卓越工程师教育培养计划配套教材·机械工程系列：优化设计学习与典型题辅导 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

金全意 编

图书标签:

• 优化设计
• 机械工程
• 工程教育
• 教材
• 辅导
• 高等教育
• 专业课程
• 学习资料
• 工程优化
• 机械设计

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302310686

版次：1

商品编码：11286266

品牌：清华大学

包装：平装

丛书名： 卓越工程师教育培养计划配套教材.机械工程系列

开本：16开

出版时间：2013-07-01

用纸：胶版纸

页数：122

字数：196000

正文语种：中文

内容简介

　　优化设计是机械设计制造及其自动化专业的核心专业课程，《卓越工程师教育培养计划配套教材·机械工程系列：优化设计学习与典型题辅导》为该课程的配套辅导用书。全书共分7章，主要介绍了机械优化设计的数学模型、优化设计的数学基础、一维搜索方法、无约束优化方法、线性规划方法、约束优化方法等方面内容的重难点，提供了典型例题及常用的优化算法程序。
　　全书按教材的章节编排，除第7章外，每章编写了学习导引、重难点回顾、典型例题、习题与习题参考答案等，针对学习中常见的问题和需要进行辅导。《卓越工程师教育培养计划配套教材·机械工程系列：优化设计学习与典型题辅导》内容切合学生实际，针对性强，注重帮助学生掌握优化设计的基本知识、基本理论和基本技能。《卓越工程师教育培养计划配套教材·机械工程系列：优化设计学习与典型题辅导》可作为机械和其他工科专业学生学习优化设计的辅导用书，也可作为相关教师的教辅参考书。

内页插图

目录

第1章 机械优化设计概述
1.1 学习导引
1.2 重难点回顾
1.2.1 机械优化设计的数学模型
1.2.2 优化的几何解释
1.2.3 数值迭代法及终止判定准则
1.3 典型例题
1.4 习题
1.5 习题参考答案

第2章 优化设计的数学基础
2.1 学习导引
2.2 重难点回顾
2.2.1 函数的方向导数与梯度
2.2.2 无约束目标函数的极值条件
2.2.3 凸集、凸函数和凸规划
2.2.4 有约束目标函数的极值条件
2.3 典型例题
2.4 习题
2.5 习题参考答案

第3章 一维搜索方法
3.1 学习导引
3.2 重难点回顾
3.2.1 用进退法确定一维搜索区间
3.2.2 一维搜索的区间消去方法
3.2.3 黄金分割法
3.2.4 二次插值法
3.2.5 牛顿法
3.3 典型例题
3.4 习题
3.5 习题参考答案

第4章 无约束优化方法
4.1 学习导引
4.2 重难点回顾
4.2.1 最速下降法（梯度法）
4.2.2 原始牛顿法与阻尼牛顿法
4.2.3 变尺度法
4.2.4 坐标轮换法
4.2.5 共轭方向法
4.2.6 鲍威尔法
4.2.7 共轭梯度法
4.2.8 单纯形法
4.3 典型例题
4.4 习题
4.5 习题参考答案

第5章 线性规划方法
5.1 学习导引
5.2 重难点回顾
5.2.1 线性规划问题的一般形式
5.2.2 基本解和基本可行解
5.2.3 基本可行解的产生与转换条件
5.2.4 基本可行解转换的最优性条件
5.2.5 基本可行解转换的非负性条件
5.2.6 单纯形法
5.3 典型例题
5.4 习题
5.5 习题参考答案

第6章 约束优化方法
6.1 学习导引
6.2 重难点回顾
6.2.1 约束随机方向搜索法
6.2.2 复合形法
……

第7章 常用优化设计程序
参考文献

前言/序言

新时代工程技术人才的必修课：创新驱动下的机械工程优化设计 在日新月异的科技浪潮中，机械工程领域正经历着前所未有的变革。智能制造、绿色设计、新材料应用等前沿技术层出不穷，对工程技术人才的培养提出了更高的要求。如何让未来的工程师们在复杂多变的技术环境中，设计出更高效、更经济、更可靠的机械产品，是教育领域面临的关键课题。本书紧扣时代脉搏，聚焦机械工程领域的核心素养——优化设计，旨在为机械工程专业的学生和从业人员提供一套系统、深入的学习路径和实践指导，助力培养具备创新思维和解决复杂工程问题能力的卓越工程师。 为何优化设计如此重要？ 传统的工程设计往往依赖于经验和试错，虽然在一定程度上能够实现功能需求，但往往存在效率不高、成本冗余、性能不佳等问题。而优化设计，作为一门融合了数学、计算机科学、工程理论和优化算法的交叉学科，为解决这些难题提供了强有力的工具。它通过建立数学模型，运用科学的算法，在给定约束条件下，寻找最优的设计参数，从而实现性能的最大化或成本的最小化。 在当前的工程实践中，优化设计的应用已经渗透到机械工程的各个细分领域： 产品性能提升： 从汽车发动机的燃烧效率优化，到航空发动机叶片的流体动力学性能提升，再到机器人关节的运动精度优化，优化设计能够显著提高产品的性能指标，使其在激烈的市场竞争中脱颖而出。 成本控制与资源节约： 通过对材料用量、结构尺寸、加工工艺等进行优化，可以有效降低制造成本，减少资源浪费，符合绿色制造和可持续发展的时代要求。例如，通过拓扑优化减少不必要的材料，设计出轻量化但强度足够的高性能结构件。 可靠性与安全性增强： 优化设计能够系统地分析和消除潜在的设计缺陷，评估不同工况下的结构响应，从而提高产品的可靠性和安全性，减少故障率，保障用户生命财产安全。 创新设计与功能集成： 优化设计不仅是现有设计的改进，更是激发创新灵感的催化剂。通过对参数空间的探索，能够发现超越传统思维的全新设计方案，实现更复杂的功能集成，推动产品跨越式发展。 本书的独特价值与核心内容 本书以“培养卓越工程师”为宗旨，将理论知识与实际应用紧密结合，力求使读者在掌握优化设计方法的同时，能够将其灵活运用于解决真实的工程问题。本书在内容编排上，注重逻辑的连贯性和知识的循序渐进，力求让不同基础的学习者都能有所收获。 第一部分：理论基石——优化设计理论与方法 本部分是构建读者优化设计知识体系的基石。我们将从最基础的概念讲起，逐步深入到各种经典的优化设计方法，并结合机械工程的特点进行讲解。 优化设计基础概念： 深入解析目标函数、设计变量、约束条件等核心概念，理解优化问题的本质。学习如何将实际的工程问题转化为数学优化模型，这是成功进行优化设计的关键第一步。 经典优化算法： 解析法： 介绍基于微积分的优化方法，如拉格朗日乘子法、KKT条件等，适用于简单、连续、可微的优化问题，为理解更复杂的算法打下基础。 迭代法： 重点讲解在机械工程中应用最为广泛的迭代算法。包括： 梯度下降法及其变种： 如共轭梯度法，对于求解大型稀疏问题具有高效性。 牛顿法及其修正方法： 能够快速收敛，但对海森矩阵计算要求较高。 拟牛顿法： 在不计算海森矩阵的情况下，通过迭代逼近海森矩阵，平衡了收敛速度和计算量。 全局优化算法： 针对机械工程中可能出现的非凸、多模态问题，介绍如模拟退火、遗传算法、粒子群优化算法等启发式算法。这些算法能够有效跳出局部最优，寻找全局最优解。 灵敏度分析与鲁棒性设计： 学习如何评估设计参数对目标函数的影响程度，以及如何设计出对参数扰动不敏感的鲁棒性设计，提高产品的稳定性和可靠性。 多目标优化： 机械工程中的优化问题往往涉及多个相互冲突的目标（如成本与性能、轻量化与强度），本书将介绍如何处理多目标优化问题，如帕累托最优、加权求和法、ε-约束法等，找到满足所有目标的折中方案。 第二部分：实践应用——机械工程中的优化设计 理论的学习是为了指导实践。本部分将针对机械工程的典型应用场景，详细讲解优化设计的应用策略和具体案例。 结构优化设计： 强度优化： 如何通过优化材料、形状、截面尺寸等，在满足强度要求的前提下，实现结构的轻量化。例如，对梁、板、壳等结构的应力、应变进行分析和优化。 刚度优化： 如何设计出具有更高刚度的结构，以减少变形，提高精度。 振动模态优化： 如何调整结构参数，以改变结构的固有频率，避免共振，提高结构的动力学性能。 拓扑优化： 介绍现代结构优化中极为重要的拓扑优化方法，通过算法自动生成最优的材料分布，实现前所未有的轻量化和高性能设计。 机构与传动优化设计： 运动学与动力学性能优化： 如何优化连杆长度、曲柄半径、齿轮参数等，以实现更平稳的运动、更低的冲击、更高的传动效率。 可靠性与寿命优化： 针对齿轮、轴承等关键零部件，如何通过优化设计延长其使用寿命。 热力学与流体动力学优化设计： 换热器优化： 如何通过优化流道设计、翅片结构等，提高换热效率。 发动机性能优化： 如何优化燃烧室形状、气门正时等，提高燃油经济性和动力输出。 风机与泵的效率优化： 如何通过优化叶轮、蜗壳等部件的形状，提高流体机械的效率。 制造工艺优化： 优化设计不仅限于产品本身，也包括其制造过程。将介绍如何优化加工参数、装配顺序等，以降低制造成本、提高生产效率、保证产品质量。 第三部分：工具与方法——工程实践中的辅助手段 现代优化设计离不开强大的计算工具。本部分将介绍常用的工程软件及其在优化设计中的应用。 有限元分析（FEA）在优化设计中的应用： 讲解如何将 FEA 软件（如 ANSYS, Abaqus等）作为优化设计的“黑箱模型”，为优化算法提供响应。 多体动力学（MBD）仿真与优化： 介绍 MBD 软件（如 Adams, RecurDyn等）在机构运动学、动力学仿真及优化中的应用。 CAD/CAE/CAM 集成平台： 探讨如何利用集成的设计制造平台，实现设计、仿真、优化、制造流程的无缝衔接。 专业优化设计软件： 介绍一些专门用于优化设计的软件工具（如 MATLAB Optimization Toolbox, Python SciPy.optimize等），以及如何利用它们实现各种优化算法的编程和应用。 典型题辅导：巩固知识，提升能力 为了帮助读者更好地掌握优化设计的理论和方法，本书精心选取了一系列具有代表性的典型题目，并提供详细的解题思路和步骤。这些题目覆盖了理论计算、软件应用、实际工程问题建模等多个方面，旨在： 检验理解程度： 通过解答题目，读者可以检验自己对理论知识的掌握程度。 熟悉解题技巧： 学习不同类型问题的解题方法和技巧，提高解决问题的效率。 培养工程思维： 将抽象的优化理论与具体的工程问题相结合，培养将实际问题转化为数学模型的能力。 锻炼实践能力： 引导读者动手操作，熟悉相关软件的使用，提升工程实践能力。 本书的目标读者 机械工程专业的本科生和研究生： 本书是课堂教学的理想补充，能够帮助学生深入理解优化设计理论，并掌握其在工程实践中的应用。 机械工程领域的工程师和研发人员： 无论是希望提升产品性能、降低制造成本，还是寻求创新设计方案，本书都能提供宝贵的指导和实用的工具。 相关交叉学科的研究者： 如航空航天、汽车工程、生物医学工程等领域，对优化设计有需求的工程师和研究人员。 结语 卓越工程师的培养，不仅在于扎实的理论基础，更在于解决复杂问题的能力和持续创新的精神。优化设计，作为现代工程科学的核心驱动力之一，是培养这些能力的关键。本书希望能够成为您在优化设计学习道路上的良师益友，助您在机械工程的广阔天地中，设计出更美好的未来。

评分☆☆☆☆☆

我是一名刚刚步入机械工程研究生行列的学生，对于“卓越工程师教育培养计划”这个概念感到既新颖又充满好奇。这本书作为该计划的配套教材，其内容设置必然是经过精心设计的。从书名来看，“优化设计”是核心，这无疑是现代机械工程不可或缺的关键技术。我对优化设计在提升产品性能、降低制造成本、减少资源消耗等方面的重要性有着深刻的认识。我特别希望能在这本书中找到关于优化设计理论的严谨论述，以及如何在实际工程中应用这些理论的具体指导。例如，我希望了解不同优化方法的适用范围、优缺点，以及如何根据具体的设计问题选择最合适的优化策略。此外，教材通常会涉及大量的数学模型和算法，我希望能有清晰的数学推导和易于理解的算法描述，最好还能配以相应的图示和流程图，以帮助我这个初学者更好地掌握。考虑到“典型题辅导”这部分，我期待它能包含从基础概念到复杂工程问题的各种题型，并且答案的解析能够深入浅出，不仅给出正确答案，更能阐述解题的逻辑和关键点，引导我独立思考，最终能够举一反三，融会贯通。这本书对我来说，不仅是一本教材，更是开启我学术研究和未来工程实践大门的一把钥匙。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在传统机械制造行业工作的技术人员，工作中经常会遇到一些效率不高、成本偏高的问题，深知“优化”的重要性，但缺乏系统的理论指导和实践方法。看到这本书的书名，我眼前一亮，认为它可能就是我所需要的。我尤其关注“优化设计”这部分内容，我希望它能够提供一些贴近实际生产的优化方法和案例。例如，在零部件的设计和制造过程中，如何通过优化材料、结构或者工艺参数来降低成本、提高产品质量？书中能否介绍一些简单易学的优化工具或者软件，能够帮助我们这种一线技术人员快速上手，解决实际问题？我期待书中能够提供一些实用的“秘籍”，能够帮助我提升工作效率，为企业创造更大的价值。同时，“典型题辅导”部分，我希望题目能够更偏向于实际操作和问题解决，比如针对某个常见的机械故障，如何通过优化设计来预防或者解决？而解题思路则要注重方法论的讲解，让我们能够掌握解决问题的通用思路，而不仅仅是记住几个具体的答案。总而言之，我希望这本书能成为我的“工程师工具箱”里的得力助手。

评分☆☆☆☆☆

我是一名机械工程专业的在读本科生，即将面临毕业设计和未来的职业发展。我对“卓越工程师教育培养计划”这个概念非常感兴趣，认为这代表了国家对未来工程人才培养的高标准和前瞻性。而这本“优化设计学习与典型题辅导”教材，作为其中的一部分，我对其内容充满了好奇和期待。我希望这本书能够以一种循序渐进的方式，系统地讲解优化设计的核心概念和方法，从基础的数学原理讲起，逐步深入到各种优化算法的原理、应用以及优劣势分析。特别是在“优化设计”这个部分，我希望能看到具体的工程实例，比如如何对一个零件进行结构优化以减轻重量、提高强度，或者如何对一个机械系统进行参数优化以提高效率、降低能耗。书中能否提供一些实际操作的指导，例如如何建立优化模型、如何进行参数化设计、如何分析优化结果等？“典型题辅导”部分，我希望题目能够涵盖不同难度和不同应用场景，并且解题过程能够详细且易于理解，帮助我巩固课堂所学，为应对考试和未来工作打下坚实基础。我期待这本书能让我对机械工程领域的“优化设计”有一个全面而深刻的认识。

评分☆☆☆☆☆

作为一名资深的机械工程师，在多年的工作实践中，我接触了各种各样的机械设计项目，也深知“优化”对于一项工程的成败有着至关重要的影响。然而，随着技术的不断发展，传统的经验式设计方法已经越来越难以满足日益严苛的性能要求和成本控制。因此，我一直渴望能系统地学习和掌握现代化的优化设计理论和方法。这本书的出现，恰好满足了我这一需求。我特别关注的是书中关于“优化设计”的实际应用案例，希望能够看到如何将抽象的数学模型和算法转化为具体的工程设计优化方案。例如，在材料选择、结构布局、参数设定等方面，有哪些成熟的优化流程和工具可以使用？书中是否会介绍一些业界领先的优化软件的应用技巧？我期待这本书能够提供一些“干货”，能够直接指导我在实际工作中解决遇到的瓶颈问题。此外，“典型题辅导”这部分，我更看重其题目的典型性和实用性，希望这些题目能够反映当前机械工程领域中常见的优化设计挑战，并且解题思路能够启发我拓展解决问题的思路。我希望这本书能成为我解决复杂工程问题的“智囊团”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计朴实无华，封底的介绍更是直奔主题，点明了其“卓越工程师教育培养计划配套教材”的定位，以及“机械工程系列”的所属范畴。刚拿到手里，就能感受到纸张的质感，印刷清晰，排版也相当规整，这些细节都让人对内容充满期待。我是一名在机械设计领域摸爬滚打了几年，但总感觉在某些理论深度上有所欠缺的工程师，希望通过学习这本书，能进一步夯实基础，提升解决复杂工程问题的能力。特别是“优化设计”这个方向，在当前技术日新月异的时代，如何更高效、更经济、更可靠地进行设计，是每个机械工程师都必须面对的课题。我希望这本书能提供一套系统性的学习方法，不仅仅是理论的堆砌，更重要的是能够将其与实际工程应用相结合，通过案例分析和详细的步骤讲解，让我能够真正理解优化设计的原理和实施流程。如果书中能包含一些前沿的优化算法介绍，例如遗传算法、模拟退火等在机械设计中的具体应用，那就更好了。同时，我也关注到“典型题辅导”这部分，希望这部分内容能够紧密结合教材理论，提供具有代表性的习题，并且能够有详细的解题思路和步骤解析，帮助我巩固知识，检验学习效果。总的来说，我对这本书寄予厚望，希望它能成为我职业发展道路上的一个重要助力。