《機械優化設計》教學大綱一、課程基本信息課程名稱機械優化設計MechanicalOptimizationDesign課程編碼MEE210921020開課院部機電工程學院課程團隊機械創新設計教學團隊學分2.0課內學時32講授32實驗0上機0實踐0課外學時26適用專業車輛工程授課語言中文先修課程課程簡介（限選）本課程向學生介紹機械優化設計的基本概念、數學基礎、常用算法和機械優化設計數學模型的建立技術，對學生工程意識培養和計算機應用能力培養有重要意義。通過學習，使學生初步掌握一維搜索方法、無約束優化方法、約束優化方法的常用算法、優化設計的建模技術及應用，為在工程中應用優化設計技術打下基礎。Thiscoursewhichisanimportantpartofthemachineryofmoderndesignmethodscoursesintroducesstudentstothebasicconceptsandmathematicalbasisofmechanicaloptimizationofthedesign,commonlyusedalgorithmsandmechanicaloptimizationofthedesignmathematicalmodeloftechnology.Ithelpstothecultivationofstudents'engineeringawarenesstrainingandcomputerproficiency.AfterlearningOptimizationofMechanicalDesigncourses,studentcaninitialmasterthecommonalgorithmsforone-dimensionalsearchmethod,unconstrainedoptimizationmethod,constrainedoptimizationmethod,optimizationofthedesignapplicationandmechanicaloptimizationofthedesignmodeloftheestablishmentoftechnicalandlaythefoundationfortheoptimizationdesigntechniquesappliedintheproject.負責人大綱執筆人審核人二、課程目標序號代號課程目標OBE畢業要求指標點任務自選1M1目標1：培養工程優化意識，熟悉建立最優化問題數學模型的基本過程。否2M2目標2：掌握優化設計的基本原理和方法。否3M3目標3：初步具備運用優化方法和工具對工程中的優化設計問題進行建模、編程和計算的應用能力。否三、課程內容序號章節號標題課程內容/重難點支撐課程目標課內學時教學方式課外學時課外環節1第1章第1章優化設計的基本概念本章重點：數學模型、可行域、等值線（面）的概念。本章難點：優化問題的幾何解釋。////21.11.1緒論優化、優化設計和機械優化設計的含義，優化設計的發展概況，優化設計的應用，本課程的任務M10.5講授//3121.2優化設計問題的示例箱盒的優化設計，最大產值生產資源分配問題，直齒圓柱齒輪副的優化設計M10.5講授//41.31.3優化設計的數學模型設計變量，約束條件，可行域，目標函數，目標函數等值（線）面優，化設計問題一般數學形式，建模實例，優化設計的分類M11講授//51.41.4優化問題的幾何解釋幾何解釋，優化問題的圖解法M10.5講授//61.51.5優化問題的基本解法及收斂條件基本解法，迭代終止準則M10.5講授2作業7第2章第2章優化方法的數學基礎本章重點：梯度、凸規劃、正定矩陣、海賽矩陣的概念及意義。本章難點：無約束優化問題的極值條件、庫恩塔克（K-T）條件及應用。////82.12.1方向導數與梯度方向導數，梯度，梯度兩個重要性質，幾個常用的梯度公式M20.5講授//92.22.2凸集、凸函數與凸規劃全域最優點，局部最優點，凸集，凸函數，凸規劃M20.5講授//102.32.3二次函數及正定矩陣二次函數，二次型，正定矩陣，負定矩陣M21講授//112.42.4無約束優化問題的極值條件多元函數的泰勒展開，海森矩陣，無約束優化問題的極值必要條件，無約束優化問題的極值充分條件M21講授//122.52.5有約束優化問題的極值條件庫恩—塔克條件，起作用約束M21講授2作業13第3章第3章一維搜索方法本章重點：區間消區法、黃金分割法。本章難點：黃金分割法。////143.13.1引言搜索步長，一維搜索，試探法，插值法M20.5講授//153.23.2確定最優解所在區間的進退法一維搜索的基本思想，確定初始單谷區間的進退法M20.5講授//163.33.3一維搜索的區間消去方法基本思想，黃金分割由來，黃金分割法M21講授//173.43.4一維搜索的插值類方法牛頓法，拋物線法（二次插值法）M21講授2作業18第4章第4章無約束優化方法本章重點：最速下降法、鮑威爾方法、單純形方法。本章難點：理解各種方法的聯系、特點及尋優策略。////194.14.1引言為什么要研究無約束優化問題，間接法，直接法M20.5講授//204.54.5共軛方向法—共軛梯度法共軛方向，共軛方向的性質，共軛梯度法M21講授//214.64.6共軛方向法—鮑威爾方法基本思想，基本算法，改進算法，Powell條件M21講授//224.74.7單形替換方法基本思想，單形替換算法M21講授//234.84.8其它方法坐標輪換法，步長加速法（Hook-Reeves算法）M20.5講授2作業24上機上機：最速下降法程序利用上次一維搜索的通用程序編寫無約束最速下降法通用程序M3//8編程、上機25第5章第5章約束優化方法本章重點：復合形法、可行方向法、懲罰函數法。本章難點：可行下降方向、各種方法的特點及尋優策略。////265.15.1引言直接法，間接法M20.5講授//275.25.2隨機方向法基本思想，產生隨機方向的方法，產生隨機初始點M20.5講授//285.35.3復合形法基本思想，初始復合形的構成，復合形法的迭代步驟，方法特點M21講授//295.45.4可行方向法基本思想，可行方向法的搜索策略，產生可行方向的條件，可行方向的產生方法，步長的確定M21.5講授//305.55.5懲罰函數法基本思想，內點法，外點法，混合法M21講授//315.65.6序列二次規劃法等序列二次規劃法，網格法M20.5講授//32第6章第6章優化設計的建模技術及應用本章重點：優化建模技術及應用。本章難點：多目標優化建模策略。////336.16.1多目標優化方法多目標優化問題，絕對最優解，非劣解(有效Pareto解)，線性加權法、理想點法（目標規劃法）、分目標乘除法、功效系數法，協調曲線法，分層序列法和寬容分層序列法M11.5講授//346.26.2離散變量優化方法概述，約束非線性離散變量的優化方法M20.5講授//356.36.3數學模型的尺度變換目標函數的尺度變換，設計變量的尺度變換，約束函數的尺度變換M20.5講授//366.46.4優化結果分析和全局最優解問題優化結果分析，過程分析，約束函數值的檢查，靈敏度分析，全局最優解問題M20.5講授//376.56.5優化設計在機械設計中的應用舉例銷軸結構參數的優化，機床主軸結構優化設計，圓柱齒輪減速器的優化設計，平面連桿機構的優化設計M32講授10大作業38第7章第7章遺傳算法簡述本章重點：遺傳算法的思想、基本過程。本章難點：算法的編碼、解碼。////397.17.1背景遺傳算法的提出M20.5講授//407.27.2基本思想基本思想M20.5講授//417.37.3算法的基本步驟算法的基本步驟M21講授//427.47.4算法實現的幾個技術問題編碼和解碼，適應函數，算法參數，遺傳算子，算法終止準則M21.5講授//437.57.5遺傳算法與其它傳統搜索方法的比較遺傳算法與其它傳統搜索方法的比較M20.5講授//四、考核方式序號考核環節操作細節總評占比1考勤刷卡統計出勤率、課堂精神風貌5%2課堂表現參與課堂情況，包括回答問題、課堂討論5%3平時作業1.全部課程共四次作業，每次布置2~4道題目。2.成績采用10分制，根據作業完成準確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。3.考核學生對優化設計的概念、基本原理和方法的掌握情況。題型主要有計算、證明題。10%4上機編程1.全部課程共兩次課外上機編程。2.成績采用10分制，根據程序完成準確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。3.考核學生運用計算機實現優化算法的能力。10%5大作業1.大作業要求用優化設計方法解決一個實際工程問題，需要提要分析報告及計算程序。2.成績采用百分制，根據工程問題難度、報告完成情況評分。3.考核學生運用優化方法和工具對工程中的優化設計問題進行建模、編程和計算的應用能力。20%6期末考試1.開卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.主要考核學生對優化設計基本知識的掌握情況，學生綜合運用所學知識分析問題、解決問題的能力，題型主要有分析、證明、計算、簡答題等。50%五、評分細則序號課程目標考核環節大致占比評分等級1M1考勤10%M-缺勤2次以內；N-缺勤3次及以上，很少參加課堂討論。2M1課堂表現10%A-積極，回答問題正確，參與討論表現優異；B-積極，回答問題基本正確；C-比較積極，回答問題有錯誤；D-不積極。3M1平時作業20%A-按時提交作業，優化設計的概念、基本原理和方法等基本知識點理解無誤；B-按時提交作業，優化設計的概念、基本原理和方法等基本知識點理解存在少量錯誤；C-按時提交作業，優化設計的概念、基本原理和方法等基本知識點理解存在一定錯誤；D-不按時提交作業，優化設計的概念、基本原理和方法等基本知識點理解存在大量錯誤。4M1期末考試60%A-優化設計的概念、基本知識點理解無誤；B-優化設計的概念、基本知識點理解存在少量錯誤；C-優化設計的概念、基本知識點理解存在一定錯誤；D-優化設計的概念、基本知識點理解存在大量錯誤。5M2課堂表現10%A-積極，參與討論表現優異；B-積極，參與討論表現較好；C-比較積極，參與討論表現一般；D-不積極。6M2平時作業20%A-按時提交作業，熟悉優化設計的基本原理和方法，對這些方法能夠熟練運用；B-按時提交作業，熟悉優化設計的基本原理和方法，對這些方法能夠運用；C-按時提交作業，熟悉優化設計的基本原理和方法，對這些方法運用不自如；D-不按時提交作業，對優化設計的基本原理和方法不熟悉，對這些方法運用不自如。7M2期末考試70%A-熟悉優化設計的基本原理和方法，對這些方法能夠熟練運用；B-熟悉優化設計的基本原理和方法，對這些方法能夠運用；C-熟悉優化設計的基本原理和方法，對這些方法運用不自如；D-對優化設計的基本原理和方法不熟悉，對這些方法運用不自如。8M3上機編程30%A-按時提交程序，能熟練運用計算機實現優化算法；B-按時提交程序，能運用計算機實現優化算法；C-按時提交程序，不能很好的運用計算機實現優化算法；D-不按時提交程序，不能很好的運用計算機實現優化算法。9M3大作業70%A-按要求提交大作業報告，解決的工程問題較復雜，報告包括建模、優化算法、結果分析，內容全面；B-按要求提交大作業報告，解決的工程問題復雜程度一般，報告包括建模、優化算法、結果分析，內容全面；C-按要求提交大作業報告，解決的工程問題較簡單，報告包括建模、優化算法、結果分析，內容全面；D-提交大作業報告不符合要求，解決的工程問題過于簡單，報告不全面。評分等級說明：[A,B,C,D,E