现代设计方法简答题汇总

现代设计方法简答题

第一章 ................................................................................................................. 4 2、与文件系统相比，数据库系统的主要特征有哪些？ ............................... 4 CAD技术在机械工业中的应用主要有哪几方面？ ....................................... 4 特征造型是如何定义的？ ................................................................................. 4 三维实体模型的实现方法中，体素构造法（CSG）的基本思想是什么？需要存储的几何模型信息有哪些？ ..................................................................... 5 3. 简述三维实体模型的实现方法中的CSG方法和B-rep方法各自的基本思想。 ................................................................................................................. 5 4. 消隐算法中的基本测试方法有哪些？各适合哪些方面的测试？ ............ 5 5.在进行图形处理时，为什么要引入规格化设备坐标系？ .......................... 6 6.简述参数化绘图方法中的几何作图局部求解法的核心思想。 .................. 6 7. 说明直线段编码剪裁算法的思想和该算法的两个主要步骤。 ................ 6 8．试简述消隐处理中的Z向深度缓冲算法的基本原理． .......................... 7 说明消隐算法中的分段扫描线算法的原理 ..................................................... 7 什么叫事物物性表？其作用是什么？ ............................................................. 7 9.试简述编码剪裁（Cohen-Sutherland）算法的基本原理。....................... 8 10. 标准件特性文件中标准件图形是如何构成的？ ...................................... 8 12．在工程设计的CAD作业中，一般对以线图形式给出的系数或参数如何处理？ ............................................................................................................. 8 19.什么是数据模型？常用的数据模型有哪三种？ ........................................ 9 边界表示法的基本思想 ..................................................................................... 9 试写出从视区中一点V(xv,yv)到窗口中一点W(xw,yw)的变换公式及相应参数的意义。 ......................................................................................................... 9 在消隐处理中“面的可见性测试”适用何种情况的测试？说明其具体测试

方法。 ............................................................................................................... 10 采用最小二乘法进行多项式拟合时应注意哪些问题？（p65） ................. 10 说明实体几何模型有哪些主要应用。（p51） ............................................... 10 第二章 ............................................................................................................... 11 37．什么是库恩－塔克条件？其几何意义是什么？（P99）..................... 11 11.迭代法的基本思想是什么？常用的终止准则有哪些？ .......................... 11 13. Powell法在每一轮形成新的搜索方向时会存在何种问题导致不收敛？如何修正？ ....................................................................................................... 11 22．什么是约束条件？约束条件和可行域有何关系？ ............................... 12 5．常用的迭代终止准则有哪些？ ................................................................. 12 2．等值线有哪些特点？ ................................................................................. 12 18. 简述复合形法的优化过程的基本原理。 ................................................ 12 20．为什么选项用共轭方向作为搜索方向可以取得良好的效果？ ........... 13 梯度法的基本原理和特点是什么 ................................................................... 13 37.在内点罚函数法中，初始罚因子的大小对优化计算过程有何影响? .... 13 第三章 ............................................................................................................... 14 14. 简述有限元法的前处理主要包括哪些内容？ ........................................ 14 3．在有限元分析时,什么情况下适合选择一维、二维和三维单元? .......... 14 17. 单元刚度矩阵所具有的共同特性是什么？解释产生这些特性的力学上的原因。 ........................................................................................................... 14 23．在有限元分析时，何谓对称结构？一般如何处理？ ........................... 15 试述总体刚度矩阵的建立方法 ....................................................................... 15 38．在有限元分析中，对结构划分的单元数是否越多越好？为什么？ ... 15 38.简述在处理总体刚度矩阵时引入竖带矩阵的可能性与必要性。其带宽如何计算? ............................................................................................................. 15

第四章 ............................................................................................................... 16 4.可靠性与可靠度二者在概念上有何区别与联系? ...................................... 16 1、常用的可靠度分配方法有哪三种？各自的分配原则是什么？ ............. 16 15. 系统可靠性的大小主要取决哪些因素？ ................................................ 16 16. 简述可靠度分配中的等同分配法与加权分配法的主要区别。 ............ 16 简述可靠性设计传统设计方法的区别。 ....................................................... 17 21．什么是平均寿命与可靠寿命？平均寿命与可靠度之间有何关系？ ... 17 39.简述强度—应力干涉理论中“强度”和“应力”的含义，试举例说明之。 ........................................................................................................................... 17 38．什么是串联模型系统？若已知组成系统的n个零件中每个零件的可靠度为Ri(t)，如何计算串联系统的可靠度？................................................... 18 40．说明常规设计方法中采用平均安全数的局限性。 ............................... 18 什么是3σ法则？已知手册上给出的16Mn的抗拉强度为1100~1400MPa，试利用3σ法则确定该材料抗拉强度的均值和标准差。 ............................. 18

第一章

2、与文件系统相比，数据库系统的主要特征有哪些？ 答：1）实现了数据共享，减少了数据的冗余。 2）数据存储的结构化 3）增强了数据的独立性。 4）加强了对数据的保护。

（答错一个扣1分，答错两个扣3分，直到扣完为止） CAD技术在机械工业中的应用主要有哪几方面？ 答：CAD技术在机械工业中的主要应用有以下几方面： （1）二维绘图 （1分） （2）图形及符号库 （1分） （3）参数化设计 （1分） （4）三维造型 （1分） （5）工程分析 （1分） （6）设计文档和生产报表 （1分） 特征造型是如何定义的？

特征是指能反映零件特点的，可按一定原则分类的、具有相对独立意义的典型结构形状。（2分）

基于特征的造型称为特征造型。（1分）

基于特征的造型是把特征作为产品零件定义的基本单元，将产品描述为特征的集合，包括形状特征、精度特征、材料特征和其他工艺特征，从而为工艺设计和制造过程的各个环节提供充分的信息。 （3分）

三维实体模型的实现方法中，体素构造法（CSG）的基本思想是什么？需要存储的几何模型信息有哪些？

答：（1）体素构造法（CSG）的基本思想是：各种各样形状的几何形体都可以由若干个基本单元形体，经过有限次形状拼合运算构建得到。（3分） （2）需要存储的几何模型信息是：所有的基本形体的类型、参数和所采用的拼合运算过程。（3分）

3. 简述三维实体模型的实现方法中的CSG方法和B-rep方法各自的基本思想。

CSG方法的基本思想是：各种各样形状的几何形体都可以由若干个基本形体，经过有限次形状集合运算（又称拼合运算）构建得到。需要存储的几何模型信息是：所有的基本形体的类型、参数和所采用的拼合运算过程 （3分）

B - rep方法的基本思想：几何实体都是由若干边界外表面包容的，可以通过定义和全面存储这些边界外表面信息的方法建立实体几何模型。

4. 消隐算法中的基本测试方法有哪些？各适合哪些方面的测试？ 基本测试方法有：面的可见性测试、最大最小测试、包含性测试和深度测试。 （2分）

面的可见性测试适合于单凸物体的自隐藏面和自隐藏线的测试。 （1分）

最大最小测试用来检查两个多边形是否重叠。 （1分）

包含性测试用来检查一个给定的点是否位于给定的多边形内。 （1分） 深度测试是用来测定一个物体遮挡其它物体的基本方法。 （1分）

5.在进行图形处理时，为什么要引入规格化设备坐标系？

1）用于用户的图形是定义在世界坐标系里，而图形的输出是定义在设备坐标系里。不同的图形设备具有不同的设备坐标系且其工作范围也不相同。 （2）为了便于图形处理，有必要定义一个标准设备，引入与设备无关的规格化设备坐标系，采用一种无量纲的单位代替设备坐标，当输出图形时，再转化为具体的设备坐标。

（3）规格化设备坐标系的取值范围是左下角（0，0），右上角（1，1），其工作范围为0～1。

6.简述参数化绘图方法中的几何作图局部求解法的核心思想。 几何作图局部求解法的核心思想是：

在交互作图过程中随时标注每个新增加几何元素的自由度和所受的约束关系；

判断几何求解的局部条件是否充分，通过遍历检测，依次解出条件成熟的元素参数；

当图形的尺寸标注完整时，用批处理程序经过多遍扫描，解出绘图需要的所有未知数。

7. 说明直线段编码剪裁算法的思想和该算法的两个主要步骤。

直线段编码剪裁算法的思想：每一线段或者整个位于窗口内，或者能够被窗口分割而使其中的一部分能很快地被舍弃。 （2分） 两个主要步骤：

第一步先确定一条线段是否整个位于窗口内，若不是，则确定该线段是否整个位于窗口，外，若是，则舍弃； （2分）

第二步，若第一步的判断都不成立，那么就通过窗口边界所在的直线将线段分成两部分，再对每一部分进行第一步的测试。 （2分）

8．试简述消隐处理中的Z向深度缓冲算法的基本原理．

该算法采用帧缓冲区存放像素值,采用一个与屏幕对应的深度信息缓冲存储器(简答Z缓冲区),记录像素所显示的空间点的Z坐标(即深度值) 2分 对景物中的每个多边形找到当多边形投影到屏幕时位于多边形内或边界上的所有像素点．对每一个像素,在(x,y)处计算多边形的深度Z,并与Z缓冲区的对应值,同时将(x,y)处的多边开的明暗写入帧缓冲区中对应于该屏幕代表的单元中．3分

当所有边多形处理完毕后在帧缓冲区中保留的就是已经消隐过的最终结果．1分

说明消隐算法中的分段扫描线算法的原理

答：分段扫描线算法的原理为：扫描线算法通过计算每一行扫描线与各物体在屏幕上投影之间的关系来确定该行的有关显示信息。（2分） 每条扫描线被各多边形边界在xy平面上的投影分割成若干段，在每段中最多只有一个多边形是可见的。（2分）

只要在段内任一点处，找出在该处Z值最大的一个多边形 ，这个段上的每个像素点就用这个多边形的颜色来填充。（2分）

什么叫事物物性表？其作用是什么？

答：事物物性表是一种组合排列对象的事物和关系特性的表格。（2分） 事物物性表的作用是：

可用于概括地描述、限制和选择标准的、非标准的，物质的和非物质的以及相互近似的事物对象。（2分）

将其用于CAD中，可规范化的支持CAD数据的归档、存储和交换。（2

分）

9.试简述编码剪裁（Cohen-Sutherland）算法的基本原理。

答：将窗口的四个边界向两边延伸，把平面分成9个区域；每个区域用四位二进制码表示；

线段的端点落在哪个区域则该端点的编码就与该区的编码相同；（1分） 如果线段两端点的编码都为“0000”，则线段位于窗口内；如果线段两端点编码的位逻辑乘不为“0000”，则线段位于窗口外；（2分）

如果线段不能用上述方法测试决定，则将线段分割，然后用上述方法判断。（1分）

10. 标准件特性文件中标准件图形是如何构成的？

答：标准件的图形构成可以分为四个层次：A类构件、B类构件、K类整件、G类组件。（2分）

A类构件是最基本的通用几何元素。 （1分） B类构件是专用于某一图形文件的通用元素。 （1分）

K类整件是由一个或若干个A类构件或B类构件组成，用以描述一个完整的零件。（1分）

G类组件是由几个整件和必要的A.B构件组成．， （1分）

12．在工程设计的CAD作业中，一般对以线图形式给出的系数或参数如何处理？

答：在工程设计的CAD作业中，对以线图形式给出的系数或参数和处理方法有以下几种：

（1）如果能找到线图原来的公式，则找到原公式将公式编入程序。（2分） （2）将线图离散化为数表，再用表格的处理方法加以处理。（2分）

（3）用曲线拟合的方法求出线图的经验公式，再将公式编入程序。（2分）

19.什么是数据模型？常用的数据模型有哪三种？

数据模型是指数据库内部数据的组织方式，它描述了数据之间的各种联系，也是数据的高度结构化的表现。（3分）

常用的数据模型有三种：层次型、网络型和关系型。

（1）层次型：指记录间是树型的组织结构，体现了记录间的“一对多”的关系。（1分）

（2）网络型：指事物之间为网络的组织结构，它体现了事物间的“多对多”的关系。

（3）关系型：它是以集合论中的“关系”的概念为理论基础，把信息集合定义为一张二维表的组织结构。（1分）

边界表示法的基本思想

边界表示法的基本思想是：几何实体都是由若干边界外表面包容而成的，可以通过定义和全面储存这些边界外表面信息的方法建立实体几何模型。（3分）

B-rep法将实体外表面几何形状信息数据分为两类：

几何信息数据：各外表面顶点坐标值和描述各外表面数学方程式的系数值。 拓扑信息数据：各外表面的组成及其相互位置关系。（3分）

试写出从视区中一点V(xv,yv)到窗口中一点W(xw,yw)的变换公式及相应参数的意义。 变换公式是：Xw?Xv?Vx1Vxr?Vx1(Wxr?Wxl)?Wx1,Yw?Yv?VybVyt?Vyb(Wyt?Wyb)?Wyb

其中Xw,Yw—窗口坐标； Xv,Yv—视窗坐标

Wxl,Wxr—窗口X坐标最左和最右位置； Wyb,Wyt—窗口Y坐标最下(低)和最上(高)位置； Vxl,Vxr—视窗X坐标最左和最右位置； Vyb,Vyt—视窗Y坐标最下(低)和最上(高)位置。

在消隐处理中“面的可见性测试”适用何种情况的测试？说明其具体测试方法。

答：“面的可见性测试”适用于单凸物体的自隐藏线和自隐藏面的消隐测试。（2分）

“面的可见性测试”也称为法线方向测试。它利用面的法线矢量和视线矢量之间夹角的大小判别面的可见性。（1分）

欲判别某个面的可见性，则先做该面的法线，法线矢量垂直于物体表面且指向物体的外部为正方形；再从观察者的视点处向该面引视线矢量，视线矢量从视点指向物体方向为正方向；（1分）然后计算法线矢量和视线矢量的夹角，夹角大于90度，面可见，夹角小于90度，面不可见。（2分） 采用最小二乘法进行多项式拟合时应注意哪些问题？（p65） 答：采用最小二乘法的多项式拟合时，要注意以下问题：

（1） 多项式的幂次不能太高，一般小于7，可先用较低的幂次，如误差

较大则再提高。

（2） 一组数据或一条线图有时不能用一个多项式表示其全部，此时应分

段处理，分段大都发生在拐点或转折之处。此外，如欲提高某区间的拟合精度，则应在该区间上采集更多的点。 说明实体几何模型有哪些主要应用。（p51）

答：实体几何模型支持绘制真实感强和消去隐藏线的透视图和渲染图；自动计算生成剖视图；自动进行物性计算；可将有关零部件组装在一起，动

态显示其运动状态，并检查空间能否发生干涉；支持三维有限元网格自动剖分等。 第二章

37．什么是库恩－塔克条件？其几何意义是什么？（P99）

库恩－塔克条件：一个约束的极值点存在的必要条件为：目标函数梯度

?F(X)可表示成诸约束面梯度?gi(X)线性组合的负值，即?F(X)?????gii?1qi(X)

其几何意义为：起作用约束的梯度矢量，在设计空间构成一个锥体，目标函数的负梯度应包含在此锥体内

11.迭代法的基本思想是什么？常用的终止准则有哪些？

（1）迭代法的基本思想是“步步逼近”，最后达到目标函数的最优点。（1分）

首先选择一个尽可能接近极值点的初始点，从初始点出发，按照一定的原则寻找可行方向和初始步长，向前跨出一步，得到新点，再把新点作为初始点重复进行。每次迭代都必须使目标函数值向最优值靠近。（2分） （2）常用的终止规则有

(a)用相邻两点的矢量差的模作为终止迭代规则。x(k?1)?x(k)?ε。（1分）

(b)用两次迭代的目标函数值之差作为终止迭代规则。

F(k?1)?F(k)?ε或F(k?1)?F(k)(k)F?ε。（1分）

(k?1)(c)用梯度的模作为终止迭代规则。?F?ε。（1分）

13. Powell法在每一轮形成新的搜索方向时会存在何种问题导致不收敛？

如何修正？

Powell法在每一轮形成新的搜索方向替换原来矢量组中的第一个方向形成新的搜索方向组，可能存在新的方向组线性相关的情况，从而导致算法不

收敛的问题。 （3分） 修正方法：

选代过程中，形成一个新的方向后，先判别一下新方向是否有效，如果有效则替换原来的搜索方向组中的第一个搜索方向，否则，不替换，仍然按原来的方向组搜索。 （3分）

22．什么是约束条件？约束条件和可行域有何关系？

设计变量的取值范围有限制或必须满足一定的条件，对设计变量取值的限制称为约不条件。

不等式约束条件将设计空间划分为可行域和非可行域，设计方案只能在可行域内选取。

等式约束条件只允许设计方案在可行域的等式约束线（或面）上选取。 5．常用的迭代终止准则有哪些？

1、点距准则；2、值差准则；3、梯度准则 2．等值线有哪些特点？

不同值的等值线不相交；除极值点外，等值线在设计空间内不会中断；等值线反映了目标函数的变化规律，愈内层的等值线，其函数值愈小，其中心点为极值点；等值线间隔越密，表示该处函数变化率越大；极值点附近的等值线近似椭圆族，极值点为中心点。 18. 简述复合形法的优化过程的基本原理。 复合形法的优化过程为：

在可行域内选择是个设计点，作为初始复合形的顶点，构造一个多面体； （2分）

一然后对多面体各顶点的函数值逐个进行比较，目标函数最大的为坏点，按照一定规则去掉坏点而代以新点，构成一个新的多面体； （2分）

依次步骤进行多次，使复合形的位置逐步调向邻近最优点，最后以顶点中目标函数值最小的点，作为近似最优点而得到解。 （2分） 20．为什么选项用共轭方向作为搜索方向可以取得良好的效果？ ．选用共轭方向作为搜索方向可以取得良好的效果，主要是由共轭方向的性质所决定。（2分）

共轭方向的性质为: 对于n维正定二次型函数，从任意初始点出发，依次沿着与矩阵A为共轭的n个线性无关的方向进行一维搜索，则能在第n或第n步以前达到极小点。（4分）

梯度法的基本原理和特点是什么

答：梯度法的基本原理：梯度法又称最速下降法，基本原理是在迭代点附近采用使目标函数值下降最快的负梯度方向作为搜索方向，求目标函数的极小值。（3分）

梯度法的特点：迭代计算简单，只需求一阶偏导数，所占用存储单元少，对初始点要求不高，在接近极小点位置时收敛速度很慢。 （3分）

37.在内点罚函数法中，初始罚因子的大小对优化计算过程有何影响? 在内点罚函数法，若初始罚因子选得过小，则迭代点有跑出可行域的危险，使优化过程失败；

若初始罚因子选得过大，则导致前几次的迭代点远离约束边界，使计算效率降低。

第三章

14. 简述有限元法的前处理主要包括哪些内容？ 有限元法的前处理主要包括： (1)单元的自动分割生成网格 (2)节点的自动优化编码

(3)使用图形系统显示单元分割情况 (4)带宽优化 (5)节点坐标的确定 (6)检查单元分割的合理性 (7)局部网格的自适应加密 (8)有限元模型的尺寸优化

3．在有限元分析时,什么情况下适合选择一维、二维和三维单元? 答：（1）当几何形状、材料性质及其它参数能用一个坐标描述时，选用一维单元；（2分）

（2）当几何形状、材料性质及其它参数需要用两个相互独立的坐标描述，选用二维单元；（2分）

（3）当几何形状、材料性质及其它参数需要用三个相互独立的坐标描述，选用三维单元。（2分）

17. 单元刚度矩阵所具有的共同特性是什么？解释产生这些特性的力学上的原因。

单元刚度矩阵和总体刚度矩阵所具有的共同特性：对称性和奇异性 具有对称性是因为材料力学中的位移互等定理：对于一个构件，作用在点j的力引起i点的挠度等于同样大小的力作用在i点而引起j点的挠度。 具有奇异性是因为单元或结构在没有约束之前，除本身产生弹性变形外，

还可以做任意的刚体位移。

23．在有限元分析时，何谓对称结构？一般如何处理？

当结构的几何形状、尺寸、载荷和约束条件对称于某一平面（对平面问题对称于某一直线），其结构内部的应力及位移也对称于该平面（线），这类结构称为对称结构。（3分） 对于对称结构一般按如下方法处理：

当对称结构只有一个对称平面（线）时，只研究它的一半。若对称结构有两个相互垂直的对称平面（线）时，则只研究它的四分之一。（3分） 试述总体刚度矩阵的建立方法 求总体刚度矩阵的两种主要方法：

直接根据总体刚度系数的定义分别求出它们，从而写出总体刚度矩阵，概念清晰，但是在分析复杂结构时运算极其复杂。 （3分）

分别先求出各单元的刚度矩阵，然后根据叠加原理，利用集成的方法，求出总体刚度矩阵，从单元刚度矩阵出发，单元刚度矩阵求法统一，简单明了，但总体刚度矩阵需要集成。 （3分）

38．在有限元分析中，对结构划分的单元数是否越多越好？为什么？ 答：不是。

单元的数量取决于要求的精度、单元的尺寸和自由度数。

虽然一般单元的数量越多精度越高，但也有一个界限，超过这个值，精度的提高就不明显。

38.简述在处理总体刚度矩阵时引入竖带矩阵的可能性与必要性。其带宽如何计算?

可能性：稀疏性及带宽性

必然性：减少内存

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