卓越工程師教育培養計劃配套教材·機械工程係列：優化設計學習與典型題輔導 下載 mobi epub pdf 電子書 在線閱讀 2026

內容簡介

　　優化設計是機械設計製造及其自動化專業的核心專業課程，《卓越工程師教育培養計劃配套教材·機械工程係列：優化設計學習與典型題輔導》為該課程的配套輔導用書。全書共分7章，主要介紹瞭機械優化設計的數學模型、優化設計的數學基礎、一維搜索方法、無約束優化方法、綫性規劃方法、約束優化方法等方麵內容的重難點，提供瞭典型例題及常用的優化算法程序。
　　全書按教材的章節編排，除第7章外，每章編寫瞭學習導引、重難點迴顧、典型例題、習題與習題參考答案等，針對學習中常見的問題和需要進行輔導。《卓越工程師教育培養計劃配套教材·機械工程係列：優化設計學習與典型題輔導》內容切閤學生實際，針對性強，注重幫助學生掌握優化設計的基本知識、基本理論和基本技能。《卓越工程師教育培養計劃配套教材·機械工程係列：優化設計學習與典型題輔導》可作為機械和其他工科專業學生學習優化設計的輔導用書，也可作為相關教師的教輔參考書。

內頁插圖

目錄

第1章 機械優化設計概述
1.1 學習導引
1.2 重難點迴顧
1.2.1 機械優化設計的數學模型
1.2.2 優化的幾何解釋
1.2.3 數值迭代法及終止判定準則
1.3 典型例題
1.4 習題
1.5 習題參考答案

第2章 優化設計的數學基礎
2.1 學習導引
2.2 重難點迴顧
2.2.1 函數的方嚮導數與梯度
2.2.2 無約束目標函數的極值條件
2.2.3 凸集、凸函數和凸規劃
2.2.4 有約束目標函數的極值條件
2.3 典型例題
2.4 習題
2.5 習題參考答案

第3章 一維搜索方法
3.1 學習導引
3.2 重難點迴顧
3.2.1 用進退法確定一維搜索區間
3.2.2 一維搜索的區間消去方法
3.2.3 黃金分割法
3.2.4 二次插值法
3.2.5 牛頓法
3.3 典型例題
3.4 習題
3.5 習題參考答案

第4章 無約束優化方法
4.1 學習導引
4.2 重難點迴顧
4.2.1 最速下降法（梯度法）
4.2.2 原始牛頓法與阻尼牛頓法
4.2.3 變尺度法
4.2.4 坐標輪換法
4.2.5 共軛方嚮法
4.2.6 鮑威爾法
4.2.7 共軛梯度法
4.2.8 單純形法
4.3 典型例題
4.4 習題
4.5 習題參考答案

第5章 綫性規劃方法
5.1 學習導引
5.2 重難點迴顧
5.2.1 綫性規劃問題的一般形式
5.2.2 基本解和基本可行解
5.2.3 基本可行解的産生與轉換條件
5.2.4 基本可行解轉換的最優性條件
5.2.5 基本可行解轉換的非負性條件
5.2.6 單純形法
5.3 典型例題
5.4 習題
5.5 習題參考答案

第6章 約束優化方法
6.1 學習導引
6.2 重難點迴顧
6.2.1 約束隨機方嚮搜索法
6.2.2 復閤形法
……

第7章 常用優化設計程序
參考文獻

前言/序言

新時代工程技術人纔的必修課：創新驅動下的機械工程優化設計 在日新月異的科技浪潮中，機械工程領域正經曆著前所未有的變革。智能製造、綠色設計、新材料應用等前沿技術層齣不窮，對工程技術人纔的培養提齣瞭更高的要求。如何讓未來的工程師們在復雜多變的技術環境中，設計齣更高效、更經濟、更可靠的機械産品，是教育領域麵臨的關鍵課題。本書緊扣時代脈搏，聚焦機械工程領域的核心素養——優化設計，旨在為機械工程專業的學生和從業人員提供一套係統、深入的學習路徑和實踐指導，助力培養具備創新思維和解決復雜工程問題能力的卓越工程師。 為何優化設計如此重要？ 傳統的工程設計往往依賴於經驗和試錯，雖然在一定程度上能夠實現功能需求，但往往存在效率不高、成本冗餘、性能不佳等問題。而優化設計，作為一門融閤瞭數學、計算機科學、工程理論和優化算法的交叉學科，為解決這些難題提供瞭強有力的工具。它通過建立數學模型，運用科學的算法，在給定約束條件下，尋找最優的設計參數，從而實現性能的最大化或成本的最小化。 在當前的工程實踐中，優化設計的應用已經滲透到機械工程的各個細分領域： 産品性能提升： 從汽車發動機的燃燒效率優化，到航空發動機葉片的流體動力學性能提升，再到機器人關節的運動精度優化，優化設計能夠顯著提高産品的性能指標，使其在激烈的市場競爭中脫穎而齣。 成本控製與資源節約： 通過對材料用量、結構尺寸、加工工藝等進行優化，可以有效降低製造成本，減少資源浪費，符閤綠色製造和可持續發展的時代要求。例如，通過拓撲優化減少不必要的材料，設計齣輕量化但強度足夠的高性能結構件。 可靠性與安全性增強： 優化設計能夠係統地分析和消除潛在的設計缺陷，評估不同工況下的結構響應，從而提高産品的可靠性和安全性，減少故障率，保障用戶生命財産安全。 創新設計與功能集成： 優化設計不僅是現有設計的改進，更是激發創新靈感的催化劑。通過對參數空間的探索，能夠發現超越傳統思維的全新設計方案，實現更復雜的功能集成，推動産品跨越式發展。 本書的獨特價值與核心內容 本書以“培養卓越工程師”為宗旨，將理論知識與實際應用緊密結閤，力求使讀者在掌握優化設計方法的同時，能夠將其靈活運用於解決真實的工程問題。本書在內容編排上，注重邏輯的連貫性和知識的循序漸進，力求讓不同基礎的學習者都能有所收獲。 第一部分：理論基石——優化設計理論與方法 本部分是構建讀者優化設計知識體係的基石。我們將從最基礎的概念講起，逐步深入到各種經典的優化設計方法，並結閤機械工程的特點進行講解。 優化設計基礎概念： 深入解析目標函數、設計變量、約束條件等核心概念，理解優化問題的本質。學習如何將實際的工程問題轉化為數學優化模型，這是成功進行優化設計的關鍵第一步。 經典優化算法： 解析法： 介紹基於微積分的優化方法，如拉格朗日乘子法、KKT條件等，適用於簡單、連續、可微的優化問題，為理解更復雜的算法打下基礎。 迭代法： 重點講解在機械工程中應用最為廣泛的迭代算法。包括： 梯度下降法及其變種： 如共軛梯度法，對於求解大型稀疏問題具有高效性。 牛頓法及其修正方法： 能夠快速收斂，但對海森矩陣計算要求較高。 擬牛頓法： 在不計算海森矩陣的情況下，通過迭代逼近海森矩陣，平衡瞭收斂速度和計算量。 全局優化算法： 針對機械工程中可能齣現的非凸、多模態問題，介紹如模擬退火、遺傳算法、粒子群優化算法等啓發式算法。這些算法能夠有效跳齣局部最優，尋找全局最優解。 靈敏度分析與魯棒性設計： 學習如何評估設計參數對目標函數的影響程度，以及如何設計齣對參數擾動不敏感的魯棒性設計，提高産品的穩定性和可靠性。 多目標優化： 機械工程中的優化問題往往涉及多個相互衝突的目標（如成本與性能、輕量化與強度），本書將介紹如何處理多目標優化問題，如帕纍托最優、加權求和法、ε-約束法等，找到滿足所有目標的摺中方案。 第二部分：實踐應用——機械工程中的優化設計 理論的學習是為瞭指導實踐。本部分將針對機械工程的典型應用場景，詳細講解優化設計的應用策略和具體案例。 結構優化設計： 強度優化： 如何通過優化材料、形狀、截麵尺寸等，在滿足強度要求的前提下，實現結構的輕量化。例如，對梁、闆、殼等結構的應力、應變進行分析和優化。 剛度優化： 如何設計齣具有更高剛度的結構，以減少變形，提高精度。 振動模態優化： 如何調整結構參數，以改變結構的固有頻率，避免共振，提高結構的動力學性能。 拓撲優化： 介紹現代結構優化中極為重要的拓撲優化方法，通過算法自動生成最優的材料分布，實現前所未有的輕量化和高性能設計。 機構與傳動優化設計： 運動學與動力學性能優化： 如何優化連杆長度、麯柄半徑、齒輪參數等，以實現更平穩的運動、更低的衝擊、更高的傳動效率。 可靠性與壽命優化： 針對齒輪、軸承等關鍵零部件，如何通過優化設計延長其使用壽命。 熱力學與流體動力學優化設計： 換熱器優化： 如何通過優化流道設計、翅片結構等，提高換熱效率。 發動機性能優化： 如何優化燃燒室形狀、氣門正時等，提高燃油經濟性和動力輸齣。 風機與泵的效率優化： 如何通過優化葉輪、蝸殼等部件的形狀，提高流體機械的效率。 製造工藝優化： 優化設計不僅限於産品本身，也包括其製造過程。將介紹如何優化加工參數、裝配順序等，以降低製造成本、提高生産效率、保證産品質量。 第三部分：工具與方法——工程實踐中的輔助手段 現代優化設計離不開強大的計算工具。本部分將介紹常用的工程軟件及其在優化設計中的應用。 有限元分析（FEA）在優化設計中的應用： 講解如何將 FEA 軟件（如 ANSYS, Abaqus等）作為優化設計的“黑箱模型”，為優化算法提供響應。 多體動力學（MBD）仿真與優化： 介紹 MBD 軟件（如 Adams, RecurDyn等）在機構運動學、動力學仿真及優化中的應用。 CAD/CAE/CAM 集成平颱： 探討如何利用集成的設計製造平颱，實現設計、仿真、優化、製造流程的無縫銜接。 專業優化設計軟件： 介紹一些專門用於優化設計的軟件工具（如 MATLAB Optimization Toolbox, Python SciPy.optimize等），以及如何利用它們實現各種優化算法的編程和應用。 典型題輔導：鞏固知識，提升能力 為瞭幫助讀者更好地掌握優化設計的理論和方法，本書精心選取瞭一係列具有代錶性的典型題目，並提供詳細的解題思路和步驟。這些題目覆蓋瞭理論計算、軟件應用、實際工程問題建模等多個方麵，旨在： 檢驗理解程度： 通過解答題目，讀者可以檢驗自己對理論知識的掌握程度。 熟悉解題技巧： 學習不同類型問題的解題方法和技巧，提高解決問題的效率。 培養工程思維： 將抽象的優化理論與具體的工程問題相結閤，培養將實際問題轉化為數學模型的能力。 鍛煉實踐能力： 引導讀者動手操作，熟悉相關軟件的使用，提升工程實踐能力。 本書的目標讀者 機械工程專業的本科生和研究生： 本書是課堂教學的理想補充，能夠幫助學生深入理解優化設計理論，並掌握其在工程實踐中的應用。 機械工程領域的工程師和研發人員： 無論是希望提升産品性能、降低製造成本，還是尋求創新設計方案，本書都能提供寶貴的指導和實用的工具。 相關交叉學科的研究者： 如航空航天、汽車工程、生物醫學工程等領域，對優化設計有需求的工程師和研究人員。 結語 卓越工程師的培養，不僅在於紮實的理論基礎，更在於解決復雜問題的能力和持續創新的精神。優化設計，作為現代工程科學的核心驅動力之一，是培養這些能力的關鍵。本書希望能夠成為您在優化設計學習道路上的良師益友，助您在機械工程的廣闊天地中，設計齣更美好的未來。