知識的產(chǎn)品設計方法 221
8.1 基于知識的產(chǎn)品設計概念與框架 221
8.1.1 基于知識的產(chǎn)品設計概念 221
8.1.2 基于知識的產(chǎn)品設計框架 222
8.2 設計信息與設計知識 222
8.2.1 產(chǎn)品設計過程中的信息 222
8.2.2 設計信息模型 226
8.2.3 設計知識的概念 229
8.3 基于專家系統(tǒng)的產(chǎn)品設計方法 230
8.3.1 專家系統(tǒng)的概念 230
8.3.2 專家系統(tǒng)的結構和原理 231
8.3.3 專家系統(tǒng)應用與開發(fā)的困難 231
8.3.4 產(chǎn)生式規(guī)則專家系統(tǒng) 233
8.3.5 不確定性推理 236
8.3.6 事實庫和解釋機制 238
8.3.7 專家系統(tǒng)的開發(fā)與實例 239
8.4 基于知識的產(chǎn)品設計綜合實例 246
8.4.1 電站給水加熱設備知識分類與獲取 246
8.4.2 電站給水加熱設備的知識規(guī)范化表示 247
8.4.3 電站給水加熱設備的設計平臺框架 248
8.4.4 參數(shù)化和變型設計方法 249
8.4.5 產(chǎn)品設計過程 250
第9章 網(wǎng)絡化協(xié)同設計方法 252
9.1 網(wǎng)絡化協(xié)同設計的概念和特點 252
9.1.1 網(wǎng)絡化協(xié)同設計的概念和體系結構 252
9.1.2 網(wǎng)絡化協(xié)同設計實例 252
9.1.3 網(wǎng)絡化協(xié)同設計的特點 255
9.2 并行協(xié)同設計的標準數(shù)據(jù)模型 255
9.2.1 初級圖形交換規(guī)范（IGES） 255
9.2.2 產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準（STEP） 256
9.3 并行工程和基于DFX的協(xié)同設計方法 260
9.3.1 并行工程簡介 260
9.3.2 面向集成的DFX技術 260
9.4 網(wǎng)絡化協(xié)同設計的支撐軟件 263
9.4.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能介紹 263
9.4.2 產(chǎn)品全生命周期管理平臺功能簡介 267
9.4.3 基于PLM軟件平臺Teamcenter實現(xiàn)工程協(xié)同設計 268
參考文獻 270
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