當前,我國正處于由制造大國向制造強國轉型的關鍵時期,先進的產品設計技術已成為新時代工程師知識體系中的重要組成部分。本書從產品設計技術的發(fā)展歷史切入,圍繞優(yōu)化設計的核心理念,系統(tǒng)地構建了產品智能優(yōu)化設計技術的體系框架,旨在幫助讀者建立產品優(yōu)化設計所需的基本知識體系。
本書共8 章,內容安排循序漸進。第1 章概述產品設計技術的發(fā)展歷史及相關的設計理論基礎;第2 章深入探討實驗設計方法,為設計數(shù)據(jù)的有效獲取提供堅實支撐;第3 章介紹代理模型構建方法,為產品關鍵性能的預測提供實用的手段和工具;第4 章闡述優(yōu)化模型的基本概念與經典算法,奠定優(yōu)化設計的理論基礎;第5 章聚焦于智能優(yōu)化算法,詳細解析遺傳算法、粒子群算法等仿生算法,賦予讀者全局優(yōu)化求解的能力;第6 章探討多學科優(yōu)化設計方法,闡述其基本框架及經典策略,拓寬讀者的優(yōu)化設計視野;第7 章介紹設計方案決策方法,講解經典的多屬性決策方法,支持讀者在設計過程中進行綜合平衡選擇;第8 章簡要展示解決實際問題的應用方法,增強讀者的實踐能力。整體而言,本書以產品智能優(yōu)化設計的知識體系為主線,通過豐富的案例,對基本概念、模型和算法進行生動描述,旨在幫助讀者更直觀、更深入地理解幵掌握相關知識體系。
本書可作為高等院校機械工程、智能制造工程、工業(yè)工程等專業(yè)的本科生或研究生的主干課程教材,也可作為企業(yè)管理人員、一線設計工程師、設計軟件開發(fā)工程師等專業(yè)人士的寶貴參考書。本書配有以下教學資源:教學課件、研究課題、源代碼與教學視頻,參考MOOC 課程鏈接為:https://smartcourse.zhihuishu.com/course/index/1710493280095047680?mapVersion=1。歡迎選用本書作教材的教師登錄www.cmpedu.com 注冊后下載,或發(fā)郵件至jinacmp@163.com 索取。
本書遵循教指委相關指導文件和高等院校學生學習規(guī)律編寫而成。踐行四新理念,融入思政元素,注重理論與實踐相結合。
前言
當前,我國制造業(yè)正處于由規(guī)模擴張向質量提升轉型的關鍵時期。在這一轉型過程中,“創(chuàng)新設計”被視為核心驅動力。作為實現(xiàn)創(chuàng)新設計的重要方法和工具,產品設計技術的應用范圍廣泛,涵蓋了設計思維、人工智能、運籌優(yōu)化和工業(yè)軟件等多個領域,旨在促進產品設計方案的生成與優(yōu)化。產品設計技術包含多個分支,如創(chuàng)新設計方法、優(yōu)化設計方法、可靠性設計方法和可制造性設計方法等,它們共同構成了一個復雜而豐富的設計體系。
特別地,優(yōu)化設計技術在當前的發(fā)展中占據(jù)了舉足輕重的地位,其應用范圍已廣泛擴展到航空、航天、汽車、電子等諸多領域,成為產品設計不可或缺的組成部分。隨著數(shù)據(jù)驅動和智能學習等技術的快速發(fā)展,優(yōu)化設計技術正展現(xiàn)出更加廣闊的應用前景和潛力。
在此背景下,本書以智能優(yōu)化設計為核心視角,致力于為讀者構建優(yōu)化設計知識體系,并助力其掌握優(yōu)化設計的基本原理和技能。全書共8章,第1章從宏觀層面介紹了設計技術的發(fā)展脈絡,旨在幫助讀者形成對設計技術整體發(fā)展格局的認識,并理解優(yōu)化設計的基本技術框架。第2章~第7章深入探討了與優(yōu)化設計相關的關鍵技術,包括實驗設計方法、代理模型構建方法、經典優(yōu)化算法、智能優(yōu)化算法、多學科優(yōu)化設計方法、設計方案決策方法等,旨在幫助讀者全面理解并掌握這些關鍵技術。最后一章通過具體的應用案例,展示了如何將這些技術應用于解決工程實際問題,實現(xiàn)了理論與實踐的有機結合。
本書采用了案例教學方法,結合具體的算法和模型,通過案例分析引導讀者深入理解基本概念和原理。同時,本書還提供了相應的程序代碼(Python),旨在幫助讀者將理論知識轉化為實際操作能力。
編者
高等院校教師
前言
第1章產品優(yōu)化設計概述
1.1產品設計的發(fā)展歷史
1.1.1產品設計方法的分類
1.1.2產品設計理念的變遷
1.1.3產品設計技術的變遷
1.2典型的產品設計理論
1.2.1系統(tǒng)設計理論
1.2.2公理設計理論
1.2.3創(chuàng)新設計理論
1.2.4通用設計理論
1.2.5C-K設計理論
1.3產品智能設計方法
1.3.1現(xiàn)代產品的典型特征
1.3.2產品設計的一般過程
1.3.3智能設計技術的特點
1.3.4智能設計技術的分類
1.4產品優(yōu)化設計的框架
1.4.1優(yōu)化設計的基本概念
1.4.2優(yōu)化設計的總體框架
1.4.3優(yōu)化設計的關鍵技術
本章小結
本章習題
第2章實驗設計方法
2.1實驗設計概述
2.1.1案例介紹
2.1.2實驗設計的基本概念
2.1.3實驗設計的基本原則
2.1.4實驗設計的一般步驟
2.1.5實驗設計的案例
2.2隨機實驗設計
2.2.1案例介紹
2.2.2完全隨機設計
2.2.3隨機區(qū)組設計
2.2.4平衡不完全區(qū)組設計
2.2.5裂區(qū)設計
2.3拉丁方實驗設計
2.3.1案例介紹
2.3.2拉丁方實驗設計的原理
2.3.3標準拉丁方表格及變形
2.3.4拉丁方設計的基本步驟
2.3.5拉丁方設計案例的求解
2.4正交實驗設計
2.4.1案例介紹
2.4.2正交表及正交設計
2.4.3箱體優(yōu)化的正交設計
2.4.4有交互作用的正交設計
2.4.5水平不等的正交設計
本章小結
本章習題
第3章代理模型構建方法
3.1認識代理模型
3.1.1代理模型的基本概念
3.1.2代理模型的構建步驟
3.2線性回歸模型
3.2.1案例介紹
3.2.2線性回歸模型的原理
3.2.3結果分析
3.3多項式響應面代理模型
3.3.1案例介紹
3.3.2多項式模型原理
3.3.3代碼實現(xiàn)
3.3.4結果分析
3.4神經網絡代理模型
3.4.1案例介紹
3.4.2神經網絡原理
3.4.3結果分析
3.5高斯過程代理模型
3.5.1案例介紹
3.5.2高斯過程原理
3.5.3結果分析
3.6混合代理模型
3.6.1案例介紹
3.6.2混合代理模型原理
3.6.3結果分析
3.7多保真度代理模型
3.7.1案例介紹
3.7.2多保真度代理模型原理
3.7.3結果分析
3.8融合知識代理模型
3.8.1案例介紹
3.8.2知識的表征
3.8.3知識與數(shù)據(jù)融合
3.8.4結果分析
本章小結
本章習題
第4章典型的優(yōu)化算法
4.1認識算法
4.1.1優(yōu)化算法的基本原理
4.1.2優(yōu)化算法的分類
4.1.3經典極值問題
4.2線性規(guī)劃的單純形法
4.2.1問題描述
4.2.2單純形法原理
4.2.3算法步驟
4.2.4結果分析
4.3線性目標規(guī)劃算法
4.3.1問題描述
4.3.2線性目標規(guī)劃原理
4.3.3算法步驟
4.3.4結果分析
4.4最速下降法
4.4.1案例描述
4.4.2最速下降法原理
4.4.3算法步驟
4.4.4結果分析
4.5牛頓法
4.5.1案例描述
4.5.2牛頓法原理
4.5.3算法步驟
4.5.4結果分析
4.6變尺度法
4.6.1問題描述
4.6.2變尺度法原理
4.6.3算法步驟
4.6.4結果分析
本章小結
本章習題
第5章智能優(yōu)化算法
5.1認識智能優(yōu)化算法
5.2禁忌搜索算法
5.2.1案例描述
5.2.2基本原理
5.2.3算法步驟
5.2.4參數(shù)設置
5.2.5結果分析
5.3模擬退火算法
5.3.1案例描述
5.3.2基本原理
5.3.3算法步驟
5.3.4參數(shù)設置
5.3.5結果分析
5.4遺傳算法
5.4.1案例描述
5.4.2基本原理
5.4.3算法步驟
5.4.4參數(shù)設置
5.4.5結果分析
5.5蟻群算法
5.5.1案例描述
5.5.2基本原理
5.5.3算法步驟
5.5.4參數(shù)設置
5.5.5結果分析
5.6粒子群算法
5.6.1案例描述
5.6.2基本原理
5.6.3算法步驟
5.6.4參數(shù)設置
5.6.5結果分析
本章小結
本章習題
第6章多學科優(yōu)化設計方法
6.1認識多學科優(yōu)化設計
6.1.1MDO的基本思想
6.1.2MDO的關鍵技術
6.1.3多學科設計優(yōu)化(MDO)系統(tǒng)的變革
6.2MDO策略分類
6.2.1MDO的一般性模型
6.2.2典型的MDO策略
6.3同時分析與優(yōu)化算法
6.3.1模型原理
6.3.2案例分析
6.4并行子空間優(yōu)化算法
6.4.1模型原理
6.4.2案例分析
6.5協(xié)同優(yōu)化算法
6.5.1模型原理
6.5.2案例分析
6.6兩層綜合集成算法
6.6.1模型原理
6.6.2案例分析
6.7目標級聯(lián)法(ATC)
6.7.1模型原理
6.7.2案例分析
本章小結
本章習題
第7章設計方案決策方法
7.1認識設計方案決策
7.1.1案例介紹
7.1.2模型構建
7.1.3求解步驟
7.1.4結果分析
7.2網絡分析法
7.2.1案例介紹
7.2.2模型構建
7.2.3求解步驟
7.2.4結果分析
7.3逼近理想解排序法
7.3.1案例介紹
7.3.2模型構建
7.3.3求解步驟
7.3.4結果分析
7.4灰色關聯(lián)分析法
7.4.1案例介紹
7.4.2模型構建
7.4.3求解步驟
7.4.4結果分析
7.5模糊決策方法
7.5.1案例介紹
7.5.2模型構建
7.5.3求解步驟
7.5.4結果分析
7.6擇優(yōu)排序方法
7.6.1案例介紹
7.6.2模型構建
7.6.3求解步驟
7.6.4結果分析
7.7證據(jù)理論
7.7.1案例介紹
7.7.2模型構建
7.7.3求解步驟
7.7.4結果分析
本章小結
本章習題
第8章綜合應用案例
8.1風力發(fā)電機葉片優(yōu)化設計案例
8.1.1問題描述
8.1.2實現(xiàn)步驟
8.1.3結果分析
8.2隧道掘進機刀盤優(yōu)化設計案例
8.2.1問題描述
8.2.2實現(xiàn)步驟
8.2.3結果分析
本章小結
參考文獻