南通大学：《现代机械设计方法》课程教学大纲

《现代机械设计方法》课程教学大纲课程名称：现代机械设计方法课程编码：196101047学分：2.5学分总学时/课内实践（实验）学时：40考核方式：考试课程性质：必修课程课程类型：专业必修课程开课单位：机械工程学院机械设计工程系适应对象：机械设计制造及其自动化专业先修课程：工程图学、高等数学、大学物理、线性代数、理论力学、机械原理、机械设计、电工电子技术、控制工程基础建议教材及参考书：1.教材：《现代机械设计方法》，谢里阳主编，机械工业出版社，2018年10月第3版2.参考书：《有限元分析与方法》，韩昌锐，孙伟，张玉华主编，科学出版社，2022年2月一、课程教学目标本课程是面同机械设计制造及其自动化专业开设的专业必修课，旨在通过理论教学，使学生掌握创新设计理论与方法、有限元法与应用、机械优化设计和可靠性设计中的基本概念，具备将科学设计理念与先进设计方法相结合的观念和思维方式；掌握创新设计的基本概念，理解设计中的冲突及其解决原理、技术系统进化模式；理解弹性力学基本理论和有限元法，能利用有限元法建立计算模型并求解问题；掌握机械优化设计的数学基础，理解一维优化方法、多维无约束优化方法和约束问题的优化设计方法；掌握产品可靠性及其度量指标，理解可靠性设计中常用的概率分布。培养学生爱国主义情怀，具备实事求是、精益求精的行业道德和强烈的社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任

《现代机械设计方法》课程教学大纲 课程名称：现代机械设计方法 课程编码：196101047 学 分：2.5 学分 总学时/课内实践（实验）学时：40 考核方式：考试 课程性质：必修课程 课程类型：专业必修课程 开课单位：机械工程学院机械设计工程系 适应对象：机械设计制造及其自动化专业 先修课程：工程图学、高等数学、大学物理、线性代数、理论力学、机械原理、 机械设计、电工电子技术、控制工程基础 建议教材及参考书： 1.教材：《现代机械设计方法》，谢里阳主编，机械工业出版社，2018 年 10 月第 3 版 2.参考书：《有限元分析与方法》，韩昌锐，孙伟，张玉华主编，科学出版社， 2022 年 2 月 一、课程教学目标 本课程是面向机械设计制造及其自动化专业开设的专业必修课，旨在通过理 论教学，使学生掌握创新设计理论与方法、有限元法与应用、机械优化设计和可 靠性设计中的基本概念，具备将科学设计理念与先进设计方法相结合的观念和思 维方式；掌握创新设计的基本概念，理解设计中的冲突及其解决原理、技术系统 进化模式；理解弹性力学基本理论和有限元法，能利用有限元法建立计算模型并 求解问题；掌握机械优化设计的数学基础，理解一维优化方法、多维无约束优化 方法和约束问题的优化设计方法；掌握产品可靠性及其度量指标，理解可靠性设 计中常用的概率分布。培养学生爱国主义情怀，具备实事求是、精益求精的行业 道德和强烈的社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范， 履行责任

本课程具体教学目标为：目标1.掌握创新思维的基本方法和创新技法，理解TRIZ的基本概念，掌握仿生学与仿生机械学的概念和仿生设计具体方法；理解设计中的物理冲突、技术冲突，掌握两种冲突的解决原理，了解技术系统进化模式。【支撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求2/H)目标2.理解弹性力学中的基本假设、基本概念和基本方程，掌握有限元法的理论基础和求解问题的基本步骤，了解有限元基本单元及其特点，理解单元分析、整体分析和边界约束条件的处理，掌握有限元动力学基本方程和分析方法。【支撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求2/L】目标3.掌握优化设计的数学基础，理解一维优化方法、多维无约束优化方法，了解约束问题的优化设计方法及应用支撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求2/H)目标4.理解机械产品的可靠性，掌握可靠性度量指标，理解可靠性设计中常用的概率分布，掌握零件可靠度计算的应力-强度模型，了解系统可靠性分配。【支撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求2/L】二、课程教学内容及要求（一）第一章创新设计理论与方法1.教学内容：第一节创新设计的基本概念（1）创新设计（2）创新思维的基本方法（3）创新技法（4）TRIZ的基本概念第二节设计中的冲突及其解决原理（1）物理冲突及其解决原理（2）技术冲突及其解决原理（3）利用冲突矩阵实现创新第三节利用技术进化模式实现创新（1）概述（2）技术系统进化模式第四节计算机辅助创新设计软件

本课程具体教学目标为： 目标 1.掌握创新思维的基本方法和创新技法，理解 TRIZ 的基本概念，掌握 仿生学与仿生机械学的概念和仿生设计具体方法；理解设计中的物理冲突、技术 冲突，掌握两种冲突的解决原理，了解技术系统进化模式。【支撑机械设计制造 及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求 2/H】 目标 2.理解弹性力学中的基本假设、基本概念和基本方程，掌握有限元法的 理论基础和求解问题的基本步骤，了解有限元基本单元及其特点，理解单元分析、 整体分析和边界约束条件的处理，掌握有限元动力学基本方程和分析方法。【支 撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求 2/L】 目标 3.掌握优化设计的数学基础，理解一维优化方法、多维无约束优化方法， 了解约束问题的优化设计方法及应用【支撑机械设计制造及其自动化专业本科人 才培养方案毕业要求 2/H】 目标 4.理解机械产品的可靠性，掌握可靠性度量指标，理解可靠性设计中常 用的概率分布，掌握零件可靠度计算的应力-强度模型，了解系统可靠性分配。 【支撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求 2/L 】 二、课程教学内容及要求 （一）第一章 创新设计理论与方法 1. 教学内容： 第一节创新设计的基本概念 （1）创新设计 （2）创新思维的基本方法 （3）创新技法 （4）TRIZ 的基本概念 第二节设计中的冲突及其解决原理 （1）物理冲突及其解决原理 （2）技术冲突及其解决原理 （3）利用冲突矩阵实现创新 第三节 利用技术进化模式实现创新 （1）概述 （2）技术系统进化模式 第四节 计算机辅助创新设计软件

（1）概述（2）创新能力拓展平台CRT/NOVA第五节仿生原理与机械设计（1）仿生学与仿生机械学（2）仿动物步行的机械设计（3）仿动物爬行的机械设计（4）仿人类肢体的机械设计2.教学要求：通过本章内容的学习，理解创新、创造、发明以及创新设计等基本概念，掌握各种冲突概念及其分类，理解设计中物理冲突、技术冲突的解决原理和方法，掌握技术进化的基本思想和技术系统进化的11种模式，了解计算机辅助创新设计软件，掌握仿生学与仿生机械学的概念和仿生设计具体方法。3.教学重点：TRIZ的基本概念、物理冲突及其解决原理、技术冲突及其解决原理、技术系统进化模式。4.教学难点：物理冲突和技术冲突的解决方法及应用。5.支撑的课程教学目标：目标1（二）第二章有限元法与应用1.教学内容：第一节弹性力学有限元法的基本思想和特点（1）弹性力学问题概述（2）有限元法的基本思想和特点（3）有限元法的应用领域第二节弹性力学基本理论（1）弹性力学的基本假设（2）弹性力学的基本概念（3）弹性力学的基本方程（4）平面问题的基础理论第三节弹性力学的有限元法（1）有限元法的理论基础

（1）概述 （2）创新能力拓展平台 CRT/NOVA 第五节 仿生原理与机械设计 （1）仿生学与仿生机械学 （2）仿动物步行的机械设计 （3）仿动物爬行的机械设计 （4）仿人类肢体的机械设计 2. 教学要求： 通过本章内容的学习，理解创新、创造、发明以及创新设计等基本概念，掌 握各种冲突概念及其分类，理解设计中物理冲突、技术冲突的解决原理和方法， 掌握技术进化的基本思想和技术系统进化的 11 种模式，了解计算机辅助创新设 计软件，掌握仿生学与仿生机械学的概念和仿生设计具体方法。 3. 教学重点： TRIZ 的基本概念、物理冲突及其解决原理、技术冲突及其解决原理、技术 系统进化模式。 4. 教学难点： 物理冲突和技术冲突的解决方法及应用。 5. 支撑的课程教学目标：目标 1 （二）第二章 有限元法与应用 1. 教学内容： 第一节 弹性力学有限元法的基本思想和特点 （1）弹性力学问题概述 （2）有限元法的基本思想和特点 （3）有限元法的应用领域 第二节 弹性力学基本理论 （1）弹性力学的基本假设 （2）弹性力学的基本概念 （3）弹性力学的基本方程 （4）平面问题的基础理论 第三节 弹性力学的有限元法 （1）有限元法的理论基础

（2）有限元法求解问题的基本步骤（3）有限元基本单元及其特点（4）单元分析和整体分析（5）边界约束条件的处理（6）求解、计算结果的整理和有限元后处理（7）有限元动力学基本方程（8）有限元动力学基本分析方法第四节有限元分析中的若干问题（1）有限元计算模型的建立（2）减小解题规模的常用措施2.教学要求：通过本章内容的学习，理解弹性力学中的基本概念、基本假设、基本方程以及虚位移原理，掌握有限元法的基本内容、方法与步骤，了解利用有限元法分析结构动力学问题的基本原理及方法。3.教学重点：弹性力学的基本方程、平面问题的基础理论、单元分析和整体分析、有限元动力学基本方程。4.教学难点：有限元动力学基本分析方法5.支撑的课程教学目标：目标2（三）第三章机械优化设计1.教学内容：第一节概述（1）优化设计与传统设计方法的比较（2）优化设计的概念及术语（3）机械优化设计的一般过程（4）优化设计的数学模型第二节优化设计的数学基础（1）等值线（面）的概念（2）多元函数的梯度与最速下降方向（3）多元函数的泰勒展开式（4）二次函数

（2）有限元法求解问题的基本步骤 （3）有限元基本单元及其特点 （4）单元分析和整体分析 （5）边界约束条件的处理 （6）求解、计算结果的整理和有限元后处理 （7）有限元动力学基本方程 （8）有限元动力学基本分析方法 第四节有限元分析中的若干问题 （1）有限元计算模型的建立 （2）减小解题规模的常用措施 2. 教学要求： 通过本章内容的学习，理解弹性力学中的基本概念、基本假设、基本方程以 及虚位移原理，掌握有限元法的基本内容、方法与步骤，了解利用有限元法分析 结构动力学问题的基本原理及方法。 3. 教学重点： 弹性力学的基本方程、平面问题的基础理论、单元分析和整体分析、有限元 动力学基本方程。 4. 教学难点：有限元动力学基本分析方法 5. 支撑的课程教学目标：目标 2 （三）第三章 机械优化设计 1. 教学内容： 第一节 概述 （1）优化设计与传统设计方法的比较 （2）优化设计的概念及术语 （3）机械优化设计的一般过程 （4）优化设计的数学模型 第二节 优化设计的数学基础 （1）等值线（面）的概念 （2）多元函数的梯度与最速下降方向 （3）多元函数的泰勒展开式 （4）二次函数

（5）目标函数的极值与判别条件（6）优化设计的数值解法及终正准则第三节一维优化方法（1）单峰区间及其“高-低-高”几何特征（2）搜索区间的进退法（3）缩短搜索区间的消去法（4）黄金分割法第四节多维无约束优化方法（1）坐标轮换法（2）共轭方向法（3）Powell法（4）最速下降法（梯度法）（5）牛顿法（6）广义牛顿法（7）变尺度法（DFP法）第五节约束问题的优化设计方法（1）内点惩罚函数法（2）外点惩罚函数法（3）混合惩罚函数法第六节机械优化设计的应用（1）机械优化设计的一般步骤（2）建立数学模型的基本原则（3）机床主轴的优化设计2.教学要求：通过本章内容的学习，理解优化设计的基本概念、分类及进行机械优化设计的一般过程，掌握机械优化设计的数学模型及标准格式，理解数学模型中涉及的基本概念及优化设计问题的基本解法。3.教学重点：优化设计的数学模型、多元函数的梯度与最速下降方向、目标函数的极值与判别条件、单峰区间及其“高-低一高”几何特征、确定搜索区间的进退法、缩短搜索区间的消去法、黄金分割法

（5）目标函数的极值与判别条件 （6）优化设计的数值解法及终止准则 第三节 一维优化方法 （1）单峰区间及其“高-低-高”几何特征 （2）搜索区间的进退法 （3）缩短搜索区间的消去法 （4）黄金分割法 第四节 多维无约束优化方法 （1）坐标轮换法 （2）共轭方向法 （3）Powell 法 （4）最速下降法（梯度法） （5）牛顿法 （6）广义牛顿法 （7）变尺度法（DFP 法） 第五节 约束问题的优化设计方法 （1）内点惩罚函数法 （2）外点惩罚函数法 （3）混合惩罚函数法 第六节 机械优化设计的应用 （1）机械优化设计的一般步骤 （2）建立数学模型的基本原则 （3）机床主轴的优化设计 2. 教学要求： 通过本章内容的学习，理解优化设计的基本概念、分类及进行机械优化设计 的一般过程，掌握机械优化设计的数学模型及标准格式，理解数学模型中涉及的 基本概念及优化设计问题的基本解法。 3. 教学重点： 优化设计的数学模型、多元函数的梯度与最速下降方向、目标函数的极值与 判别条件、单峰区间及其“高-低-高”几何特征、确定搜索区间的进退法、缩短 搜索区间的消去法、黄金分割法

4.教学难点：约束问题的优化设计方法5.支撑的课程教学目标：目标3（四）第四章可靠性设计1．教学内容：第一节产品可靠性及其度量指标（1）产品设计中的可靠性问题（2）产品质量与可靠性（3）产品寿命与可靠性统计描述和表达（4）可靠性度量指标（5）应用距离（6）可靠性设计流程第二节可靠性设计中常用的概率分布（1）二项分布（2）泊松分布（3）正态分布（4）对数正态分布（5）威布尔分布（6）指数分布第三节机械零件可靠性设计（1）零件可靠度计算的应力-强度干涉模型（2）简单机械零件的可靠性设计第四节机械系统可靠性评估与分配（1）系统可靠性模型（2）系统可靠性分配2.教学要求：通过本章内容的学习，了解工程中可靠性问题的特点，理解可靠度、失效率等可靠性度量指标，掌握可靠性设计中的常用概率分布函数，理解应力-强度干涉模型、系统可靠性模型，掌握系统可靠性分配。3.教学重点：产品寿命与可靠性统计描述和表达、可靠性度量指标，可靠性设计中常用的概率分布，零件可靠度计算的应力-强度干涉模型

4. 教学难点：约束问题的优化设计方法 5. 支撑的课程教学目标：目标 3 （四）第四章 可靠性设计 1. 教学内容： 第一节 产品可靠性及其度量指标 （1）产品设计中的可靠性问题 （2）产品质量与可靠性 （3）产品寿命与可靠性统计描述和表达 （4）可靠性度量指标 （5）应用距离 （6）可靠性设计流程 第二节 可靠性设计中常用的概率分布 （1）二项分布 （2）泊松分布 （3）正态分布 （4）对数正态分布 （5）威布尔分布 （6）指数分布 第三节 机械零件可靠性设计 （1）零件可靠度计算的应力-强度干涉模型 （2）简单机械零件的可靠性设计 第四节 机械系统可靠性评估与分配 （1）系统可靠性模型 （2）系统可靠性分配 2. 教学要求： 通过本章内容的学习，了解工程中可靠性问题的特点，理解可靠度、失效率 等可靠性度量指标，掌握可靠性设计中的常用概率分布函数，理解应力-强度干 涉模型、系统可靠性模型，掌握系统可靠性分配。 3. 教学重点： 产品寿命与可靠性统计描述和表达、可靠性度量指标，可靠性设计中常用的 概率分布，零件可靠度计算的应力-强度干涉模型

4．教学难点：系统可靠性分配5.支撑的课程教学目标：目标4三、课内实践教学内容及要求无四、学时分配学时分配章节合计实验讲课上机课其它讨论课习题课课10第一章10第二章101010第三章1010第四章10合计40五、课程思政教学设计序号教学目标授课章节课程思政融入点阐述总书记关于“加快实现高水平科技自立自强”文件精了解创新概念和创新设计的内涵，掌握创神。加强基础研究和应用研第一章新思维的基本方法和究，特别是原创性、颠覆性科创新技法，理解TRIZ技创新，打好关键核心技术攻的基本概念。坚战：鼓励科研人员探索未知领域，推动原创性成果的产

4. 教学难点：系统可靠性分配 5. 支撑的课程教学目标：目标 4 三、课内实践教学内容及要求 无 四、学时分配 章节 学时分配 合计 讲课 实验 课 上机课 讨论课 习题课 其它 第一章 10 10 第二章 10 10 第三章 10 10 第四章 10 10 合计 40 五、课程思政教学设计 序号 教学目标 授课章节 课程思政融入点 1 了解创新概念和创新 设计的内涵，掌握创 新思维的基本方法和 创新技法，理解 TRIZ 的基本概念。 第一章 阐述总书记关于“加快实现高 水平科技自立自强”文件精 神。加强基础研究和应用研 究，特别是原创性、颠覆性科 技创新，打好关键核心技术攻 坚战；鼓励科研人员探索未知 领域，推动原创性成果的产

出。同时，加强技术创新，推动新技术、新工艺、新产品的开发和应用，提高产业的技术含量和附加值，鼓励学生为新质生产力发展作出贡献。了解有限元法的基本介绍我国在力学研究方面尤思想和特点，理解弹其是对弹性力学和有限元法性力学中的基本假做出巨大贡献的科学家郭永2第二章设、基本概念和基本怀、黄克智、杨卫等，增加学方程，掌握平面问题生爱国主义情怀，鼓励学生努的基础理论。力提升解决工程问题的能力。掌握有限元法的理论基础和求解问题的基有限元理论的单元分析、问题本步骤，了解有限元求解和建模方法在大桥项目基本单元及其特点，的结构分析设计中具有重要3第二章理解单元分析、整体作用，港珠澳大桥建成通车，分析和边界约束条件对于促进香港、澳门和内地的的处理，掌握有限元交流，维护香港和澳门长期繁动力学基本方程和分荣稳定具有重要意义。析方法。优化设计在我国八大新兴领了解优化设计的基本域中的应用，推动高端装备、概念，掌握优化设计4第三章民用航空及船舶与海洋工程的数学基础，理解一装备等领域的应用，将研究方维优化方法。向融入国家产业发展大局。理解机械产品的可靠我国航天航空技术的飞速发性，掌握可靠性度量展，C919大飞机等项目设计指标，理解可靠性设中，离不开对于各产品及系统计中常用的概率分5第四章整体可靠性的把握，多项技术布，掌握零件可靠度水平处于世界前列，体现我国计算的应力-强度模综合国力的极大增强，增强民型，理解系统可靠性族自信心。分配。六、考核方式及成绩评定（一）考核方式本课程考核方式为考查，其中期末考核方式为笔试，过程考核方式为课堂出

出。同时，加强技术创新，推 动新技术、新工艺、新产品的 开发和应用，提高产业的技术 含量和附加值，鼓励学生为新 质生产力发展作出贡献。 2 了解有限元法的基本 思想和特点，理解弹 性 力 学 中 的 基 本 假 设、基本概念和基本 方程，掌握平面问题 的基础理论。 第二章 介绍我国在力学研究方面尤 其是对弹性力学和有限元法 做出巨大贡献的科学家郭永 怀、黄克智、杨卫等，增加学 生爱国主义情怀，鼓励学生努 力提升解决工程问题的能力。 3 掌握有限元法的理论 基础和求解问题的基 本步骤，了解有限元 基本单元及其特点， 理解单元分析、整体 分析和边界约束条件 的处理，掌握有限元 动力学基本方程和分 析方法。 第二章 有限元理论的单元分析、问题 求解和建模方法在大桥项目 的结构分析设计中具有重要 作用，港珠澳大桥建成通车， 对于促进香港、澳门和内地的 交流，维护香港和澳门长期繁 荣稳定具有重要意义。 4 了解优化设计的基本 概念，掌握优化设计 的数学基础，理解一 维优化方法。 第三章 优化设计在我国八大新兴领 域中的应用，推动高端装备、 民用航空及船舶与海洋工程 装备等领域的应用，将研究方 向融入国家产业发展大局。 5 理解机械产品的可靠 性，掌握可靠性度量 指标，理解可靠性设 计 中 常 用 的 概 率 分 布，掌握零件可靠度 计算的应力-强度模 型，理解系统可靠性 分配。 第四章 我国航天航空技术的飞速发 展，C919 大飞机等项目设计 中，离不开对于各产品及系统 整体可靠性的把握，多项技术 水平处于世界前列，体现我国 综合国力的极大增强，增强民 族自信心。 六、考核方式及成绩评定 （一）考核方式 本课程考核方式为考查，其中期末考核方式为笔试，过程考核方式为课堂出

勒、课堂讨论展示、作业完成情况及平时随堂测验情况。（二）成绩评定成绩组成成绩占比（%）期末考核成绩60出勤10课程总评成绩10课堂讨论过程考核成绩10作业完成情况10平时随堂测验总计100执笔人签字：曹宇鹏教研室主任签字：钱永明教学院长签字：姚建南制定日期：2024年3月28日

勤、课堂讨论展示、作业完成情况及平时随堂测验情况。 （二）成绩评定 课程总评成 绩 成绩组成 成绩占比（%） 期末考核成绩 60 过程考核成 绩 出勤 10 课堂讨论 10 作业完成情况 10 平时随堂测验 10 总计 100 执笔人签字：曹宇鹏 教研室主任签字：钱永明 教学院长签字：姚建南 制定日期：2024 年 3 月 28 日