本书依据Top-Down设计思想，将机电产品设计过程分为初步设计、详细设计、仿真分析、优化设计、可靠性设计和协同设计等几个阶段，不同设计阶段对应不同的设计方法。从设计问题框架、数学模型和软件实现三个方面讲述现代设计方法，包括公理化设计方法、系统建模方法、需求与概念设计方法、计算机辅助设计方法、有限元设计方法、优化设计方法、可靠性设计方法、基于知识的产品设计方法和网络化协同设计方法等。讲述了现代设计方法的支撑软件，如QFD、SysML、CAD、CAE、MDO、PDM等。本书可以作为高等学校机械工程、机械电子工程等专业的教材，也可以作为相关研究人员的参考书。
金天国，哈尔滨工业大学机电工程学院副教授，毕业于哈尔滨工业大学机械电子工程专业，研究方向为数字化设计与制造。为本科生开设课程包括计算机集成制造技术，机电产品现代设计方法以及本科综合课程设计2（机电控制系统设计）。为硕士研究生开设的课程包括智能制造系统概论。负责"基于虚实映射的制造工艺智能设计与执行控制方法研究”项目，并获得2019年获黑龙江省自然科学进步二等奖。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 机电产品的组成、发展趋势及研究内容 1
1.1.1 机电产品的组成 1
1.1.2 机电产品的发展趋势 3
1.1.3 机电产品的研究内容 6
1.2 设计方法的发展与一般设计理论 7
1.2.1 设计方法的发展 7
1.2.2 产品设计理论 9
1.3 机电产品设计介绍 14
1.3.1 机电产品设计内容与方法 14
1.3.2 本书的组成结构 16
第2章 现代设计方法的理论基础 18
2.1 解决复杂问题的方法论 18
2.1.1 方法论的定位 18
2.1.2 现代方法论的内容 20
2.1.3 方法论的应用 24
2.2 数学建模基础 25
2.2.1 数学体系的统一性与层次性 25
2.2.2 数学建模基础 26
2.3 智能建模基础 30
2.3.1 人工智能的产生和内容 30
2.3.2 符号智能 35
2.3.3 计算智能 38
2.3.4 认知智能 39
2.4 系统建模基础 41
2.4.1 系统建模的需求与内容 41
2.4.2 MBSE建模方法 42
2.4.3 数字孪生建模方法 43
2.5 工业软件的开发过程 48
2.5.1 工业软件的发展与分类 48
2.5.2 软件的基本组成 49
2.5.3 软件开发的基本流程（软件工程） 52
第3章 需求与概念设计方法 54
3.1 概念设计内容及模式 54
3.1.1 概念设计内容 54
3.1.2 概念设计模式 54
3.2 SysML建模方法 55
3.2.1 SysML基本组成 55
3.2.2 SysML建模过程 57
3.3 SysML软件及其应用 60
3.3.1 SysML软件 60
3.3.2 基于SysML的机电产品设计实例 63
3.4 QFD分析法 67
3.4.1 QFD基本原理 67
3.4.2 质量屋的结构与参数计算 68
3.5 QFD软件与应用实例 70
3.5.1 QFD软件 70
3.5.2 应用实例 71
第4章 计算机辅助设计方法 74
4.1 CAD的功能与系统构成 74
4.1.1 CAD的功能与分类 74
4.1.2 CAD发展趋势与系统构成 74
4.2 曲线的表达与处理 78
4.2.1 曲线表达基础 78
4.2.2 Hermite曲线 84
4.2.3 Bezier曲线 85
4.2.4 B样条曲线 87
4.2.5 NURBS曲线 89
4.3 曲面的表达 89
4.3.1 双线性曲面 90
4.3.2 COONS曲面 91
4.3.3 NURBS曲面 91
4.3.4 插值曲面 92
4.4 CAD建模方法与数据结构 94
4.4.1 CAD建模方法 94
4.4.2 数据结构 95
4.5 反求建模与应用 101
4.5.1 数据采集系统 101
4.5.2 反求建模与分析算法 103
4.5.3 软件实现 106
4.6 CAD二次开发技术 108
4.6.1 基于商用软件的二次开发 108
4.6.2 基于CAD内核的软件开发 109
第5章 有限元设计方法 112
5.1 有限元法简介 112
5.1.1 有限元法的产生与解决的工程问题 112
5.1.2 有限元系统的组成与发展 114
5.2 有限元力学建模 117
5.2.1 弹性力学的建模方法 117
5.2.2 弹性问题三大方程的推导 120
5.2.3 力学模型的三种表示 124
5.3 有限元求解的数学原理 126
5.3.1 数学求解的一般过程与方法 126
5.3.2 伽辽金法 127
5.3.3 变分法 130
5.4 有限元建模与求解过程 132
5.4.1 有限元求解过程 132
5.4.2 单元类型与形函数的构造 136
5.4.3 网格划分方法 140
5.5 有限元软件的应用实例与二次开发 143
5.5.1 有限元软件的应用实例 143
5.5.2 有限元复杂问题求解的二次开发 146
第6章 优化设计方法 149
6.1 优化设计的框架与模型 149
6.1.1 基于仿真的优化设计框架 149
6.1.2 优化设计的基本模型 151
6.1.3 优化设计的代理体模型 152
6.1.4 优化问题的分类 156
6.2 优化模型的处理方法与求解策略 158
6.2.1 多目标处理 158
6.2.2 约束处理 160
6.2.3 优化模型的求解策略 163
6.3 优化模型的数值求解方法 165
6.3.1 梯度法 165
6.3.2 牛顿法及扩展 167
6.4 优化模型的搜索求解方法 170
6.4.1 搜索空间的生成 170
6.4.2 搜索求解方法 174
6.5 优化模型的智能求解方法 176
6.5.1 智能求解方法概述 176
6.5.2 遗传算法 177
6.6 多学科优化方法的实现 183
6.6.1 多学科优化方法的软件实现框架 183
6.6.2 多学科优化设计应用案例 184
第7章 可靠性设计方法 186
7.1 可靠性的研究内容与特征量 186
7.1.1 可靠性的研究内容 186
7.1.2 可靠性特征量 187
7.2 可靠性分析方法的数学基础 188
7.2.1 常用概率分布 188
7.2.2 蒙特卡罗仿真 190
7.3 机械强度的可靠性设计 192
7.3.1 机械强度的可靠性设计框架 192
7.3.2 应力-强度干涉模型 192
7.3.3 正态分布函数的零部件强度可靠性设计 194
7.3.4 差变系数和安全系数 197
7.4 机械系统的可靠性设计 198
7.4.1 机械系统的可靠性设计框架 198
7.4.2 机械系统的可靠性模型 198
7.4.3 可靠性分配 199
7.4.4 可靠性预计 201
7.5 故障分析技术 204
7.5.1 故障模式与故障分析 204
7.5.2 故障树分析方法 206
7.5.3 故障模式和影响及危害性分析 211
7.6 电子系统和软件系统的可靠性设计 212
7.6.1 电子系统的可靠性设计方法 212
7.6.2 软件系统的可靠性设计方法 213
7.7 可靠性设计分析软件介绍 218
第8章 基于知识的产品设计方法 221
8.1 基于知识的产品设计概念与框架 221
8.1.1 基于知识的产品设计概念 221
8.1.2 基于知识的产品设计框架 222
8.2 设计信息与设计知识 222
8.2.1 产品设计过程中的信息 222
8.2.2 设计信息模型 226
8.2.3 设计知识的概念 229
8.3 基于专家系统的产品设计方法 230
8.3.1 专家系统的概念 230
8.3.2 专家系统的结构和原理 231
8.3.3 专家系统应用与开发的困难 231
8.3.4 产生式规则专家系统 233
8.3.5 不确定性推理 236
8.3.6 事实库和解释机制 238
8.3.7 专家系统的开发与实例 239
8.4 基于知识的产品设计综合实例 246
8.4.1 电站给水加热设备知识分类与获取 246
8.4.2 电站给水加热设备的知识规范化表示 247
8.4.3 电站给水加热设备的设计平台框架 248
8.4.4 参数化和变型设计方法 249
8.4.5 产品设计过程 250
第9章 网络化协同设计方法 252
9.1 网络化协同设计的概念和特点 252
9.1.1 网络化协同设计的概念和体系结构 252
9.1.2 网络化协同设计实例 252
9.1.3 网络化协同设计的特点 255
9.2 并行协同设计的标准数据模型 255
9.2.1 初级图形交换规范（IGES） 255
9.2.2 产品模型数据交换标准（STEP） 256
9.3 并行工程和基于DFX的协同设计方法 260
9.3.1 并行工程简介 260
9.3.2 面向集成的DFX技术 260
9.4 网络化协同设计的支撑软件 263
9.4.1 产品数据管理系统功能介绍 263
9.4.2 产品全生命周期管理平台功能简介 267
9.4.3 基于PLM软件平台Teamcenter实现工程协同设计 268
参考文献 270
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