自学考试《现代设计方法》随堂练习题及答案_第3页

　　简答题

　　121. 设计数据处理的常用方法有那些?

　　122. 结合实际应用，说明CAD的工作过程。

　　123. 请简述现代CAD技术的概念。

　　124. 请简述现代CAD技术研究的内容。

　　125. 传统CAD涉及以哪些基础技术?

　　126. 试述方向导数与梯度的关系。

　　127. 简述求解优化问题的图解法基本步骤。

　　128. 简述什么是梯度?梯度的基本性质。

　　129. 什么是共轭梯度法?试述梯度法与共轭梯度法的区别。

　　130. 简述什么是优化设计?下降迭代算法的构成需要解决哪几个基本问题?

　　131. 下降迭代算法的收敛准则有哪些?

　　132. 优化设计的数学模型由哪三部分组成?建立优化设计的数学模型的基本步骤是什么?

　　133. 请简述梯度法和共轭梯度法的特点。

　　134. 请简述下降迭代算法构成的基本步骤。

　　135. 无约束优化方法分为哪两类?

　　136. 一般机械产品的可靠性设计程序分哪几个阶段?

　　137. 试述可靠性的定义及机械可靠性设计方法的主要特征。

　　138. 什么是可靠度?系统的可靠性预测和可靠性分配有何不同?

　　139. 简述可靠性的重要意义。

　　140. 可靠性分配需考虑哪些因素?

　　参考答案：

　　121. 答：通常对设计数据处理的方法有以下两种：(1)将设计数据转变为程序，即程序化。采取编程的方法对数表及图线进行处理，通常不外乎两种方法：第一，采用数组存储在程序中，用查表、插值的方法检索所需数据;第二，拟合成公式编入程序，由计算获得所需数据;(2)利用数据库管理设计数据。将数表中的数据或线图经离散化后的数据按规定的格式存放在数据库中，由数据库自身进行管理，独立于应用程序，因此，可以被应用程序所共享。

　　122. 答：CAD的工作过程为：

　　1)通过CAD系统人机交互界面输入设计要求，构造出设计产品的几何模型，并将相关信息存贮于数据库中;

　　2)运用计算方法库的计算分析：包括有限元分析和优化设计，同时确定设计方案和零部件的性能参数;

　　3)通过人机交互方式，对设计结果进行评价决策和实时修改，直至达到设计要求为止，利用图形库支持工具，绘制所需图形，生成各种文档;

　　4)设计结果可直接进入CAPP和CAM阶段。

　　123. 答：现代CAD技术是指在复杂的大系统环境下，支持产品自动化设计的设计理论和方法，设计环境，设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化，网络化和智能化，达到提高产品设计质量，降低产品成本和缩短设计周期的目的。

　　124. 答：1)研究现代设计理论与方法；　　2)研究与设计工具相关的技术

　　①协同设计环境的支持技术，　　②协同设计的管理技术。

　　3)研究与设计环境相关的技术　　①产品数字化定义及建模技术，

　　②基于PDM的产品数据管理与工作流(过程)管理技术，　　③发展集成的CAx和DFx工具。

　　125. 答：1)处理技术，如自动绘图，几何建模，图形仿真及其他图形输入，输出技术。

　　2)分析技术，如限元分析，优化设计及面向各种专业的工程分析等。

　　3)数据管理与数据交换技术，如数据库管理，产品数据管理，产品数据交换规范及接口技术等。

　　4)文档处理技术，如文档制作，编辑及文字处理等。

　　5)软件设计技术，如窗口界面设计，软件工具，软件工程规范等。

　　129. 答：共轭梯度法是以函数的梯度构造共轭方向的一种算法，具有共轭方向的性质。共轭梯度法具有超线性收敛速度。梯度法与共轭梯度法的区别是：

　　1)最速下降法(梯度法) ：搜索方向为目标函数负梯度方向，计算效率优于坐标轮换法。开始几步搜索下降快，但愈接近极值点下降愈慢。对初始点的选择要求不高，适合与其它方法结合使用。

　　2)共轭梯度法：第一步搜索沿负梯度方向，然后沿负梯度的共轭方向搜索。计算效率介于梯度法和牛顿法之间。对初始点没有特殊的要求，不需要计算二阶偏导数矩阵及其逆矩阵，计算量与梯度法相当。适用于各种规模的问题。

　　130. 答：1)优化设计是指，将工程设计问题转化为最优化问题，利用数学规划方法，借助电子计算机高速度、高精度和大储存量的运算处理能力，从满足设计要求的一切可行方案中自动寻求最佳设计方案的设计方法。

　　2)下降迭代算法的构成需要解决以下三个基本问题：选择搜索方向，确定步长因子，给定收敛准则。

　　131. 答：下降迭代算法的收敛准则有：　　(1)点距准则：相邻两迭代点的距离来判断;

　　(2)值差准则：相邻两迭代点的函数值之差来判断;　　(3)梯度准则：梯度的模长判断。

　　132. 答：(1)优化设计的数学模型由设计变量、目标函数和约束条件组成。

　　(2)建立优化设计的数学模型的基本步骤是：

　　1)识别要确定的未知变量(设计或决策)，并用代数符号表示它们;

　　2)识别目标或判别标准，并将其表示为要最大化或最小化的函数;

　　3)识别问题的约束或限制，并将它们表示未知变量的线性或非线性的等式或不等式组。

　　133. 答：(1)梯度法的特点。

　　1)梯度法理论明确，程序简单，计算量和存储量较少，对初始点的要求不严格。

　　2)负梯度方向不是理想的搜索方向，梯度法也不是一种理想的方法，梯度法的收敛速度并不快。

　　3)梯度法的迭代全过程的搜索路线呈锯齿状。

　　(2)共轭梯度法的特点

　　1)全局收敛(下降算法),线性收敛;

　　2)每步迭代只需存储若干向量(适用于大规模问题);

　　3)有二次终结性(对于正定二次函数，至多n次迭代可达opt.)

　　134. 答：1)给定一个初始点X(0)和收敛精度ε　　2)选取一个搜索方向S(k)

　　3)确定步长因子ak，按上式得到新的迭代点

　　4)收敛判断：若X(k+1)满足收敛精度，则以X(k+1)作为最优点，终止计算;否则，以X(k+1)作为新的起点，转2)进行下一轮迭代。

　　135. 答：无约束优化方法分为两类: 第一类：直接解法。这种方法中只用到函数f(x)，而不涉及其导数，如坐标轮换法、鲍威尔法(Powell法)、随机搜索法、单纯形法等;第二类：间接解法。它要用到f(x)的导数，如用到一阶导数的方法有梯度法、共扼梯度法和变尺度法;用到二阶导数的方法以牛顿法为代表。间接解法也称为解析法。

　　136. 答：一般机械产品的可靠性设计程序，可大致分为以下几个阶段：

　　(1)方案论证阶段：确定可靠性指标，对可靠性和成本进行估算分析;

　　(2)审批阶段：对可靠度及其增长初步评估、验证试验要求、评价和选择试制厂家;

　　(3)设计研制阶段：主要进行可靠性预测、分配和故障模式及综合影响分析，进行具体结构设计;

　　(4)生产及试验阶段：按规范进行寿命试验、故障分析及反馈、验收试验等;

　　(5)使用阶段：收集现场可靠性数据，为改型提供依据。

　　137. 答：1)可靠性是指机械产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，它是衡量机械产品质量的一个重要指标。

　　2)机械可靠性设计方法的主要特征就是将常规设计方法中所涉及的设计变量，如材料强度、疲劳寿命、载荷、几何尺寸及应力等所具有的多值现象都看成是服从某种分布的随机变量。根据机械产品的可靠性指标要求，用概率统计方法设计出零、部件的主要参数和结构尺寸。

　　138. 答：1)可靠度是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。

　　2) 系统的可靠性预测和系统的可靠性分配的区别是：系统的可靠性预测是按系统的组成形式，根据已知的单元和子系统的可靠度计算求得的;系统的可靠性分配是将已知系统的可靠性指标合理地分配到其组成的各子系统和单元上去，从而求出各单元应具有的可靠度。

　　139. 答：可靠性的有以下重要意义：

　　1)提高产品的可靠性，可以防止故障和事故的发生;

　　2)提高产品的可靠性，能使产品总的费用降低;

　　3)提高产品的可靠性，可以减少停机时间，提高产品可用率;

　　4)对于企业来说，提高产品的可靠性，可以改善企业信誉，增强竞争力，扩大产品销路，从而提高经济效益;

　　5)提高产品的可靠性，可以减少产品责任赔偿案件的发生，以及其他处理产品事故费用的支出，避免不必要的经济损失。

　　140. 答：可靠性分配考虑的因素：

　　1)子系统复杂程度的差别;　　2)子系统重要程度的差别;　　3)子系统运行环境的差别;

　　4)子系统任务时间的差别;　　5)子系统研制周期的差别。