前言

第1章绪论

1.1先进设计的内涵与意义

1.1.1先进设计的内涵

1.1.2先进设计的意义

1.2先进设计的特点

1.3先进设计的原则

1.3.1功能满足原则

1.3.2经济合理原则

1.3.3社会适用原则

1.3.4质量保障原则

1.3.5工艺优良原则

1.4先进设计方法

1.4.1优化设计方法

1.4.2基于仿真的设计

1.4.3不确定性设计

1.4.4多子系统层级设计

1.4.5多尺度建模与设计

1.4.6轻量化设计

1.4.7智能设计

复习思考题

第2章优化设计方法

2.1基本概念和理论

2.1.1基本概念

2.1.2基本理论

2.2进化算法

2.2.1遗传算法

2.2.2差分进化算法

2.3群智能优化算法

2.3.1蚁群算法

2.3.2粒子群算法

2.3.3人工鱼群算法

2.4其他智能优化算法

2.4.1模拟退火算法

2.4.2免疫算法

2.5多目标优化方法

2.5.1线性加权组合法

2.5.2功效系数法

2.5.3主要目标法

2.6MATLAB在优化设计中的应用

2.6.1MATLAB软件简介

2.6.2应用实例

复习思考题

第3章基于仿真的设计

3.1计算机辅助设计

3.1.1CAD系统

3.1.2计算机辅助图形处理

3.1.3CAD建模技术

3.2计算机辅助工程分析

3.2.1有限元基本原理

3.2.2建模与仿真分析

3.3试验设计

3.3.1均匀设计

3.3.2正交设计

3.3.3拉丁超立方设计

3.4代理模型技术

3.4.1多项式响应面

3.4.2径向基函数

3.4.3Kriging

3.4.4混沌多项式展开

3.4.5多保真度代理模型

3.5敏感性分析

3.5.1局部敏感性分析

3.5.2全局敏感性分析

3.6自适应序列采样

3.7应用案例

3.7.1翼子板结构优化设计

3.7.2翼子板铺层优化设计方法

3.7.3以安装点刚度为目标的Kriging模型构建

3.7.4翼子板铺层优化设计研究

复习思考题

第4章不确定性设计

4.1基本概念和理论

4.1.1基本概念

4.1.2基本理论

4.2不确定性量化

4.2.1参数不确定性

4.2.2代理模型不确定性

4.3不确定性传递

4.3.1基于数字模拟的方法

4.3.2基于局部展开的方法

4.3.3基于数值积分的方法

4.3.4基于函数展开的方法

4.4不确定性变换

4.4.1正交变换

4.4.2Rosenblatt变换

4.4.3Nataf变换

4.4.4Copula及Vine Copula理论

4.5随机过程与随机场

4.5.1随机过程

4.5.2随机场

4.5.3随机离散理论

4.6多源不确定性分析

4.6.1不确定性源

4.6.2耦合量化与分析

4.7不确定性优化设计

4.7.1稳健性设计

4.7.2可靠性设计

4.7.3可靠性稳健设计

4.8应用案例

复习思考题

第5章多子系统层级设计

5.1基本概念和理论

5.1.1基本概念

5.1.2基本理论

5.2多子系统分解策略

5.2.1目标级联分析

5.2.2协同优化法

5.2.3两级集成系统综合法

5.2.4并行子空间优化法

5.3系统不确定性分析

5.3.1相关性建模

5.3.2λ-PDF拟合技术

5.3.3子系统不确定性分析

5.3.4系统分析框架

5.4层级敏感性分析

5.4.1相关变量敏感性分析

5.4.2集成策略

5.5系统代理模型构建

5.5.1子系统代理模型构造

5.5.2子系统保真度提高

5.6基于系统分解的设计方法

5.6.1前馈耦合系统

5.6.2后馈耦合系统

5.7应用案例

复习思考题

第6章多尺度建模与设计

6.1基本概念和理论

6.1.1基本概念

6.1.2基本理论

6.2细观尺度建模

6.2.1细观尺度随机性表征

6.2.2细观尺度随机性重构

6.2.3细观尺度随机性建模

6.3介观尺度建模

6.3.1介观尺度随机性表征

6.3.2介观尺度随机性重构

6.3.3介观尺度随机性建模

6.4多尺度本构建模

6.4.1唯象本构

6.4.2细观尺度随机性本构

6.4.3介观尺度随机性本构

6.4.4宏观尺度随机性预测

6.5多尺度优化设计及应用案例

6.5.1多尺度优化设计流程

6.5.2应用案例

复习思考题

第7章轻量化设计

7.1轻量化设计流程

7.1.1设计问题定义

7.1.2设计流程

7.2材料轻量化设计

7.2.1车身材料强度理论

7.2.2车身材料选择原则

7.3结构轻量化设计

7.3.1形状优化

7.3.2拓扑优化

7.4面向多学科性能的轻量化设计

7.4.1汽车结构刚度设计

7.4.2汽车结构强度设计

7.4.3面向汽车NVH性能的轻量化设计

7.4.4面向汽车碰撞安全性的轻量化设计

7.4.5应用案例

复习思考题

第8章智能设计

8.1概述

8.2特征工程

8.2.1特征理解

8.2.2特征增强

8.2.3特征转换

8.3数据挖掘

8.3.1分类方法

8.3.2聚类方法

8.3.3降维分析

8.4基于机器学习的设计

8.4.1神经网络

8.4.2深度生成模型

8.5基于数字孪生的设计

8.5.1物理实体

8.5.2虚拟实体

8.5.3服务

8.5.4孪生数据

8.5.5连接

8.6数据驱动的智能设计

8.6.1数据驱动的力学超材料设计

8.6.2大数据专家系统

复习思考题

参考文献

随着科学技术的飞速发展，人类社会进入了数字化、信息化、智能化、网络化、大数据、云计算的时代。当今机械产品和设备向高速、高效、精密方向发展，结构日益复杂，对其要求功能性更强、可靠性更高、经济性更好，这就需要从事设计和制造的专业人士掌握最先进的设计理论与方法，提高创新设计开发能力，以满足社会不断增长的需求。先进设计理论与方法以多种科学方法和技术为手段，综合考虑现代产品特性、环境特性、人文特性以及经济特性进行系统优化设计，是在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。

本书作为高等院校理工科设计相关专业学生的专业主干基础课教材，为适应当代科学技术发展和我国科技发展战略需要，本书按照教育部专业人才培养模式改革要求以及教育部《新工科研究与实践项目指南》的精神，汲取大量国内外相关资料及教材的优点，结合编者多年的教学与工程实践经验编写而成。本书系统介绍了现代各种先进设计的基本概念、原理、方法、特点、应用以及发展方向，主要内容包括：绪论、优化设计方法、基于仿真的设计、不确定性设计、多子系统层级设计、多尺度建模与设计、轻量化设计、智能设计。本书遵循“先理论、后方法、再实践”的编排方式，内容丰富精炼，知识体系先进、完整，适应性广，实践性强。本书不仅注重学生获取知识、分析与解决实际工程技术问题能力的培养，而且注重学生工程素质与创新思维能力的培养，所采用的应用实例大多来自于编者团队所主持并圆满完成的科研项目。

本书由朱平任主编，参加编写的人员及分工是：朱平、宋周洲、张涵寓（第1章、第2章、第8章），朱平、徐蔚云（第3章、第7章），刘钊、许灿、张涵寓（第4章、第5章），朱平、许灿（第6章）。在编写过程中，编者参考了相关教材、手册、学术期刊论文、文献资料等，在此一并向其作者表示由衷的感谢。

本书涉及的专业知识面较广，由于编者水平和经验有限，书中难免有不足和疏漏之处，敬请读者批评和指正。

编者