工程结构优化设计概述篇1
【关键词】桥梁结构；结构可靠度；结构设计；
0.引言
由于一直以来我国在桥梁设计过程中，存在着考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状态；重视桥梁结构的建造而忽视其检测和维护；使结构安全性存在不同程度的隐患和缺陷。而基于可靠度的公路桥梁结构设计方法，其不仅考虑到设计参数中设计向量、目标函数和约束函数的随机性、模糊性和未确知性等，以及材料和施工质量的不确定性，使得设计人员在设计时利用桥梁结构的目标可靠度或失效概率，来描述更为科学和定量的安全可靠程度，实现安全、适用、耐久的设计要求。
1.结构可靠度的定义
根据国际上的一致看法，结构可靠度是指工程结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。“规定时间”是指结构进行可靠度分析时，结合结构使用期，考虑各种基本变量与时间的关系所取用的基准时间；“规定的条件”是指结构在正常设计、施工和使用的条件下，即不考虑人为过失的影响；“预定功能”是指正常施工和使用时，结构能承受可能出现的各种作用，同时具有良好的工作性能和耐久性，以及在设计规定的偶然事件发生时和发生后，结构能够保持必需的整体稳定性。
2.可靠度理论下公路桥梁结构设计要求
可靠度理论下公路桥梁结构设计的总要求是：结构的抗力R应大于或等于结构的综合荷载效应S，即RS。在公路桥梁结构可靠性设计中，即规定的条件就是在正常情况下的施工，则将截面承载力的安全指标β作为结构的可靠指标；将结构在失效状态时的概率称为失效概率。但由于实际中抗力和荷载效应均为随机量，因此上式并不能绝对满足，，而只能在一定概率意义下满足。
即：p{RS}=pr
其中，pr为结构的概率可靠度。因此，结构设计更明确的要求是：在一定的可靠度pr或失效概率pj条件下，进行结构设计，使得结构的抗力大于或等于结构的综合荷载效应。
3.公路桥梁结构目标可靠度
目标可靠指标是结构设计的依据，是结构设计所要预期达到的安全水平指标。而度量结构可靠性的指标就是可靠度。其优点是目标可靠指标与失效概率或目标可靠度（可靠概率）有一一对应关系。因此，要将概率极限状态设计法用于公路桥梁结构设计，首先需要设计者确定以多大的失效概率作为设计目标，即目标可靠指标应选多大（其以结构的重要性、失效后果、破坏性质、经济指标等因素分析确定）。当所设计的结构构件失效概率小，即可靠指标大，结构的可靠程度提高，相应的工程造价高，而维护费用降低，投资风险及给社会带来的后果就小；反之，失效概率大，即可靠指标小，结构的可靠程度低，工程造价低，维护费用高，投资风险及给社会带来的后果等问题就多。
目前，根据我国现行公路桥梁设计规范条件下桥梁结构构件可靠度校准的结果，经综合分析，并参考国内外各种结构构件目标可靠指标的建议值，《公路工程结构可靠度设计统一标准》（CB/t50283-1999）建议我国公路桥梁二级结构构件在设计基准期内的目标可靠指标为：
主要组合（汽车、人群、结构自重和土引起的或其中部分引起的效应组合）：
延性破坏构件βt=4.2；脆性破坏构件βt=4.7
附加组合（在主要组合的基础上再加上其他作用效应的组合）：
延性破坏构件βt=3.7；脆性破坏构件βt=4.2
上述建议值分别相应于现行公路桥梁结构设计规范延性破坏构件和脆性破坏构件可靠指标的下限值。
对于一级和三级公路桥梁结构构件，相应的目标可靠指标可根据我国《工程结构可靠度设计统一标准》（CB50253-1999）的要求，在已确定的二级结构构件目标可靠指标的基础上各分别增减0.5，这个要求依然是工程经验性的要求。
4.基于可靠度的公路桥梁结构优化设计
4.1结构优化模型
基于可靠度的桥梁结构优化模型可以决策出各个构件的最优可靠度，各个构件的优化设计就是以最小的造价实现它的最优可靠度，这就将结构整体优化设计方法分成以下三个方面：
4.1.1选择设计变量
一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量，如目标控制参数（结构造价C1和损失期望C2）和约束控制参数（结构的可靠度pS）；而将那些对设计要求来讲，变化范围不大或是根据结构要求或局部性的设计考虑就能满足设计要求的参数等作为预定参数，这可以大大减少设计、计算和编制程序的工作量。
4.1.2确定目标函数
一般用全桥所设计的梁结构造价之和作为目标函数进行优化。首先，假设所设计的梁在使用期内失效概率为pF，其失效以达到或超过极限状态为标志，一旦结构损坏必须考虑重建。因此，桥梁结构的可靠度优化设计问题就归结为寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率pF，从而使总费用C最小。
minC=C1+C2pF
式中，C：目标函数；C1：结构造价；C2：结构的损失期望，失效概率为pF时可能造成的失效结构的恢复费用。结构失效概率为pF。
4.1.3确定约束条件
公路桥梁结构基于可靠度优化设计的约束条件，则包括尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。在设计中，要使结构优化设计应用于实际桥梁工程，则是将公路桥梁设计中实际的约束条件与目标约束条件相比较，保证各约束条件都符合现行规范的要求，以实现最优设计。
4.2选择优化设计计算方法
桥梁结构基于可靠度的优化设计问题属于比较复杂的多变量、多约束非线性优化问题，在计算过程中，通常是将有约束优化问题转化为无约束问题求解。可以利用的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、powell法等。
4.3进行程序设计
根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法，编制功能齐全、运算速度快的综合程序。
4.4结果分析
对计算结果进行分析，确定最优设计方案。
5.结语
综上所述，桥梁结构设计的基本原则是安全、适用和经济。传统的桥梁结构设计主要是采用定值设计的方法，目的是追求一个满足设计规范条件下的最低水平设计，其既不能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素，也不能定量地分析计算安全、适用及经济的各项指标，更无法科学地协调它们之间的矛盾，使它们达到合理的平衡。因此，需在此基础上进行优化设计，以满足日益增多的车流和经济建设的需要。
参考文献：
工程结构优化设计概述篇2
目前,设计知识管理已成为国内外许多研究机构、大学、企业的研究热点,如美国nist的设计知识库项目[2]；欧洲wise工程知识管理项目[3]、moka项目[4]；韩国lg公司资助的知识管理项目[5]；国家863资助的知识管理平台研究[6]等,但还没有一个实用的能支持概念设计知识重用的系统,对它的研究也还停留在理论准备阶段。
本文在研究了基于本体的的概念设计知识模型的基础上,提出了基于本体的概念设计知识管理框架,研究了用户对本体的定义、对知识结构内容的自由扩充以及概念设计知识的检索方法等关键技术。
1、基于本体的概念设计知识建模
1.1概念设计知识分类与表达
概念设计是对设计问题加以描述,并以方案的形式提出众多解的设计阶段[7].概念设计从不同的角度有多种定义[8].一般认为,概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统所包含的工作流程,是一个由功能向结构的转换过程。
图1描述了一般概念设计的工作流程,它包含综合与评价两个基本过程。综合是指根据设计要求,运用各种分析、设计方法推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。概念设计是将所设计的产品看成一个系统,运用系统工程的方法去分析和设计。具体说,概念设计就是将设计对象的总功能分解成相互有机联系的若干功能单元,并以功能单元为子系统进行再次分解,生成更低一级的功能单元,经过这样逐层分解,直至对应的各个最末端功能单元能够找到一个可以实现的技术原理解。概念设计的主要任务是功能到结构的映射,概念设计过程主要包括：功能创新、功能分析和功能结构设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。
根据概念设计的过程及人在设计时的认知特点将概念设计知识分为元知识和实例知识（其分类如图2所示）。元知识中主要包括功能知识、技术原理解知识、结构知识等。实例知识中主要包括方案设计实例、技术原理解实例、产品实例等知识。
（1）功能知识。主要描述产品完成的任务,描述产品的功能及功能子项。描述产品要完成的功能,包括功能内容、实现参数、性能指标等；
（2）技术原理解知识。描述产品功能及功能子项的原理解答。它的表达要复杂些,一方面可用文字、数字表达它的说明、解答参数,另一方面,要有图形支持产品原理解答；
（3）结构知识。描述产品的结构设计状况,是对原理域知识的细化和扩充,是求解原理解的结构载体,可描述产品关键部分的形状、尺寸和参数。产品功能结构的映射（简称为功构映射）就是对产品的功能模型进行结构实现的求解,是将产品功能性的描述转化为能实现这些功能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。在这里功能是产品结构的抽象,是结构实现的目的；而结构则为实现某功能而选用的一组构件或元件。功能结构间的关系一般而言是多对多的映射关系。一个功能可能由一个或多个特征或元件实现,而一个特征或元件也可能完成一个或多个功能；
（4）实例知识。已成功或失败的设计范例,包括方案设计实例,产品结构知识实例、技术原理解实例等。它包含了更多的实际因素,是类比设计和基于实例推理设计的基础。
以工程机械中某型滑模式水泥摊铺机为例,总功能为摊铺水泥路面,总功能可细分为滑模作业、控制作业等功能,滑模作业功能又可细分为提水泥浆、挤压成型等功能。其中某个功能的实现可能会由几个结构组合而成,例如滑模式水泥摊铺机滑模作业功能就是由螺旋分料器、刮平板等几个结构一起才能实现。图3为该水泥摊铺机的功能层次定义和功能分解结构举例。该产品所对应的结构分解则如图4所示。图5中给出了对于滑模作业功能的技术原理解简图、技术原理解的评价、参考产品,以及实现该功能的说明等相关的知识。
如何利用计算机技术对概念设计予以支持,对概念设计知识进行有效的管理,至今仍没有较好的解决方法。目前的知识建模主要是专家系统,最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。专家系统的知识建模主要侧重符号层的系统实现,很少考虑动态的,非结构化的知识,造成专家系统解决问题的局限性,使得专家系统不能解决大型复杂问题。
本体作为“对概念化显式的详细说明”[9,10],研究领域内的对象、概念和其他实体,以及它们之间的关系,可以很好地解决概念设计知识的表达、检索和重用等问题。采用本体描述概念设计知识可以支持细粒度的产品语义信息的描述,可以形式化地定义特定领域的知识,如概念、事实、规则等；支持语义层面的集成和共享,基于本体的知识定义可以对知识作普遍的、无歧义的语义解释,可以保证不同使用者之间进行语义层面的信息共享和互操作。
1.2本体建模过程描述
本体是某一领域的概念化描述,着意于在抽象层次提出描述客观世界的抽象模型,它包括两个基本的要素：概念和概念之间的关系。本体的构建必须满足以下的要求：对目标领域的清晰描述；概念或概念之间关系的明确定义；一般性和综合性原则。本体可以有多种表述方式,包括图形方式、语言形式和xml文档形式等。
基于本体的产品概念设计知识建模过程包括3个阶段：
（1）产品概念设计知识目标确定。产品概念设计知识定位,概念设计知识的定位决定本体构造的功能需求及最终用户。
（2）产品概念设计知识本体分析与建立。根据需求分析,确定该领域的相关概念及概念属性,并用xml语言进行形式化描述。这个阶段是建立概念设计知识本体的关键环节,直接影响到整个本体的生成质量,同时也是工作量最大的阶段。
（3）产品概念设计知识本体评价。对所创建的本体进行一致性及完备性评价。一致性是指术语之间的关系逻辑上应保持一致；完备性是指本体中概念及关系应是完善的。我们称该3阶段的组合为产品概念设计知识本体建模的一个生命周期（见图6）。
1.3概念设计知识的本体表示
在此我们以工程机械中滑模式水泥摊铺机为例,结合图3～图5中的实际知识,从概念实体、概念属性及概念间关系等方面来说明产品知识、功能知识、技术原理解知识、技术原理解实例等概念设计知识的本体表示,通过概念蕴涵、属性关联、相互约束和公理定义等方法揭示了概念间的本质联系,形成一个语义关系清晰的产品概念设计知识模型。建模采用目前最新的owl语言描述。
表述的语义为一个滑模式水泥摊铺机继承了一个产品的所有属性,此外还具备了关系属性：摊铺能力,同时,又对属性摊铺能力作了限制：只能应用于滑模式水泥摊铺机领域,且取值变化只能在摊铺宽度中（省略了关于滑模式水泥摊铺机类似属性的定义,如摊铺厚度和摊铺速度等）。
（3）功能知识类
表述的语义为一个功能知识只有一个功能名称,且最少具有一个相关产品（省略了功能知识类似属性的定义,如功能编号、功能说明、创建人、创建时间、存储位置等）。
（4）功能技术原理解类
表述的语义为一个功能技术原理解具有对应的功能名称,相关的技术原理解简图（省略了技术原理解类似属性的定义,如评价、参考产品、创建人、创建时间、存储位置等）。
上述描述中,使用类公理（subclassof）描述了两个类（概念）之间的继承关系,如滑模式水泥摊铺机类是产品类的子类。在描述类属性时,使用关系属性（objectproperty）描述了类的某个属性同时也表示了两个类之间的某种关系,如摊铺能力既是滑模式水泥摊铺机类的一个属性,同时也表达了和摊铺宽度类之间的对应关系。另外,使用属性公理domain和range表示属性的应用领域和属性的取值范围,如属性摊铺能力只能用于滑模式水泥摊铺机类,且它的取值只能是摊铺宽度数据集。
1.4基于本体的概念设计知识管理的特点和优势
基于本体的概念设计知识管理可以让设计人员更好地重用已有的概念设计知识,基于本体的概念设计知识管理具有以下的一些特点或优势：
（1）支持用户定制知识类别。产品概念设计过程中,需要运用多种类型的知识,如：功能类、功能技术原理方案解类等。这些知识的描述和使用有着不同的特点,不能用相同的描述框架来处理。基于本体的设计知识建模允许用户对设计中知识类别加以定制,针对每一类别定义其描述属性,从而较好的解决了概念设计中多来源多类型知识的表示问题。
（2）支持概念共享的知识库构建。概念设计知识本体的构造澄清了概念设计领域知识的结构,为概念设计知识的表示打好了基础,而本体中统一的术语和概念也使概念设计知识更好地共享成为可能。基于本体的概念设计知识表示在区分不同知识类别的同时,建立起概念间的共享联系。通过概念间的共享机制,避免了设计知识库的数据冗余和数据不一致问题,方便了知识的建模录入、检索及统计处理。
（3）多视图和基于本体概念的知识检索。在目前的应用系统中一般采用基于关键字的数据库查询方法,由于其数据库组织不是建立在能够表示概念之间的关系、事实和实例的领域模型的基础上,因此无法实现智能查询和信息推理,也就无法解决语义异构性问题。由于不同的组织和人员可能使用不同的词语表示同一个含义,因此查询系统得不到意义相同但用词（语法）不同的内容。当需要对多个数据源进行查询的时候问题更为明显,多意词和同义词会使查询得到许多不相关的信息,而忽略另外一些重要信息。
在基于本体的概念设计知识管理中由于具有统一的术语和概念,知识库建立在本体的基础上,使得基于知识的设计意图匹配成为可能。采用基于知识、语义上的检索匹配,对用户的检索请求,通过查询转换器按照本体把各种检索请求转换成对应的概念,在本体的帮助下从知识库中匹配出符合条件的数据集合,解决了语义异构的问题。
从人在设计时的认知特点出发,可以采用基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,还可以利用本体中已定义的概念定义其它知识检索视图,比如需求功能知识检索视图、软件工具使用知识检索视图等,实现基于知识检索的设计意图的匹配。
2、基于本体的概念设计知识管理
2.1概念设计知识管理系统结构
结合工程机械行业的实际,本文提出了图7所示的基于本体的产品概念设计知识管理系统结构,系统按照知识产生、获取和利用的流程来构建,系统结构主要包括概念设计知识管理工具、数据接口程序以及基于本体的概念设计知识库,具体由4个部分构成。
（1）概念设计知识获取。概念设计知识的获取包括从概念设计知识本体定义、本体之间关系定义、本体知识库生成到概念设计知识获取整个过程。
（2）概念设计知识维护。主要包括从概念设计知识本体维护、本体关系维护、知识库重新生成到概念设计知识维护的过程,实现对本体的属性修改,各类知识之间的关系维护,以及知识库的更新等。
（3）概念设计知识检索重用。系统中提供基于多视图的知识检索方式,如基于功能分解树的功能设计知识检索视图、基于产品分解结构树的结构设计知识检索视图,及用户定义的其它知识检索视图。此外系统提供基于本体概念的知识检索方式,通过本体映射库,可以实现同义词的检索,保证可能会采用不同的概念和术语表示相同的设计信息的人可以得到相同的知识帮助。
（4）概念设计知识库的构建。要实现基于本体的,支持客户自定义的概念设计知识管理,系统必须由足够的柔性,支持各类知识的存储,作为系统基石的知识库的构建就不能采用完全预先定义的方式,在系统中我们采用基础数据库加上在此基础上经过本体定义工具动态生成的各类知识库的方法保证基于本体的知识管理的实现。
2.2概念设计知识管理关键技术及实现
工程结构优化设计概述篇3
[关键词]形式概念分析 领域本体构建方法 增量模型
[分类号]G353
领域本体作为一种有效的形式语义模型和知识表示形式，在图书情报领域的应用越来越广泛和深入，这在客观上促进了领域本体构建方法的不断涌现和更新。基于形式概念分析(FCa)的领域本体构建理论在此背景下应运而生。FCa强调用数学手段来表达客观知识，可以削弱开发者对领域本体构建过程的主观影响，并能挖掘出领域中隐含的概念以及概念之间的层次关系。FCa通过用数学符号从内涵和外延两方面表示所有概念，达到了形式化概念模型的效果，因此基于FCa的领域本体构建方法越来越倍受国内外相关学者关注和青睐。国内外对基于FCa的领域本体构建方法的研究目前仍然处于探索阶段，虽然有些方法有着一定的可取之处，但仍存在着诸多不足，还需不断地深入研究。
1 国内外基于FCa的领域本体构建方法的简要分析
目前国外提出的具有代表性的基于FCa的领域本体构建方法主要有：Cimiano方法、Gutao方法、Haav方法、marekobitko方法。
Cimiano方法提出了从领域文本出发自动解析“概念一属性”关系的基本思路，具有借鉴意义。但该方法使用语言解析器解析出的只有动宾关系，从概念格向领域本体转换时，以概念节点的内涵对节点命名，将概念节点的外延添加为概念节点的子节点，存在不合理性。
Gutao方法提出了领域本体构建中循环反馈的开发思想，其开发的fcatab插件可自动从领域概念和关系得到形式背景，但Fcatab只支持单值形式背景，且必须依托protege本体建模工具。
Haav方法在一定程度上实现了本体的逻辑表述，提出了领域本体的扩充机制，考虑了领域本体的推理。但初始本体到一阶谓词逻辑表示集合的转换过程需要通过FCa和规则语言映射，这种映射复杂、费力且不易实现。
marekobitko方法提出了一整套对形式背景和概念格的编辑修改机制，值得借鉴；但该方法每次构建都从空的对象和属性开始，因此对对象和属性的添加是一项及其复杂的过程，工作量大，只适合小领域本体的构建。
上述方法一是缺少工程化、规范化、标准化、细节化的指导思想，仅将着眼点放在领域本体的需求分析、设计与实现三个环节，忽略了领域本体构建的其他阶段；二是未明确二者间的结合机理，以致对两者之间在哪些方面进行结合以及以何种形式结合的问题理解得不够深入，从而造成形式背景的构建、概念格到领域本体的映射方式、领域本体的概念关系处理等诸多方面的不合理性。
国内研究人员对该课题的研究起步较晚，大多数研究都停留在对国外方法的综述或引入上。综述性文献中有代表性的是文献[7]和文献[8]。引入性文献中有代表性的是文献[9]，另外文献[10]尝试糅合了Cimiano方法与marek0bitko方法，但这种糅合缺少深层次的研究讨论。
2 基于FiCa的领域本体构建方法优化的核心问题
2.1 基于FCa的领域本体构建方法优化的动因
通过对国内外基于FCa的领域本体构建方法的简要分析，本文总结了当前各种典型方法的局限性，基于FCa的领域本体构建方法要向前发展，就必须冲破这些局限性的束缚，打破这些阻碍。本文将基于FCa的领域本体构建方法优化的动因总结为以下5个方面：①线性开发过程一并行开发过程；②一次性全部提交领域本体一分批次提交领域本体；③简单领域背景一复杂领域背景；④封闭结构一开放结构；⑤弱复用一强复用。
2.2 基于FCa的领域本体构建方法优化的思路
本文对基于FCa的领域本体构建方法的优化思路是采用并行开发的工程思想，应用“分而治之，映射集成”的具体思路，将领域本体划分为核心本体和一系列的增量本体两部分：核心本体的目的在于构建满足领域本体的基本需求的本体，其规模适中；而增量本体的目的在于实现领域本体的增量需求。这样，领域本体就可以表达为以下的代数形式：
：：={oc，oi，Rci，Rii}
其中oall表示领域本体，oc表示核心本体，oi表示增量本体，Rci表示核心本体和增量本体之间的映射集成关系，Rii表示增量本体之间的映射集成关系。
用户就可以根据实际的需求，按需提取核心本体和增量本体，并按照映射集成机制将所需的本体集成起来，得到所需要的领域本体。这种思路，可以保证领域本体开发的并行过程，能分批次向用户提交领域本体，可以将复杂领域背景分解为一系列简单领域背景，打破封闭式的开发结构。
2.3 基于FCa的领域本体构建方法优化的具体内容
基于FCa的领域本体构建方法的优化的具体内容主要包括两个方面：一是在宏观上对领域本体构建的过程进行优化，改变传统领域本体构建过程的线性开发模式，采用并行工程的思想，将领域本体构建过程优化为“增量模型”模式；另一方面是在微观层面上对领域本体设计、领域本体实现过程的优化，在“增量模型”的指导下重新调整基于FCa的领域本体设计过程和领域本体实现过程。
3 一种新的基于FCa的领域本体构建方法
3.1 新方法的基本原理
本文提出的基于FCa的领域本体构建方法的基本原理是：应用并行开发的工程思想，采用“分而治之、映射集成”的具体手段，将整个领域本体构建过程分解成核心本体和若干个并行开发的增量本体的构建过程。换言之，就是领域形式背景根据相关理论分解成若干个兼容子背景，进而分别根据子背景构建概念格，得到概念层次模型和本体原型，进而通过领域本体的扩充和形式化描述，得出相应的核心本体和增量本体，最终将核心本体和增量本体通过本体映射和本体集成的手段进行按需组合，得到知识用户所需的领域本体。
3.2 新方法的模型构建
基于FCa的领域本体构建方法涉及到方方面面的复杂问题，要把握住该方法的本质，只有通过建模的手段，对基于FCa的领域本体构建方法进行不同侧面或不同层次的抽象。本文拟对所提出的新的基于FCa的领域本体构建方法从两个层面上进行建模：一是对该方法宏观上的描述，即建立该方法的总体模型(根据其特征称为增量模型)；二是对该方法微观上的把握，即对如何利用FCa完成领域本体的设计、编码、映射、集成和测试等微观操作进行建模，建立该方法的微观模型。
本文提出的基于FCa的领域本体构建方法的增量模型如图1所示：
具体来讲，各个模块主要完成的任务或功能如下：①制定计划模块：明确领域本体开发项目的进度安排，调度项目所需要的各类资源，对领域进行初步调查，并充分考虑建立领域本体所受到的种种约束，研究构建该领域本体的必要性和可行性，做出可行性研究报告。可行性研究报告评审通过之后，编写成领域本体开发计划书。②领域本体分析模块：对领域本体进行以下方面的详细分析：领域范围、构建的原因、建好后的用途、形式化程度、用户范围等。最重要的是对领域本体的需求分析。通过对领域本体进行上述分析，编制领域本体分析说明书。③领域本体概要设计模块：应用形式概念分析理论，从领域基础数据出发，通过预处理，将领域本体从概要上划分成表达领域本体基本需求的核心本体和一系列表达领域本体增量需求的增量本体两个部分。形成领域初始形式背景并将之划分成核心背景和一系列增量兼容子背景，编写领域本体概要设计说明书。④基于FCa的领域本体详细设计、实现、映射、集成和测试模块：从核心子背景或各兼容子背景出发，通过概念格转换，概念层次模型生成的过程，把得出的概念层次模型转换成相应的本体原型，并对原型进行合理扩充，通过选择合适的本体描述语言，进行本体的形式化描述，最后在本体映射机制的指导下，将各个增量本体根据需求集成到核心本体当中，经过领域本体测试，排除错误。形成领域本体详细设计说明书、编码清单和测试报告。⑤领域本体维护模块：领域本体试航，追寻潜在的错误。维护的具体内容包括改正性维护、适应性维护、完善性维护和预防性维护，最终形成维护报告。
对宏观模型的领域本体设计实现映射集成环节进行深入地分析和研究，就可以得出如图2所示的基于FCa的领域本体构建方法的微观模型：
其中，各模块的主要任务是：①形式背景(核心或兼容子背景)处理模块：从核心子背景或增量兼容子背景出发，判断各个子背景是否为多值背景，若是，则通过相关转换技术将多值背景单值化，最终形成单值形式子背景。②概念格处理模块：将上步形成的单值子背景通过概念格构造算法转化为概念格，并由hasse图的形式显化出来，在可视化的基础上对概念格是否合理进行判断，对不合理的概念格按照一定的规则进行对象编辑或属性编辑，循环之，直至出现较为满意的概念格。③概念层次生成模块：将概念格转换为概念层次模型，主要包括底端节点处理(直接删除)、节点关系处理(转化为概念层次关系)及顶端节点处理(转化为根概念)三个方面。模块的输出结果是领域本体概念层次模型。④领域本体原型及其扩充模块：根据领域本体概念层次模型，将每个概念节点标示为一个领域本体概念，概念层次关系映射为领域本体概念分类关系，从而实现领域本体层次模型向领域本体原型的转换。而后在领域专家的参与下，对领域本体原型进行属性扩充、实例扩充、公理扩充，最终形成扩充后的领域本体原型。⑤领域本体形式化描述模块：选择合适的本体描述语言(如owl语言)，对扩充后的领域本体原型进行形式化描述，最终得到领域核心本体或增量本体。⑥领域本体映射集成模块：通过本体映射判断核心本体和增量本体以及增量本体和增量本体之间的关系，可以此为基础进行本体集成操作，即根据用户需求将增量本体集成到核心本体中。
本文所提出的增量模型和微观模型的每一个模块实质上对应的是基于FCa的领域本体构建方法的一个步骤，因此，本文提出的基于FCa的领域本体构建方法的步骤就可以通过对模型的细化得出，在此不做赘述。
3.3 新方法的优点
与当前主流的四种基于FCa的领域本体构建方法相比，本文提出的基于FCa的领域本体构建方法更具有优势。本文通过表1分别从18个方面对优化后的新方法与优化前的方法进行了定性的对比分析来阐明新方法的优势：
工程结构优化设计概述篇4
(1)培养学生综合运用所学知识,结合实际独立完成课题的工作能力.
(2)对学生的知识面,掌握知识的深度,运用理论结合实际去处理问题的能力,实验能力,外语水平,计算机运用水平,书面及口头表达能力进行考核.
2.要求
(1)要求一定要有结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,并要求技术含量较高.
(2)设计或论文应该在教学计划所规定的时限内完成.
(3)书面材料:框架及字数应符合规定
3.成绩评定
(1)一般采用优秀,良好,及格和不及格四级计分的方法.
(2)评阅人和答辩委员会成员对学生的毕业设计或毕业论文的成绩给予评定.
4.评分标准
优秀:按期圆满完成任务书中规定的项目;能熟练地综合运用所学理论和专业知识;有结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,并有较高技术含量.
立论正确,计算,分析,实验正确,严谨,结论合理,独立工作能力较强,科学作风严谨;毕业设计(论文)有一些独到之处,水平较高.
文字材料条理清楚,通顺,论述充分,符合技术用语要求,符号统一,编号齐全,书写工整.图纸完备,整洁,正确.
答辩时,思路清晰,论点正确,回答问题基本概念清楚,对主要问题回答正确,深入.
(2)良好:按期圆满完成任务书中规定的项目;能较好地运用所学理论和专业知识;有一定的结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,并有一定的技术含量.立论正确,计算,分析,实验正确,结论合理;有一定的独立工作能为,科学作风好;设计〈论文〉有一定的水平.
文字材料条理清楚,通顺,论述正确,符合技术用语要求,书写工整.设计图纸完备,整洁,正确.
答辩时,思路清晰,论点基本正确,能正确地回答主要问题.
(3)及格:在指导教师的具体帮助下,能按期完成任务,独立工作能力较差且有一些小的疏忽和遗漏;能结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证,但技术含量不高.在运用理论和专业知识中,没有大的原则性错误;论点,论据基本成立,计算,分析,实验基本正确.毕业设计(论文)基本符合要求.
文字材料通顺,但叙述不够恰当和清晰;词句,符号方面的问题较少i图纸质量不高,工作不够认真,个别错误明显.
答辩时,主要问题能答出,或经启发后能答出,回答问题较肤浅.
(5)不及格:任务书规定的项目未按期完成;或基本概念和基本技能未掌握.没有本人结合实际的具体设计内容或独立见解的论证,只是一些文件,资料内容的摘抄.毕业设计(论文)未达到最低要求.
文字材料不通顺,书写潦草,质量很差.图纸不全,或有原则性错误.
答辩时,对毕业设计(论文)的主要内容阐述不清,基本概念糊涂,对主要问题回答有错误,或回答不出.
对毕业设计(论文)质量要求
----论文内容符合任务书要求
1.对管理类论文要求:
·对毕业论文的要求是一定要有结合实际的本人独立论证的内容.
·要求论点明确,立论正确,论证准确,结论确切
·论证内容要求有调查研究,有统计数据,对统计数据要有分析,归纳,总结,
·根据总结得出结论.
·最后有例证说明
管理类论文毕业论文行文的逻辑要领
增强毕业论文行文的逻辑力量,达到概念明确,论证充分,条理分明,思路畅通,是写好毕业论文的关键.提高毕业论文行文的逻辑性,需把握以下几点:
(1)要思路畅通
写毕业论文时,思维必须具有清晰性,连贯性,周密性,条理性和规律性,才能构建起严谨,和谐的逻辑结构.
(2)要层次清晰,有条有理写毕业论文,先说什么,后说什么,一层一层如何衔接,这一点和论文行文的逻辑性很有关系.
(3)要论证充分,以理服人,写毕业论文,最常用的方法是归纳论证,即用对事实的科学分析和叙述来证明观点,或用基本的史实,科学的调查,精确的数字来证明观点.
(4)毕业论文行文要注意思维和论述首尾一贯,明白确切.
(5)文字书写规范,语言准确,简洁.
2.对工程设计性论文要求:
·有设计地域的自然状况说明和介绍
·有原有通信网概况介绍及运行参数的说明
·有设计需求,业务预测
·有具体的设计方案
·有相应性能及参数设计和计算
·有完整的设计图纸
例如:a市本地SDH传输网设计方案
一,a市概况简介
二,a市电信局SDH传输网络现状(或pDH传输网络现状)
1,a市本地网网络结构,交换局数量及位置,传输设备类型及容量
2,存在的问题及扩大SDH网的必要性(或建设SDH网的必要性)----需求及业务预测
三,a市电信局SDH传输网络结构设计方案
1,网络拓扑结构设计
2,设备简介
3,局间中继电路的计算与分配
4,局间中继距离的计算
四,SDH网络保护方式
1,SDH网络保护的基本原理
2,a市电信局SDH网网络保护方式的选择及具体设计
五,SDH网同步
1,同步网概念与结构
2,定时信号的传送方式
3,a市电信局SDH网络同步方式具体设计
六,方案论证,评估
3.计算机类型题目论文要求:
管理信息系统
·需求分析(含设计目标)
·总体方案设计(总体功能框图,软件平台的选择,运行模式等)
·数据库设计(需求分析,概念库设计,逻辑库设计,物理库设计,e-R图,数据流图,数据字典,数据库表结构及关系),
·模块软件设计(各模块的设计流程),
·系统运行与调试.
·附主要程序清单(与学生设计相关的部分,目的是检测是否是学生自己作的).
校园网,企业网等局域网设计
·功能需求
·对通信量的分析
·网络系统拓扑设计
·设备选型,配置
·软件配置
·子网及VLan的划分
·ip地址规划
·接入internet
·网络安全
例如:××人事劳资管理信息系统的开发与设计
1,开发人事劳资管理信息系统的设想
(1)人事劳资管理信息系统简介
(2)人事劳资管理信息系统的用户需求
2,人事劳资管理信息系统的分析设计
(1)系统功能模块设计
(2)数据库设计
—数据库概念结构设计
—数据库逻辑结构设计
(3)系统开发环境简介
3,人事劳资管理信息系统的具体实现
(1)数据库结构的实现
(2)应用程序对象的创建
(3)应用程序的主窗口
(4)菜单结构
(5)数据窗口对象的创建
(6)登录程序设计
(7)输入程序设计
(8)查询程序设计
(9)报表程序设计
4,总结
设计报告格式与书写要求
·设计报告应按统一格式装订成册,其顺序为:封面,任务书,指导教师评语,内容摘要(200～400字),目录,报告正文,图纸,测试数据及计算机程序清单.
·报告构思,书写要求是:逻辑性强,条理清楚;语言通顺简练,文字打印清楚;插图清晰准确;文字字数要求1万字以上例如:(1)a市本地SDH传输网设计方案
一,a市概况简介
二,a市电信局SDH传输网络现状(或pDH传输网络现状)
1,a市本地网网络结构,交换局数量及位置,传输设备类型及容量
2,存在的问题及扩大SDH网的必要性(或建设SDH网的必要性)----需求及业务预测
三,a市电信局SDH传输网络结构设计方案
1,网络拓扑结构设计
2,设备简介
3,局间中继电路的计算与分配
4,局间中继距离的计算
四,SDH网络保护方式
1,SDH网络保护的基本原理
2,a市电信局SDH网网络保护方式的选择及具体设计
五,SDH网同步
1,同步网概念与结构
2,定时信号的传送方式
3,a市电信局SDH网络同步方式具体设计
六,方案论证,评估
(2)a地区GSm数字蜂窝移动通信系统网络优化设计方案
一,a地区GSm数字蜂窝移动通信现状
1,a地区概况;人口,地形,发展情况
2,系统现状;现有基站,话务状况
3,现行网络运行中存在的问题及分析
①接通率数据采集与分析
②掉话率数据采集与分析
③拥塞率数据采集与分析
4,话务预测分析计算
二,a地区GSm数字蜂窝移动通信系统网络优化设计方案
1,优化网络拓扑图设计
2,硬件配置及参数的优化
3,基站勘测设计及安装
4,交换局容量及基站数量
5,传输线路的设计
三,网络性能及分析对比
1,优化前网络运行情况
2,数据采集与分析
3,拨打测试
四,网络优化方案评价
(3)a市无线市话系统无线侧网络规划设计
一,无线市话网络概述
1,a市通信网络发展情况
2,ipaS网络特点
二,a市本地电活网络现状
1,现有传输网络结构
2,传统无线网络规划
三,无线网络规划设计方案
1,a市自然概况介绍
2,总体话务预测计算
3,ipaS网络结构设计及说明
4,覆盖区域划分,基站数量预测计算
(l〉每个覆盖区话务预测计算
(2)基站容量频道设计
5,基站选址,计算覆盖区域内信号覆盖情况
6,寻呼区的划分
(1〉各个网关寻呼区的划分
(2〉各个基站控制器寻呼区的划分
7,网关及CSC的规划
(1)网关到CSC侧2m链路设计
(2)CSC到CS线路设计
四,基站同步规划
(4)a市GSm无线网络优化
一,GSm网络概述
二,a市GSm网络情况介绍
2.1网络结构
2.2网元配置
2.3现网突出问题表现
三,GSm网络优化工作分类及流程
3.1GSm网络优化工作分类
3.2交换网络优化流程
3.3无线网络优化流程
3.3.1无线网络优化流程
3.3.2无线网络优化流程的实际应用
四,网络优化的相关技术指标
4.1接通率
4.2掉话率
4.3话务量
4.4长途来话接通率
4.5拥塞率
4.6其它
五,无线网络优化设计及调整
5.1网络运行质量数据收集
5.2网络质量优化及参数调整
工程结构优化设计概述篇5
关键词：东北大学；《采矿学》；本科专业；教材建设
中图分类号：G642.0文献标志码：a文章编号：1674-9324（2014）10-0031-04
一、概述
当今世界综合国力的竞争，说到底就是人才的竞争，只有拥有了一流的人才，才有可能拥有未来。对于高等教育，培养造就富有创新精神和创新能力的卓越工程人才，既是历史赋予高校的重任，也是我国应对新一轮科学技术革命和知识经济挑战的必然选择。东北大学作为我国设立矿业工程学科最早的地矿类高校，在总结以往人才培养实践经验的基础上，围绕如何为社会培养具有全面创造性、技术性卓越工程人才这一问题，在开展教学体系改革的同时，积极开展《采矿学》教材建设与改革工作，努力探索和实践新的人才培养模式。本文根据采矿工程学科专业培养情况，就《采矿学》本科专业教材改革与实践进行探讨与总结。
进入二十一世纪，采矿技术发展十分迅速，发展主趋势从之前的以机械化和大型化为主，转向全面信息化、数字化、自动化，与采矿直接相关的理论和方法也随之发生了深刻的变化。在发达国家，地下铲运、凿岩等设备的自动导航和遥控操作、露天设备的无人驾驶和自动调度、全数字化优化设计等，已经在采矿实践中得到较广泛地应用。近年来出现的一个最新趋势，是高度重视采矿与生态环境的协调，尽量降低采矿对生态环境的冲击，尽快恢复采矿损毁区域的生态功能。我国大型矿山实现了机械化开采，也实现了一定程度地信息化和自动化，如露天矿运输系统自动调度、选矿流程自动监测和控制、采矿方案的CaD设计等。
上述采矿科学技术的发展，对采矿专业人才的知识结构提出了新的要求，对采矿专业课程的内容体系提出了新的要求，对相应教材的内容体系也提出了新的要求。采矿专业课程的教材不仅需要涵盖基本采矿方法和工艺，而且需要涵盖现代采矿科技要求的新理论和新方法，如矿山计算机建模理论和方法、开采方案和各种参数的优化理论和方法、矿山项目的经济评价方法、采矿对生态冲击的量化理论和方法以及生态恢复等。
采矿科学技术发展对相关专业知识的系统性也提出了更高的要求，采矿专业人才应是具有系统性专业技术知识的综合人才。过去以采矿工艺过程划分的课程与教材体系结构，难以实现各工艺环节知识的系统贯通。例如：爆破只讲述爆破相关知识，没有把什么样的爆破参数设计应用于什么采矿方式方法和工艺环节进行有机联系；巷道支护只讲述支护方式及其在给定载荷下的设计计算，没有把不同支护方式与它们所适用的那些采矿方法的具体巷道工程进行有机地联系等等。因此，采矿工程的专业教材在内容体系上，必须把相关专业知识以采矿方式方法和工艺过程为主线融会贯通，实现高度地知识系统性。
我国经济高速发展对矿产的巨大需求，需要利用越来越多的国外矿产资源。越来越多的矿业公司和采矿技术与管理人员走出国门，在国外从事矿产开采。而我国矿业在项目评价、设计、管理理念、方法和手段上与国外有较大的差别。这就需要采矿专业的知识结构能够兼顾国内的实用性和与国际的接轨，以便我国的采矿工程技术和管理人员在国外从事采矿时，能很快适应国际技术经济环境，促进国外资源的开发利用。因此，采矿工程的专业教材在内容体系上必须兼顾国内现实和与国际接轨。
东北大学《采矿学》教材针对上述需求并基于多年教学经验、多方反馈和大量调查研究编写而成，其内容体系在培养满足现代采矿科学技术要求的综合技术型和国际化专业人才中，正在发挥重要的作用。
二、教材改革与建设目标
《采矿学》教材总体建设目标：以教材为载体，推动教学内容体系的改革和完善，不断提高采矿专业人才的培养质量，使之适应采矿科学技术的发展要求。
在内容上，《采矿学》融入了过去教材中没有的、在国内外采矿实践中应用较成熟并在高效采矿上（高经济效益、高生产率、低生态冲击）发挥重要作用的理论和方法，如矿床数值模型的建立、边界品位的确定与优化、露天开采最终境界优化设计、生产计划整体优化、地下开采“三律”（矿岩移动规律、地压显现规律、岩体冒落规律）、露天矿GpS调度、技术经济评价、采矿生态压力和生态成本等。针对我国矿业公司越来越多地走出国门开发利用国外矿产资源的需要，在知识内容上兼顾国内应用和与国际的接轨。
在体系结构上，以采矿方式方法和工艺过程为主线，把相关知识和技术融会贯通，形成一个完整地体系。例如：在论述某一地下采矿方法的结构、采准工程布置以及爆破、落矿、出矿等工艺中，有机融合相关工程的参数设计、爆破设计、支护方式和适用设备选型等的相关理论和计算方法；在论述露天开采工艺中，有机融合各工艺的参数设计、设备选型配置、自动化调度等，并讲述相关的优化理论、模型和算法。
针对采矿工程机构和开采过程的时空性强、靠平面三视图难以建立完整的时空概念这一教学难点，《采矿学》教材配发了一套采矿工艺环节的三维动画短片，有效解决时空概念的建立问题。针对采矿工程教学有很强地实践性的特点，《采矿学》教材配发了“露天矿优化设计软件系统（教育版）”及实例数据库，学生可以用来巩固所学知识、提高知识运用能力，并可用于课程和毕业设计。
三、教材建设主要研究范围与实践内容
《采矿学》的编著者们长期从事采矿工程专业的教学工作，注重总结教学经验、收集反馈信息；注重掌握和跟踪国际、国内采矿领域的科学技术现状和发展趋势以及教学方法、课程设置和教学手段；注重研究总结采矿工程专业课程的教学难点和解决办法。
在采矿工程专业的课程内容体系方面，系统收集了美国、欧洲和我国一些大学的采矿工程专业课程所用教材，认真研究其知识体系结构设计。把所有课程依据内容归纳为几个知识板块，分析了这些学校采矿工程专业知识体系和教材的特点、优点。与美国南伊利诺大学采矿系教授、工程学院院长合作完成了论文“aReViewoFtHeeVoLUtionoFmininGenGineeRinGCURRiCULUm（采矿工程课程设置演化的回顾与评述）”，在2011年土耳其伊斯坦布尔召开的第22届世界采矿大会（22ndworldminingCongress）上发表，引起国际采矿界不小的反响。基于上述研究并针对我国采矿工业的特点和对人才的需求，形成了改革完善采矿工程专业课程体系的指导思想和结构框架：采矿方法、工艺技术等“硬技术”与经济技术评价、决策和优化、生态化开采等“软科学”并重；强化应用数学和力学基础；国内实用与轨迹接轨兼顾。这一体系适应了现时和今后一个时期信息化、数字化、自动化、生态化采矿技术的发展对具有系统性现代专业技术知识的综合采矿专业人才的需求。
作为采矿工程专业课的主导教材，《采矿学》在内容体系设计上充分体现了上述指导思想和体系框架，做到采矿方法、工艺技术等“硬技术”与经济技术评价、决策和优化、生态化开采等“软科学”并重。在硬技术方面系统全面地更新完善了典型采矿方法、工艺和技术、设备，充分体现国内外在相关领域应用较成熟的最新研发成果。在软科学方面，系统论述了为高效采矿服务的经济技术评价与决策、数字建模、参数和方案优化等理论、方法、模型和算法。在具体的设计和计划程序与方法方面，既论述我国矿山设计和生产中广泛应用的程序和方法，又介绍国际（主要是发达国家）广泛应用的与我国有明显区别的程序和方法。这样，使用该教材教学，培养的人才不仅具有满足我国现时和将来一个时期采矿业发展的需要，而且满足走出国门开发利用国外矿产资源的需要。
在教学方法和手段方面，《采矿学》的编著者们经过深入研究总结出采矿工程专业课的教学难点：
1.三维空间概念的建立。采矿中各种工程有很强的空间性，各种工程、巷道的布置及其相互之间的衔接，相关几何参数的设计计算，都要求学生能够建立起一个完整的空间三维概念。过去只能借助平面三视图凭想象来形成空间结构，教学时费时且效果不佳。
2.时序概念的建立。采矿不同于一般工厂的生产，后者的作业场地是固定的，而采矿中作业场所和对象是随时间以一定的顺序移动的。这就需要学生掌握采矿过程的时空发展程序，靠静态图解很难达到好的教学效果。
3.实践性强。课堂上讲采矿方法、工艺时，为了具有普遍性，用的大都是典型方案。而采矿的一大特点是地质条件千差万别，实践中的方案与典型方案有较大地差别。把学到的一般知识应用到实践能力必须通过亲自动手来培养，而这是难以在课堂上实现的。
针对头两个教学难点，《采矿学》的编著者们花费大量时间研发了一系列采矿工程结构、工艺环节的三维动画短片，作为教学辅助手段与《采矿学》教材一起发行。应用这些动画短片，可以在很短时间内使学生建立起三维空间概念和时序概念，而且学生需要时在课余可以反复演放。这些教学辅助手段大大拉近了教学与实践的距离，提高了教学效果。
针对第三个教学难点，《采矿学》的编著者们专门研发了“露天矿优化设计软件系统（教育版）”，配以真实矿山的实际地质数据库和使用说明书，与《采矿学》教材一起发行。使用这一软件，学生可以自己动手，应用课堂学到的知识，对露天矿山进行优化设计，做出设计、计划方案，既深化了对所学知识的理解，巩固了知识的掌握，又培养了应用所学知识解决实际问题的能力和独自确定参数、方案的技术决策能力。这一软件还可用于课程设计和毕业设计，在很有限的时间里提高设计水平，锻炼设计能力。
四、教材改革建设创新与特色
1.教材改革建设创新。
（1）理论与内容创新。《采矿学》在内容上实现了重大突破，体现了采矿工程专业的专业课教学理念和模式的创新。我国一直到上世纪末，采矿工程专业的专业课教学一直沿用以工艺技术为主导的模式，只注重把矿石采出来所需要的工艺技术知识。这一模式在计划经济以及向市场经济转变的过渡时期，发挥了重要作用，培养了国家急需的采矿技术人才。当市场经济占主导地位后，矿山企业面临的不仅仅是按照给定产量把矿石采出来的问题，生产经营的几乎所有方面都需要企业在国家和地方法律、法规下自主决策。是否投资于一个矿山项目、应规划多大的开采规模、什么样的生产计划能带来最大的经济效益等等，都需要工程技术和管理人员具有经济、技术决策和优化的知识。而且，进入二十一世纪，矿山企业不但需要关注经济效益和技术效率，同时需要关注生态效益和社会效益。《采矿学》在内容体系上实现了这一重要转变，创新了教学理念和模式，不仅更新完善了采矿方法和工艺技术等“硬技术”，而且把技术经济评价、决策和优化、生态化开采等“软科学”放在同样重要的位置，并与硬技术有机融合，形成了一个适应时代需求的、新的采矿专业知识体系。
（2）结构创新。《采矿学》在上述知识体系的结构方面，以采矿方式方法和工艺过程为主线，把相关基础知识、技术和优化决策融会贯通。例如，在论述某一地下采矿方法的结构、采准工程布置以及爆破、落矿、出矿等工艺中，有机融合相关工程的结构参数设计、爆破设计、支护方式和适用设备选型等的相关理论和计算方法；在论述露天境界设计和采剥计划编制中，从传统的过程与方法逐步过渡到优化理论、模型和算法，在露天开采工序中有机融合各工序的参数设计与优化、设备选型配置、自动化调度等。这样，硬技术与软科学之间、仍然发挥作用的传统方法与应用较成熟的新成果之间、国内实用方法与国际的接轨之间，实现了融会贯通，形成了一个新的、完整的体系结构。
（3）实践创新。《采矿学》注重教学实践的创新。针对前述采矿工程专业课教学实践中的难点（即，三维空间概念和时序概念难以建立、实践性强），《采矿学》的编著者们研发了一系列采矿工程结构、工艺环节的三维动画短片，研发了“露天矿优化设计软件系统（教育版）”，并配有真实矿山的实际地质数据库。这些研发成果有效解决了采矿教学三大难点问题，大大提高了教学效率和效果，培养了学生应用所学知识解决实际问题的能力。
2.教材改革建设特色。《采矿学》在促进采矿工程专业课教育教学改革方面，尤其是内容体系的改革上，发挥了重要作用。其特色主要有以下三个方面：
（1）内容新，具有显著的时代特色。作为专业知识载体的教材，《采矿学》充分体现了采矿科技和社会发展对采矿专业人才的知识结构提出的时代性要求。如今的矿山企业不能单纯追求经济效益和技术效率的最大化，同时需要关注生态效益和社会效益。《采矿学》在内容体系上体现了这些时代性需求，把技术经济评价、决策和优化、生态化开采等“软科学”放在同样重要的位置，并与硬技术相辅相成。
（2）系统性强，具有完整的体系特色。《采矿学》不是在过去教材的基础上加入新东西的简单堆砌，它是以采矿方式方法和工艺过程为主线，把相关知识、技术和方法融会贯通，形成一个完整的知识体系。例如，就爆破技术而言，除具有共性的基础知识外，在每一采矿工序中都阐述了针对该工序具体需要的爆破参数的设计计算、器材选择等。巷道掘进技术、地压控制技术、落矿出矿、优化与决策方法等也类似编排。这样，学生学习每一项单体技术和方法模型时，就掌握了其在采矿中的应用位置；在学到每一工艺、工序时，就掌握了需要用到的合适技术和理论方法。这一体系上的特色，大大提高了知识的连贯性和学生应用知识的能力。
（3）教学针对性强，具有很强的实践性特色。《采矿学》十分注重采矿工程专业课教学不同于其他课程的特点和难点，有针对性地研发了一系列采矿工程结构和工艺过程的三维动画短片，有效解决学生在建立三维空间和时序概念中的困难；开发了“露天矿优化设计软件系统（教育版）”并建立了真实矿山的实际地质数据库，用于培养学生的实际动手能力和知识运用能力。这些动画短片和软件系统是提高教学质量和人才培养质量的有力支撑。
五、教材改革建设综合水平与成效
1.教材综合水平。在知识结构体系上，《采矿学》不仅凝结了大量的教学实践经验和反馈意见，而且纳入了国内外采矿工程的专业课教材及相关课程的优点。在《采矿学》的形成过程中，系统收集了美国、欧洲和我国十多所在采矿专业领域典型大学的采矿工程专业课程设置和所用教材，认真研究其课程知识体系结构和教材的特点、优点，博采众长，形成了改革完善采矿工程专业课程知识体系的指导思想和结构框架。在此基础上，深入研究了国内外广泛应用的采矿技术的现状和发展趋势，抓住信息化、数字化、自动化、生态化开采这一采矿科学技术的时展主旋律，提出了一个完整的知识体系。《采矿学》的知识结构体系充分体现了采矿科技的新成果、新发展，实现了相关知识板块的融会贯通，既具中国特色又与国际接轨，达到了世界先进水平。
《采矿学》不仅仅是一本书，它所承载的是具有时代性、实践性和方向性的采矿工程专业科技的知识体系。《采矿学》的十几次的印刷、在全国的大量使用，本身就是这一教学成果水平的证明。
2.教材改革建设成效。
（1）与教材建设相对应的教学改革及课程建设成效。《采矿学》教材及其承载的采矿课程内容体系，是在过去约15年中不断地教学研究、实践和改革中形成的。《采矿学》第一版被列入教育部普通高等教育“九五”规划教材，得到学校的资助。2004年由该教材编著者主讲的采矿学课程被评为校级精品课程，在学校的资助下经过四年的建设，2008年该课程被评为国家精品课程，获得教育部和学校的资助，课程建设成果及其教学和课程体系改革成果于2009年获得辽宁省教学成果一等奖。在上述课程建设项目的支撑下，针对教学和课程体系改革需求以及教学实践与反馈，对《采矿学》实施再版，并列入教育部普通高等教育“十一五”规划教材，于2011年4月完成改版工作，出版发行。
（2）教材应用及推广成效。作为采矿工程专业课的主导教材，《采矿学》在内容结构体系上的时代性和系统系已经得到业界的广泛认可。这一教学成果在全国范围得到广泛应用。据冶金工业出版社不完全统计，使用《采矿学》教材的有东北大学、北京科技大学、中南大学、重庆大学、昆明理工大学、西安建筑科技大学、内蒙古科技大学、辽宁科技大学、河北理工大学、山东理工大学等高等院校，以及贵州、甘肃、福建、重庆、浙江等地的学校和企业。《采矿学》在方法和理念上注重与国际采矿实践接轨的特点，也适应了越来越多的矿业公司走出国门开发利用国外矿产资源需要，受到许多矿山企业管理者的青睐，把《采矿学》作为培训教材和参考书使用。
《采矿学》第一版被列入教育部普通高等教育“九五”规划教材，于2001年1月由冶金工业出版社出版发行，先后九次印刷，印数25000册，发行量之高在这一时期冶金类专业教材中是少见的。基于多年的教学实践和来自各方的反馈意见，并针对该书出版以来采矿技术的发展现状与趋势，2005年着手再版工作和相关教学辅助手段的研发，《采矿学》第二版被列入教育部普通高等教育“十一五”规划教材，于2011年4月出版发行。第二版的发行速度比第一版大大增加，在短短的一年半时间内，印刷了三次，总印数达12000册，已发行10430册，在冶金工业出版社2011和2012年度出版的所有书籍中发行量排名第一。这充分证明了《采矿学》的应用范围和应用程度。
在实施效果上，《采矿学》首先是更新完善了在信息时代、矿业全球化和可持续发展背景下需要的采矿工程专业知识体系，为培养符合时代要求的采矿工程专业人才提供了知识载体。其次，《采矿学》充分注意到采矿工程专业课教学的难点对教学效果的影响。一系列采矿工程结构、工艺环节的三维动画短片在教学中的应用，可以在很短时间内使学生建立起三维空间概念和时序概念，并大大拉近了教学与实践的距离，提高了教学效果。使用“露天矿优化设计软件系统（教育版）”及其真实矿山的实际地质数据库，学生可以自己动手，应用课堂学到的知识进行优化设计，做出设计、计划方案，既深化了对所学知识的理解，巩固了知识的掌握，又培养了应用所学知识解决实际问题的能力和独自确定参数、方案的技术经济决策能力，提高了教学效果和人才培养质量。
我国是矿业大国，在多种矿产的产量和需求量上都位居世界第一，但我国尚不是矿业强国。走向矿业强国需要掌握信息化、数字化、国际化、生态化矿产开发知识的大批专业人才。《采矿学》为适应这一需求而生，已经在全国范围的采矿专业人才培养中发挥重要作用，必将在走向矿业强国的道路上继续发挥作用。这一教学成果具有非常广泛的应用前景。
参考文献：
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工程结构优化设计概述篇6
关键词：水工结构；可靠度；设计方法
1概述
某水利工程为重点建设的水利工程之一，本工程地处山区，建设条件和环境十分复杂，对于当地的农业发展、供水供电等又具有重要意义，因此要求重视水工结构的设计，确保水工结构的可靠性。
要想对该工程进行结构可靠度设计，首先就要明确可靠度设计的方法和理论，下面介绍水工结构可靠度设计方法。
2水工结构可靠度设计方法
2.1水工结构可靠度理论
水工结构可靠度理论基础为极限状态设计方法，该方法是在原有安全系数设计方法基础上发展起来的。目前的水工结构可靠度设计方法的局限性较大，表现为结构承受抗力与作用参数，一般被当作随机变量进行处理。
水工结构可靠度设计中，一般情况下，极限状态由效应与抗力组成极限状态方程，以此进行描述。极限状态方程为Z=g（R，S）=R-S。但如果以概率论为基础，水工结构可靠度设计理论分为三个水准：水准Ⅰ、水准Ⅱ、水准Ⅲ。其中，水准Ⅰ为半概率和半经验方法，而结构安全的影响因素，主要包括材料强度、荷载等，并根据实际设计经验，引入经验系数。该方法无法进行可靠概率计算。水准Ⅱ与概率设计方法相似，水工作用效应S和结构抗力S为随机变量，先按照提前设定的概率分布，估算可靠指标或失效概率，然后用标准差和均值统计参数或表达式、线性规划处理。
水准Ⅲ全概率方法，是以全部随机变量联合分布为基础的概率方法，可将复杂问题简单化，但在水工结构设计中应用很少。当前，在水工结构可靠度设计方法中，水准Ⅱ近似概率设计方法应用范围最广泛。
水准Ⅱ尽速概率法求解，采用“一次二阶矩法”，该方法的积分表达式为
在该表达式中，作用效应S和抗力R的标准差和均值分比为ms、mR，而可靠性指标β的表达式为
在上述表达式中，β的含义为标准正态空间中原点至极限状态超平面的最短距离。在作用效应S和抗力R为正态分布随机变量时，可做“当量正态化”处理，即根据当量正态变量均值、标准差和概率密度函数等，原变量值、验算点处变量值等量原则，来计算迭代验算点的可靠性指标与变量值。在验算过程中，JCSS采用JC方法。而JC方法优势很明显，该方法把分布的非正态随机变量作为当量正态化，因此能够使基本随机变量分布类型符合设计规范的要求，这对于可靠度高、失效概率小的水工结构，具有较大的促进作用。不过，与中心点法相比较，JC方法缺点在于计算繁琐，需反复迭代验算点，才能够得到相应的数值结果。
2.2分项系数极限状态表达式
在当前水工结构可靠度设计中，分项系数极限状态表达式方法得到广泛的应用。在该方法中，作用分项系数r与材料性能分项系数y的物理概念应明确，从而可有效反映出可能存在的不确定性。两个分项系数中可能含有超载、降强等物理概念，但是其与结构安全的关系很小。
根据作用分项系数，其只是作用于变异性，以此来确定材料性能分项系数y，就能够按材料试件的变异性确定。在水工结构的可靠度设计时，系数r主要代表各种结构抗力中的不确定性，以及材料性能分项系数，而不考虑其他的分项系数。比如几何尺寸的不确定性，可把试件抗力换算成为构件抗力的不确定性。水工结构计算时，可引入系数r，则分项系数表达的极限状态关系式为
从该关系式可看出，水工结构可靠系数与构件联系密切，不同的水工结构安全等级就会有不同的结构可靠性指标。因此，按照《水利水电工程可靠度设计统一标准》的相关规定，水工结构安全等级的基础为Ⅱ级结构，其他等级结构系数经过转换可得到，水准Ⅰ、水准Ⅱ和水准Ⅱ的结构系数分别为1.1、1.0和0.9。
3水工结构目标可靠指标的确定
在水工结构可靠度设计中，可靠度指标是设计的主要依据，与工程造价、使用以及后期的维护等密切相关，关系投资风险大小、财产安全等，因此也是体现结构安全和经济性的重要指标。因此要求合理确定结构设计的可靠指标。
现阶段，水工结构目标可靠指标确定方法有三种：一是经济优化法，二是经验校准法，三是事故类比法。而确定目标可靠性指标时，工程结构设计、设计理论均要考虑在内，确保新旧设计规范之间的衔接，防止由于材料用量过大而导致出现问题。
在设计过程中，事故类比法与经济优化法应用困难，可按可靠度设计统一标准，采用经验校准法。经验校准法是指先行校核设计规范安全度，通过反复计算，寻找原有设计规范中隐含在结构中的可靠指标，通过分析与调整，给予概率基础上的目标可靠度。
4水工结构可靠度设计方法应用中的障碍
4.1变量不确定
在可靠度分析、抗力、作用效应和极限状态方程中，均存在不确定性因素。不确定性问题是应用可靠度设计方法中的首要障碍。抗力和作用等不确定性因素，主要特点为模糊性、随机性和未认知性。
4.2可靠度理论度量结构安全局限性问题
评价水工结构的结构安全性，可靠度理论较为先进，但在应用时仍有局限性。可靠度理论某些问题尚未解决，如结构可靠度约束问题，受抗力与作用效应、随机过程为随机变量等因素的制约。随着认识的加深，这些约束条件均受到质疑。
大量数据统计中如用概率可靠度理论，抗力与荷载统计，均存在很大问题。而从设计规范较短看，荷载变化导致概率可靠度理论简化，忽略理论因素，比如在一定程度上忽略社会因素、经济因素。水工地下结构荷载与作用效应的耦合，其不确定性比荷载要大，构件和荷载不确定性之和难以估算。
在安全性评价中应用可靠度理论，包括作用效应与抗力因素两个内容，可靠度指标联合概率用样本统计方法得到。水工结构安全评价中的认知性、模糊性等指标，为非随机性不确定性因素，通过数学方法无法计算，应按照工程经验来解决。
5结语
水工结构的传统设计方法为安全系数法，该方法的材料性能、作用效应等已经被广大设计人员熟悉。但是由于在设计中没有详加考虑随机性概率，因此，安全系数法为确定性设计防范，对于材料性能与作用组合失效概率，没有给出明确的规定。本文对其进行分析，旨在提高水工结构可靠性设计的整体水平。
参考文献
[1]李红梅，李树山，张伟.水工结构可靠度设计方法[J].建筑工程，2013（9）：76-77.
[2]何梅.水工结构可靠度设计浅议[J].黑龙江科技信息，2012（23）：56.
工程结构优化设计概述篇7
[关键词]商务模式多学科设计优化复杂系统
1引言
商务模式(Businessmodel),又称为盈利模式或商业模式。该术语最早出现在信息管理领域,用以描述信息系统的结构[1]。而后,随着互联网络的盛行,各种电子商务模式的成功应用,商务模式才开始逐步成为企业管理领域的流行术语而倍受人们关注。可以说,商务模式的优劣很大程度上成了企业成功与否的先决条件。因此,如何依靠科学的方法进行商务模式的设计并探索其创新的一般规律,成为了业界亟需解决的议题。
2商务模式研究简述
目前,大多研究主要将商务模式视为企业战略管理的重要内容,借用商务模式的概念本身,对其进行了相关的概念剖析或案例研究,而未伸入到商务模式的“黑箱”内部进行分解和深入的探讨。综观国内的文献研究,翁君奕(2004)提出了介观商务模式的概念框架,他将商务模式定义为由客户环境、伙伴环境以及内部构造三个组成部分(简称“组分”)的组合,每个组分之下又分别细分为价值对象、价值内容、价值提交和价值回收四个部分,形成了商务模式的双层结构模型[2]。该框架的提出为将商务模式作为一个独立的研究单元并进行科学研究奠定了基础。徐迪(2005)首次利用复杂科学理论分析了商务模式系统的复杂性,并采用计算实验的方法研究不同复杂性下商务模式的结构特征,从而总结了商务模式创新的一般规律[1]。李煊(2008)、谢超凡(2009)等在徐迪建立的基于nK模型的商务模式复杂性结构基础上加入智能算法进一步研究了商务模式复杂系统在动态演化过程中的一般特性[3-4]。与此相比,其他的国内外学者则多是借用商务模式这一笼统的概念进行分析和研究,Zott(2007)等采用实证研究的方法分别讨论了效率型商务模式和新奇型商务模式这两种不同设计对组织绩效的影响,结果表明即便是在变化的外部环境中新奇型商务模式与组织绩效之间仍然存在明显的正向影响[5]。这些研究主要是从既有的角度,将商务模式视为复杂系统进行理论的剖析,研究结果为商务模式的创新实践提供了一些启示。但是,商务模式本身的设计过程同时也是一个从无到有的创新过程,因此基于复杂系统的商务模式优化设计就成为了商务模式研究值得考究的问题。
3基于mDo的商务模式设计模型
3.1多学科设计优化简述
多学科设计优化(multidisciplinaryDesignoptimization,mDo)是在20世纪80年代提出的一种新的设计思想和方法,是一种探索和利用工程系统中的相互作用的协同机制来实现复杂设计的方法论,因而成为了航空航天领域如飞机、导弹等涉及到结构、控制、发动机等多学科的主要设计方法[6]。与mDo设计相比,传统的设计方法忽视了系统间的相互影响,人为的割裂了各学科之间的相互作用,并未考虑各学科之间相互影响产生的协同效应,因此得到的设计结果只能获得局部最优解,难以达到最优。mDo的提出正是针对这一问题,它的主要设计思想是在复杂系统整个设计过程中充分利用分布式计算机网络技术来集成各学科的知识,按照面向设计的思想来集成各个学科的模型和分析工具,通过有效的设计和优化策略组织和管理设计过程,充分利用各学科相互作用产生的协调效应获得系统整体最优解,使复杂工程系统的设计从孤立的、串行的过程成为并行的、协同的过程,将设计的重点从单独的部件级转移到系统级整体性能优化,进而缩短设计周期,节约成本使得研制出的产品在国际市场上更具有竞争力[7-8]。
3.2商务模式的复杂系统特性
为了应用mDo这种复杂系统设计方法研究商务模式,首先必须对商务模式的复杂性进行分析。根据介观商务模式的定义,商务模式是由客户环境、伙伴环境和内部构造等3个组分构成,3个组分之间相互关联、相互作用,以某种特定的形式整合成一个具有某些特性的商务模式系统整体。徐迪(2005)系统的分析了商务模式的7大复杂系统特性:相关性、涌现性、不确定性、开放性、动态性、层次性和适应性。他认为商务模式的三个组分相互联系相互作用,由于组分的形态各异并且相互之间存在的非线性关系,系统将涌现出具有不同特性的各种商务模式,因此系统具有产生涌现性的规模效应和结构效应,从而也产生了结果的不确定性[1]。此外,商务模式系统是一个开放的、动态的适应系统。商务模式可以通过客户界面、伙伴界面等与内、外部环境进行物质、能量和信息的交换,进而在时间尺度上表现出了商务模式动态性与适应性。
上述的商务模式复杂系统特性意味着商务模式是一个典型的复杂适应系统。可以说,介观商务模式理论客观上为复杂系统理论在商务模式中的研究奠定了基础,使得复杂系统的相关理论和方法在商务模式设计中的研究成为了可能。
3.3基于mDo的商务模式设计模型
商务模式的第一层结构包含客户环境、伙伴环境和内部构造三个组分。将商务模式视为复杂系统的关键就在于发现系统内组分所涌现出来的结构复杂性和规模复杂性,其中规模复杂性表现为组分的形态的多样性,而结构复杂性则表现为各组分之间关系的不确定性。徐迪在应用基于nK模型的复杂系统商务模式分析框架中,将组分的形态设定为0和1两种形态,并通过nK模型揭示了商务模式组分之间所有的上位(相关)关系。这样的分析框架从计算实验的可行性角度,对商务模式复杂系统进行了严格的假设,虽然得到了商务模式创新的一般规律,但是从严格意义来说,模型本身的描述能力还难以达到真正意义上的复杂性描述。
然而,mDo方法是解决复杂工程系统优化设计的一种有效方法和工具,它的主要目的是充分利用学科之间的相互作用所产生的协同效应来获得系统的整体最优解[9]。系统数学模型是多学科设计优化的基础和前提,mDo问题一般可以用非线性规划模式来表示[7]:
由表达式可以发现,mDo的数学表达形式实际上是多目标规划与多级规划的结合。其中系统级目标函数是一个多目标问题,分别代表的是系统级与m个子系统级的设计变量。系统级的等式约束和不等式约束分别是和。系统级与子系统级则是一个多级规划问题。mDo与多级规划的关键不同在于,子系统级之间存在着耦合变量。如何对耦合系统进行分析是mDo的重点所在。
因此,构建基于mDo方法的商务模式模型,首先应确立商务模式层次结构的多目标评价体系,而后将客户环境、伙伴环境和伙伴界面视为复杂系统中的三个子系统,即三个学科,进而分析子系统间耦合变量所构成的耦合系统。令是各个子系统的输入变量,,表示3个子系统的输出,称为状态变量,其中表示由子系统j计算得到,并输入到子系统i的状态变量。因此,商务模式耦合系统的关系如图1所示:
图1商务模式多学科耦合系统
显然,本例中六个状态变量由六个不同的状态方程组得到并且变量之间存在着相互依赖的关系。当设计变量给定时,状态方程组将变为一组关于设计参数的方程组,那么通过求解就将得到各变量的一致性设计结果,该过程也称为耦合系统解耦的过程。于是,mDo模型的求解就体现为系统级与子系统级之间不断试算的迭代过程,直到结果达到收敛条件的最优化求解过程。当然,mDo的求解策略可根据实际研究问题选择不同的数学方法求解。
基于mDo的商务模式设计模型并不对组分的形态加以限制,同时利用mDo特有的求解方法对子系统之间的耦合变量加以分析,因此从一定的角度上克服了前人研究模型的限定,也为商务模式双层结构模型的研究提供了可能。
4结论
本文在基于复杂系统的商务模式定量研究基础上,针对研究模型的局限并借鉴复杂系统设计中的多学科设计优化方法提出了商务模式设计的概念模型。虽然仅是概念模型,模型中关于商务模式的评价指标体系以及系统与子系统的函数形式等问题则还有待于后续的进一步分析和探讨,但是模型在一定程度上描述了商务模式复杂系统的规模效应与结构效应,为后续商务模式设计的工程化研究奠定了模型基础,同时也为复杂系统设计方法在商务模式设计中的应用提供了参考。
参考文献:
[1]徐迪.商务模式创新复杂性研究[m].北京:经济管理出版社,2005.
[2]翁君奕.商务模式创新――企业经营“魔方”的旋启[m].北京:经济管理出版社,2004.
[3]李煊.基于粒子群优化算法的商务模式演化研究[D].厦门:厦门大学硕士学位论文,2008.
[4]谢超凡.基于遗传算法的商务模式演化研究[D].厦门:厦门大学硕士学位论文,2009.
[5]ChristophZott,Raphaelamit.BusinessmodelDesignandtheperformanceofentrepreneurialFirms[J].organizationScience,2007,18(2):181-199.
[6]韩明红.复杂工程系统多学科设计优化方法及技术研究[D].北京:北京航天航空大学博士学位论文,2004.
[7]李世海.多学科设计优化(mDo)算法研究[D].北京:中国地质大学硕士学位论文,2009.
工程结构优化设计概述篇8
关键词：计算机辅助工业设计；教学改革；设计类专业
一、概述
随着计算机技术的广泛应用和对其他行业领域的深度介入，工业设计的手段和内容都产生了重大的变革，带来了全新的方式和理念，产生了一种全新的设计形式计算机辅助工业设计（CaiD）。近年来，人们已经清晰地认识到CaiD在设计领域的应用与推广不是可有可无的，而是工业设计步入信息化、智能化所采取的必要手段，也是充分发挥工业设计在现代制造业殊作用的必要条件。与传统的工业设计相比，CaiD在设计方法、设计过程、设计质量和设计效率等各方面都发生了质的变化，它涉及到计算机辅助设计（CaD）技术、计算机图形图像（CG）、人工智能技术（ai）、虚拟现实技术（VR）、敏捷制造、优化设计、模糊技术、人机工程等许多信息技术领域，是一门综合的交叉性学科。CaiD以工业设计知识为主体，以计算机和网络等信息技术为辅助工具，实现产品形态、色彩、宜人性设计和美学原则的量化描述，从而设计出更加实用、经济、美观、宜人和创新的新产品，满足不同层次人们的需求。正是由于CaiD在现代工业设计中的重要性越来越突出，目前全国高校中几乎所有的工业设计专业都非常重视学生CaiD知识和技能的培养，开设了相应的课程，编写出版了相关的教材，取得了丰富教学成果，一些院校的CaiD课程还建设成为了省级、部级的精品课程。
二、目前计算机辅助工业设计课程的现状与不足
介于CaiD具有前述的特点，目前各个高等院校在其教学过程中（特别是工业设计的本科教学）涉及到的教学内容还是有比较大的差异，正式出版的教材内容也各有侧重，这为该课程的讲授带来了一定的困惑和迷茫。总结起来，目前的CaiD课程大致有以下这样一些问题：1．CaiD的概念被放得太大，以至于在教学中把许多学科领域的内容都纳入其中，导致课程知识面宽而不精、内容庞杂，对解决实际设计问题的能力培养缺乏针对性。比如有的把并行工程、人工智能、智能制造等内容都放到CaiD的课程教学里面，使课程体系过于庞大、课程内容不能有效地聚焦到工业设计的重点问题，从而导致涉及知识面过于广泛、学生难以理解、学习兴趣降低等问题，在实际授课时难以操作和实施。2．把CaiD的概念理解得过窄，课程内容仅停留在产品外观形态设计的层面，只教授学生如何构建产品的外形和视觉效果。这样的教学其实只注重培养学生在产品美学方面的计算机设计能力，而忽略了对学生在产品研究、概念创新、结构设计、产品装配等方面的知识和能力的培养与训练，割裂了产品设计的完整流程，使学生难以适应和融入今后实际产品开发的团队协作中。3．由于课程中要涉及多个软件使用的讲解，大部分院校的教师在教学过程中注重对软件各个功能和命令的解释和介绍，缺乏以实际的产品设计问题作为学习向导来培养学生解决实际设计问题的能力。这样的结果是学生在课程结束后都基本掌握了软件基本功能和命令使用，但遇到实际的设计问题仍然感到不知所措。4．在教学方式上通常采用课堂讲授＋上机练习的形式，虽然能够及时对课堂上讲授的内容进行训练和加深理解，但是缺乏专业和系统的课外知识技能扩展的资源和途径，也没有小组讨论和课程汇报的环节，使学生只能自行去相关软件学习网站的论坛上去交流提问，不能有效地提升专业设计能力。
三、课程改革的总体思路和具体内容
基于这样的背景和现状，我们对CaiD课程内容改革的教学理念是：突破传统设计专业课程中分部讲解的模式，让学生能够从产品开发设计的全过程出发，利用探究性学习、研究性学习模式，调动学生自主学习的积极性。通过课题讲授、网络自主学习、优秀案例分析、实际动手操作以及互动讨论等环节，掌握计算机辅助工业设计技术在产品概念设计、数字化建模、数字化装配、数字化评价、数字化制造以及数字化信息交换等方面的应用知识和技能。 通过我们的分析研究，一个完整的工业设计开发过程包括以下的几个阶段，每个阶段要完成的任务以及目前对应可用的计算机辅助软件工具如上图所示：针对于上述的设计流程，我们在其中的主要环节上有针对性地对相关的计算机辅助工具进行深入的介绍，使学生在学习了该课程以后就能够在工业设计的主要环节中利用现代信息手段进行实际的创新设计工作。具体的课程改革内容有以下几个部分：1．课程内容的改革（1）调查研究阶段此阶段的工作主要是收集资料、访谈、观察、问卷调查等工作，以进行产品的竞品分析、绘制卡片分类表格、功能结构流程等，采用的计算机辅助手段主要集中在数据归档、分析与处理。因此这个阶段的CaiD各种主要是采用文字处理、电子表格以及数据库等软件来进行相关工作。（2）设计分析阶段此阶段工业设计的主要任务是在前期调查的结果基础上，对产品的功能、结构、使用方式以及形态色彩等方面进行深入分析，提出明确的设计目标和方向。在这个阶段，常常需要理清各种想法和进行思维发散，以获得今后创新设计的大致方向，也是工业设计中较为重要的一个阶段。目前业界主要采用思维导图法进行设计思维的整理与分析，作为团队和个人开展头脑风暴的有效方法。思维导图的主要作用是使思维清晰化，因此在确定产品概念前与头脑思考相关的活动都可以尝试采用绘制思维导图的手段来解决。我们在此阶段通过学习mindmanager软件来帮助学生掌握开展思维导图的方法和手段，以提高产品设计中利用思维导图来进行头脑风暴的效率和质量。（3）概念设计阶段工业设计师此时的任务是在前期头脑风暴得到的各种创新概念的基础上，迅速地将各种设计创意形象化，把各种新鲜的概念和想法变为具体、有形的设计方案。此时要求设计师能够快速、准确地表达设计意图。传统的设计方式常用方法就是手绘草图，即利用铅笔、针管笔、马克笔等工具在纸上迅速绘制出设计师头脑中的产品概念。作为CaiD课程，我们采用autodesk公司的SketchBook Desig－ner软件来培养学生的数字化手绘能力。该软件是一款矢量与像素混合编辑的绘图软件，充分利用了两种图形图像绘制模式的优点，高效地绘制出高质量的产品概念手绘方案。（4）详细设计、结构设计及样机制作阶段当设计概念经过认真的评估以后就需要将之进行深化，利用合适的三维设计工具对产品进行详细设计。在这个阶段需要特别强调的是：工业设计应该是产品的整体设计，绝不仅仅是产品外观造型的设计，而且应该和后续的工程设计进行很好的数据对接。所以在设计软件的选择上除了要具备创建复杂外形的能力，还要能够构建产品的内部结构、添加标准件、方便修改尺寸大小、计算各种物理信息等，还要为接下来的运动分析、动力学分析和模具设计等工作提供数据接口，因此目前很多CaiD课程中讲授的Rhino、3DSmax等软件显然不能达到上述的要求。在我们的CaiD课程中采用了法国达索公司的Solidworks软件作为进行详细设计的主要工具。它具备非常强大的实体造型功能，可以完整描述实体全部的点、线、面、体的拓扑信息，还能够实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工、光照及纹处理，以及外形计算等各种处理和操作。同时它的曲面设计功能也非常强大，具备完整的nURBS曲面设计能力，而且还能够快速实现实体与曲面的转换。它在参数化设计上的突出能力可使产品的立体模型和设计图随着某些结构尺寸的修改而自动修改。Solid－works允许在设计阶段就可以把很多后续环节要使用的有关信息放到数据库中，便于实现并行工程设计，使设计绘图、计算分析、工艺性审查到数控加工等后续环节工作顺利完成。在2016版以后，达索公司推出了Solidworks Visualize可以实现照片级的实时渲染效果。Solidworks软件简单易学、界面友好，非常适合设计类专业的学生学习。同时，相比其他同类的软件而言，Solidworks软件的价格较低，经济性比较突出，在国外众多的设计院校中得到了广泛的使用。2．课程教学方法和授课形式的改革除了在上述教学内容进行的改革，我们在教学方法上也进行了积极的改革探索。传统的软件教学基本上是针对软件本身的学习，主要介绍软件各个模块的主要命令和功能。而我们在教学上主要采取了基于项目和问题的教学方式进行，将知识体系打散为一个个简单具体、有较强针对性的知识点，增强学生的学习兴趣和灵活性。比如在设计分析阶段，我们让学生使用学习的头脑风暴软件工具绘制了以“照明工具”为核心的思维导图，使学生学会如何将抽象的创新思维具体化；又如在详细设计的曲面造型模块，我们提出了“如何从曲面转换为实体”的问题，借此介绍了四种不同的方法，增强了学生灵活运用所学知识的能力。我们将课程内容进行了分解，形成了相应的知识点并制作了数量较多的教学视频，连同教案等资料一同放在课程的教学网站上，方便学生利用自己平时碎片化的时间进行课前预习和课后复习。在课堂上，我们除了讲解重点的知识内容和解答学生在学习中遇到的问题外，还专门安排了小组讨论和汇报的环节，让学生们有机会在老师和全体同学面前讲述自己小组的设计概念和使用的技术方法，培养和提高他们利用计算机软件来提高工业设计的创新能力、团队合作能力以及口头表达的能力。
四、总结
工程结构优化设计概述篇9
ipo图即输入（input）、处理（process）、输出（output）图，是iBm公司最早提出并用于描述过程的工具。国际标准化组织iSo对过程的定义是:将输入转化为输出的一组活动。使用ipo图描述业务过程显然没有问题，但在信息系统需求分析中能否使用ipo图呢？答案是肯定的，而且有着意想不到的独特的作用。
数据流图
与用例的不足
在采用结构化方法的软件需求分析中，常用的主要工具为数据流图。而在面向对象方法中则使用USe-CaSe，即“用例”。在信息系统的需求分析中，这两种方法都存在一些不足。
数据流图以数据流为基础进行需求分析，但信息系统的实际情况则是以业务过程为基本单位来完成用户业务过程中的信息处理工作，这也是信息系统自身的需求。在结构化方法中，进行数据流分析之后，仍然需要进行业务过程的归并和划分，形成程序模块。这里的程序模块就是完成一个或多个信息处理过程的软件单元。使用数据流图的分析方法其实是走了弯路的,而且，数据的数量及其结构的复杂程度远大于对数据的处理。使用数据流图进行分析，图形一般都比较复杂，使我们不能很快抓住问题的关键。
另外，大多数信息系统实际上就是数据库应用系统。一个信息处理过程的数据调用和存储，总是建立在数据库的基础之上。分析一个信息处理过程的数据输入和输出都是以数据库为源头或终点。使用描述数据输入、输出和处理过程的ipo图进行需求分析，对数据需求的分析局限在相应的过程之中，对数据的分析会更加简单、清晰、便捷。
面向对象方法中使用的USe-CaSe，即使用案例（简称“用例”），是对过程的描述，但USe-CaSe对过程的描述不够充分。一个信息处理过程必然有数据的输入输出，在执行多个过程时必然有一定的顺序，顺序可以是先、后或同时（即并发），USe-CaSe对这些都没有描述。因此，USe-CaSe并不是对过程的完整描述。USe-CaSe主要用于指导软件开发，而用来和信息系统最终用户――管理者的交流却不够流畅，而ipo图则能够较好地解决上述问题。
何谓ipo图
附图是一个简单过程的图例。图中两端是描述输入、输出的图形，图中间是描述过程处理或活动的图形。位于图中间的矩形方框分为三部分，上部是过程的编号或名称，中部是过程处理或活动的描述，下部则是过程的执行者（可以是某个角色、个人或部门）。
过程的输入、输出通常称为过程数据。过程本身则称为过程体，有时也简称过程。对多个过程执行的先后顺序的描述则称为过程流。
另外，ipo图中一般还有用来描述输入、输出和过程流方向的箭头及配套的文字说明。
一个过程可以包含多个处理或活动，因此过程可以分解为多个较小的过程（子过程）。这些子过程有一定的执行顺序，对这种顺序的描述也称为过程流。通常，也将一组有一定执行顺序的过程称为流程。
ipo图也可以描述多个过程的输入、输出和过程流，此时，过程可以分为多个子过程，子过程仍然可能包含多个处理或活动，仍可以继续向下分解。反过来，子过程也可以向上聚集或简化，成为具有更多处理或活动的较大过程。
从上述定义可以看出，ipo图对过程的描述完整、清晰、简洁、准确。实际上，ipo图对过程的描述可简可繁、收放自如:既可以层层分解直到最底层，又可以聚集、简化直到最顶层。由于ipo图的这些特点，它在信息系统的需求分析中可以很好地发挥作用。
用ipo图进行
需求分析和设计
ipo图可以描述任何过程(流程)。在信息系统的需求分析中，我们可以使用ipo图作为建模工具，既用它描述业务过程也用它描述与之对应的信息处理过程。同样，在进行信息系统的总体设计（概要设计）时，我们仍然可以使用ipo图来描述信息系统应用软件的信息处理过程。于是，ipo图就成了信息系统中业务需求分析、软件需求分析和概要设计的统一建模工具。由于建模工具的统一，消除了业务需求分析与软件需求分析、分析与设计之间的鸿沟，使业务需求分析、软件需求分析和概要设计三个阶段平滑过渡。
建模工具的改变涉及到对信息系统分析思路的根本转变。以往的结构化方法使用数据流图作为需求分析的主要建模工具，是把分析的基点放在数据流。使用ipo图作为建模工具，则是将分析的基点放在过程:业务过程和与之对应的信息处理过程。
UmL的USe-CaSe就是把分析基点放在过程，但USe-CaSe对过程的描述不够完整、清晰，它只描述了过程体，而没有同时描述相应的过程数据和过程流，因而在和业务人员的交流中不够流畅，ipo图则能很好地克服这个缺点。另外，ipo图有效地突出了过程可以分解和聚集的特性，使之能够在系统构建时发挥更大的作用。
虽然数据是信息系统的基础和根本，但由于数据库的成熟和发展，把数据“流”作为信息系统需求分析的基点已经不合时宜。相反，随着信息系统不断扩大的趋势（比如全面信息化系统），把信息处理过程作为需求分析的单位和基点则更为有利。我们只需考虑过程内的数据输入输出和处理，过程之外只考虑其他过程与本过程之间的关联，从而使问题简化。
另外，每一个信息处理过程除了从外界获取和向外输出数据之外，主要是从数据库获取数据，并将所有经过处理的数据存入数据库。数据库成为数据流的集散地和数据管理的最好场所。不将数据流作为分析的基点，而是将数据流局限在信息处理过程之内、把过程作为系统分析的基点，将简化分析设计过程，有利于大型信息系统的分析与设计。
用ipo图来建模
ipo图所描述的信息处理过程包括了过程数据、过程体和过程流，正好与信息系统应用软件中的程序“模块”相对应。实际上，在信息系统中一个程序模块就是一个或一组信息处理过程。这样，信息系统分析设计的全过程，从业务过程（业务流程）到信息处理过程和程序模块都可以用ipo图来进行描述。
系统、子系统、模块之间也是一个向下分解和向上聚集的过程。系统、子系统和程序模块，只有大小和规模的差别，在本质上是相同的。所以，信息系统分析与设计全过程都可以使用ipo图作为建模工具。
为一个组织建立信息系统，首先要分析组织目标，进而确定应用系统的目标和范围。按照所确定的应用系统目标和范围对原有业务流程进行信息化优化和重构（BpR），然后进行应用系统的软件需求分析和设计。从对原有业务流程描述到信息化优化和重构（BpR）开始，就可以使用ipo图，直到软件需求分析和概要设计，包括模块设计和数据结构设计。整个过程是一个对ipo图不断细化、精化的多次迭代过程。
总体而言，使用ipo图为信息系统建模有以下优点:
1.图形和图例简单，易于绘制和学习;
2.由于对业务过程的描述完整、准确，ipo图和用户交流方便、自然、没有障碍;
3.层次分明，便于自顶向下细化、展开，也可以自底向上聚集、简化;
工程结构优化设计概述篇10
关键词：工程机械；结构设计；结构优化；有限元分析
工程机械是现代工程建设必不可少的一类器械，类型繁多，具有使用时间长、强度高等特点，工程机械精密度、自动化水平越来越高，结构复杂，设计难度大。传统的设计过程，以试验指导设计过程，设计费用高昂、结构设计优化目标不明确、设计实践效果差。有限元分析，极大的简化了设计步骤，缩短了设计周期，本次研究试对有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化进行概述。
1有限元法概述
有限元分析又称有限单元法，是一种解决场问题一系列偏微分方程的数学方法，被广泛用于解决结构强度、刚度、振动、传热、屈曲问题，在工程机械钢结构设计领域。美国福特过程在上世纪70年代，便应用有naStRan软件，对车底架进行静态分析，找出高应力区，进行设计改进。日本五十菱汽车在80年代末将有限元广泛应用于汽车设计的各个阶段。对于结构的优化，其最终目的在于解决钢结构安全性与经济性之间的平衡问题，传统的设计方法采用预先的概念设计，重复进行结构分析、设计演化、构件尺寸调整，工作量大，往往无法进行科学的计算，有限元法对钢结构优化设计，可对结构外部荷载进行预测计算，如结构响应不满足要求，或为了更理想的设计，可进行改进设计。
2工程机械钢结构静力学分析
2.1有限元法典型分析步骤
有限分析的主要步骤为结构离散化、选择位移插值函数、分析单元力学特性、计算等效节点载荷、整体分析、应用位移边界条件、求解结构平衡方程、计算单元应力。机械工程结构复杂，构件非常多，结构离散化将其分为有限个单元体，并设置节点，将节点连接起来，成为集合体，便代表整个机械结构（被设计结构）的整体设计目标。大型工程机械整体结构基本成熟，现有的结构设计基本上是对原有结构中的某个局部进行优化改进或替代设计。钢结构是连续的弹塑性体，故为了逼近连续的弹塑性统，需据计算精度、计算机性能，选择合适的单元数目、基本设计结构，以确定较优的网络划分方案。位移插值函数表现节点唯一中任一点位移、应变、应力，即位移函数。能源力学特性，一般采用弹性力学几何方程，采用节点位移表示单元应变。钢结构连续弹性经离散化后，考虑到力是从单元公共边界传递到另一个单元的，便需要将单元上的集中力、体积力以及作用在单元边界的表面力，移植到节点上，形成等效节点载荷。再次，进行整体分析，结合所有单元的刚度方程，建立结构平衡方程，形成总体刚度矩阵。再次，设计位移边界条件，求解结构方程，计算单元应力，最终求得整体应力。
2.2有限元法参数化分析技术
有限元的参数化分析是对结构参模型进行简化的一种方法，通过描述结构的尺寸特征，实现可变参数的有限元分析，目前普遍采用有限元分析软件进行参数化分析。第一步：①利用参数化实现，根据钢结构的结构抽象描述特征参数，在不影响精度情况下进行简化；②利用软件提供的编程软件，建立参数化有限元分析流程；③根据设计要求，将参数赋予特征值，进行有限元计算分析。第二步是参数化分析的核心，以变量形式定义特征参数，定义分析类型与过程，定义分析结构的提取与处理。以双梁式起重机主梁为例，其参数主要包括主梁长、主梁宽、主梁高、主梁端高，上面板宽、尺寸，下面板宽、隔板高、腹板厚、上面板厚、下面板厚、隔板厚、隔板位置等，分别设置为a1-n，单位为mm。采用SolidworksSDaapi程序，添加Sldworks2014typeLibrary、Sldworks2014Constanttypelibrary模块，进行相应的设计页面，设置参数，进行计算[1]。
3工程机械钢结构动力学分析
传统的机械结构设计阐述了静态载荷下强度、刚度分布，工程机械工作强度高，在工作状态下，钢材料受力学作用影响，会出现应力变化，受摩擦影响，还可出现升温，出现机械性能改变，弹性体振动等问题直接影响结构工作状态。故，需对机械钢结构进行动力学分析。以结构的振动特性为例，振动特性直接决定结构对各种动力载荷的响应，采用传统的解析法无法解出复杂结构的固有频率。机械结构可以视为多个自由度的振动系统，自振频率与振型取决于结构本身刚度、质量分布，对于工程机械结构而言，工作状态下，发动机工作振动特点、仪器操作者操控水平、工作面上自振动的人或物振动特点等都影响机械动态状态下载荷。许多机械工程钢结构设计者往往忽略了动力学分析，导致设计完成的构件在工作状态下载荷超出上限，直接影响构件寿命、工作状态，甚至造成事故[2]。
4小结
工程机械逐渐向智能化、系统化发展，构件越来越多，系统越来越复杂，同时工作工况恶劣，还可能存在操作不规范等原因，在进行钢结构设计时，需考虑的因素较多，采用有限元分析方法势在必行。设计者们应具有扎实的理论知识，并尽可能具有实践经验，以指导结构设计。
参考文献