机械工程设计分析和MATLAB应用

出版说明
前言
第1篇 MATLAB基础和科学计算
第1章 MATLAB操作基础 2
1.1 MATLAB概述 2
1.1.1 MATLAB的主要模块 2
1.1.2 MATLAB的主要特点 3
1.2 MATLAB的系统界面和菜单功能 4
1.2.1 MATLAB系统界面 4
1.2.2 主窗口的菜单功能 6
1.3 运算符和标点符 7
1.3.1 运算符 7
1.3.2 标点符 10
1.4 数据类型 10
1.4.1 数值量 10
1.4.2 字符量 11
1.4.3 变量 12
1.5 基本数学函数 13
1.5.1 三角函数 13
1.5.2 指数和对数函数 14
1.5.3 取整和取余函数 14
1.5.4 通用数学分析函数 15
第2章 矩阵和数组及其运算 17
2.1 矩阵的建立及变换 17
2.1.1 矩阵的建立 17
2.1.2 矩阵的转置和变换 19
2.2 矩阵元素和子矩阵的提取 20
2.2.1 矩阵元素的提取 20
2.2.2 子矩阵的提取 22
2.3 矩阵的运算 23
2.3.1 矩阵的加法和减法 23
2.3.2 矩阵的乘法 24
2.3.3 矩阵的求逆 25
2.3.4 向量的范数和矩阵行列式的值 25
2.3.5 矩阵的除法 26
2.4 数组的运算 28
2.4.1 数组的加法和减法 28
2.4.2 数组的乘法 28
2.4.3 数组的除法 29
2.4.4 数组的乘方 29
第3章 符号运算基础 30
3.1 建立符号对象 30
3.1.1 建立符号量 30
3.1.2 建立符号表达式 31
3.1.3 符号表达式中变量的确定 31
3.2 符号表达式的基本运算 31
3.2.1 符号表达式的四则运算 31
3.2.2 符号表达式分子和分母的提取 32
3.2.3 符号表达式的处理 33
3.3 符号函数的复合函数和反函数 34
3.3.1 符号函数的复合函数 34
3.3.2 符号函数的反函数 35
3.4 符号表达式与数值表达式之间的转换和运算精度控制 36
3.4.1 符号表达式与数值表达式之间的转换 36
3.4.2 符号和数值运算精度控制 37
第4章 M文件和流程控制结构 38
4.1 M文件的分类 38
4.1.1 命令文件 38
4.1.2 函数文件 39
4.2 流程控制结构 41
4.2.1 顺序结构 41
4.2.2 循环结构 42
4.2.3 选择结构 45
第5章 数据可视化 48
5.1 绘制二维曲线 48
5.2 图形格式设定和修饰 49
5.2.1 设置图形窗口 49
5.2.2 系统坐标控制 49
5.2.3 标注图形 49
5.2.4 特殊符号的标注 50
5.3 在极坐标系中绘制曲线 51
5.4 符号函数绘图 52
5.5 填充图形 54
5.6 绘制三维图形 55
5.6.1 绘制三维曲线 55
5.6.2 绘制三维曲面 56
第6章 多项式运算和数据插值 61
6.1 多项式运算 61
6.1.1 符号多项式的生成 61
6.1.2 求多项式的值和根 61
6.1.3 多项式的乘法和除法运算 62
6.1.4 多项式的导数和积分 63
6.2 数据插值 64
6.2.1 一维数据插值 64
6.2.2 二维数据插值 67
第7章 函数的导数和积分 70
7.1 函数的导数 70
7.1.1 函数导数的解析解 70
7.1.2 二维函数和参数方程的偏导数 71
7.1.3 n维函数的偏导数 73
7.1.4 数值微分 75
7.1.5 函数的梯度和梯度的模 76
7.2 函数的积分 77
7.2.1 不定积分的解析解 78
7.2.2 定积分 78
7.2.3 数值积分 79
7.2.4 函数的重积分 81
第8章 代数方程和常微分方程求解 83
8.1 代数方程求解 83
8.1.1 代数方程图解法 83
8.1.2 代数方程的解析解 84
8.1.3 线性方程组的数值解 85
8.1.4 非线性方程的数值解 86
8.2 常微分方程求解 88
8.2.1 常微分方程的解析解 88
8.2.2 常微分方程的数值解 90
8.2.3 高阶微分方程的降阶求解 91
8.2.4 刚性微分方程的数值解 93
8.2.5 微分代数方程的数值解 95
第9章 最优化问题和遗传算法 97
9.1 MATLAB优化工具箱的应用 98
9.1.1 线性规划问题 98
9.1.2 二次规划问题 100
9.1.3 无约束非线性规划问题 102
9.1.4 约束非线性规划问题 107
9.1.5 多目标规划问题 110
9.2 遗传算法 112
9.2.1 遗传优化算法函数 113
9.2.2 无约束优化的遗传算法 114
9.2.3 约束优化的遗传算法 120
第2篇 机械工程设计分析应用
第10章 连杆机构的运动设计和运动分析 128
10.1 连杆机构的运动设计 128
10.1.1 给定极限位置和最小传动角的设计问题 128
10.1.2 给定连架杆对应位置的设计问题 130
10.2 连杆机构实现预定函数和轨迹的优化设计 133
10.2.1 实现预定函数的优化设计 133
10.2.2 实现连杆轨迹的优化设计 138
10.3 铰链四杆机构的运动分析 143
10.3.1 机构运动分析的数学模型和求解方法 144
10.3.2 机构运动方程的求解方法 145
10.3.3 机构运动误差分析 145
10.4 转动导杆机构的运动分析 150
10.4.1 机构从动件的角位移和角速度 151
10.4.2 机构的压力角和传动比 152
10.4.3 计算实例的M文件和运算结果 153
10.5 曲柄滑块机构的运动精度综合 155
10.5.1 机构的尺度参数和运动参数分析 156
10.5.2 曲柄滑块机构等影响法精度综合 157
10.5.3 计算实例和M文件 158
第11章 间歇运动机构和轮系的运动分析 165
11.1 槽轮机构的运动分析 165
11.1.1 槽轮机构的运动方程 166
11.1.2 槽轮的运动参数 166
11.1.3 计算实例的M文件和运算结果 166
11.2 针轮机构的设计计算和运动分析 174
11.2.1 针轮机构的设计计算 175
11.2.2 针轮机构的运动分析 177
11.2.3 M文件和计算结果 179
11.3 面粉搅拌机工作头旋轮轨迹分析和仿真 182
11.3.1 搅拌机的传动系统 183
11.3.2 内外啮合锥齿轮行星传动的运动分析 183
11.3.3 行星机构运动模拟分析的M文件和运算结果 185
第12章 凸轮机构运动分析和设计计算 191
12.1 对心直动凸轮机构压力角的计算 191
12.1.1 凸轮机构压力角的图解 192
12.1.2 凸轮机构压力角的计算 193
12.1.3 计算实例M文件和运算结果 194
12.2 盘形凸轮机构的设计计算和运动分析 196
12.2.1 盘形凸轮设计和运动分析的步骤和数学模型 196
12.2.2 盘形凸轮设计计算实例和CAD基本方法 197
12.2.3 编制M文件的基本方法和运算结果 198
12.3 共轭平面分度凸轮机构的设计计算 207
12.3.1 共轭平面分度凸轮机构主要运动参数分析 207
12.3.2 共轭平面分度凸轮机构主要几何尺寸计算 210
12.3.3 共轭平面分度凸轮轮廓直角坐标计算 213
12.3.4 共轭平面分度凸轮机构工作情况分析 215
12.3.5 设计计算实例、M文件和运算结果 215
12.4 圆柱分度凸轮机构设计和运动分析 226
12.4.1 圆柱分度凸轮机构的主要运动参数分析 227
12.4.2 圆柱分度凸轮机构主要几何尺寸计算 230
12.4.3 圆柱分度凸轮工作轮廓计算 231
12.4.4 圆柱分度凸轮机构的结构设计要点 232
12.4.5 M文件和计算结果 232
第13章 挠性传动设计计算 246
13.1 V带传动的多目标优化设计 246
13.1.1 V带传动多目标优化设计数学模型 246
13.1.2 M文件和运算结果 248
13.1.3 使用最大最小化函数求解多目标优化问题的讨论 251
13.2 同步带传动的设计计算 252
13.2.1 同步带传动设计计算步骤和内容 253
13.2.2 M文件和运算结果 257
13.3 滚子链传动的优化设计 260
13.3.1 滚子链传动设计计算的有关公式和曲线拟合 261
13.3.2 滚子链传动优化设计实例 261
13.3.3 M文件与计算结果 263
第14章 齿轮、蜗杆和螺旋传动的设计计算 268
14.1 齿轮传动参数测定和公法线公差计算 268
14.1.1 变位齿轮传动参数的测定和计算 268
14.1.2 斜齿圆柱齿轮公法线长度及其偏差的计算 273
14.2 圆柱齿轮传动的设计计算 274
14.2.1 齿轮传动设计计算的简化方法 275
14.2.2 M文件基本流程和主要处理方法 276
14.2.3 设计计算实例的M文件和运算结果 277
14.3 齿轮传动的几何规划 284
14.3.1 构造几何规划的数学模型 284
14.3.2 几何规划算法分析 285
14.3.3 几何规划实例 286
14.3.4 M文件和运算结果 288
14.4 两级圆柱齿轮减速器优化设计 292
14.4.1 两级圆柱齿轮传动的设计理论 292
14.4.2 优化设计实例和数学模型 293
14.4.3 M文件和运算结果 295
14.5 锥齿轮传动优化设计的遗传算法 298
14.5.1 锥齿轮传动优化设计的数学模型 298
14.5.2 采用惩罚函数法构造适应度函数 301
14.5.3 遗传算法的M文件和运算结果分析 301
14.6 圆柱蜗杆传动的优化设计 305
14.6.1 建立优化设计的数学模型 306
14.6.2 设计实例M文件和计算结果 308
14.7 螺旋传动的设计计算 312
14.7.1 螺旋传动设计计算主要内容 313
14.7.2 螺旋起重器设计计算实例 316
14.7.3 M文件和运算结果 317
第15章 轴系设计计算和分析 322
15.1 轴系部件设计计算 322
15.1.1 机械传动装置的运动和动力参数计算 322
15.1.2 V带传动设计计算 324
15.1.3 圆柱齿轮传动设计计算 326
15.1.4 轴的设计计算 328
15.1.5 滚动轴承的寿命计算 331
15.1.6 平键连接选用计算 334
15.1.7 M文件和运算结果 334
15.2 机床主轴优化设计 350
15.2.1 建立优化设计数学模型 350
15.2.2 计算实例和M文件 351
15.3 主轴支承静不定结构的计算 353
15.3.1 主轴支承静不定结构分析 354
15.3.2 轴承径向反力位置—载荷关系曲线的分段拟合 355
15.3.3 建立主轴力矩平衡方程 356
15.3.4 计算主轴前支承的径向反力 357
15.3.5 计算流程图 357
15.3.6 计算实例和M文件 358
15.4 转轴的可靠性分析与设计 363
15.4.1 机械零件的可靠度计算 363
15.4.2 转轴的可靠性设计 364
15.4.3 M文件和运算结果 367
第16章 机械连接设计计算 373
16.1 螺栓联接选用计算 373
16.1.1 受轴向静载荷的螺栓联接计算 373
16.1.2 受轴向变载荷的螺栓联接计算 374
16.1.3 M文件和运算结果 376
16.2 螺栓组联接的优化设计 378
16.2.1 螺栓单价与直径的关系 378
16.2.2 计算实例与数学模型 378
16.2.3 M文件和计算结果 380
16.3 圆柱螺旋弹簧的设计计算 382
16.3.1 圆柱螺旋弹簧设计计算原理 382
16.3.2 计算实例和M文件 383
第17章 优化设计分析和曲线拟合 389
17.1 优化设计模型的几何描述 389
17.1.1 设计空间的几何描述方法 389
17.1.2 应用实例M文件和描述图形 390
17.2 人字架结构尺寸的优化设计 397
17.2.1 人字架的力学分析和优化设计数学模型 398
17.2.2 M文件和运算结果 399
17.2.3 优化问题的几何描述 402
17.3 梯形截面管道结构尺寸的优化设计 403
17.3.1 计算实例和优化设计数学模型 403
17.3.2 无约束非线性优化函数的运用 404
17.3.3 M文件运算结果分析和几何描述 404
17.4 多目标优化问题的理想有效解 407
17.4.1 多目标优化的策略 407
17.4.2 计算实例和优化设计数学模型 408
17.4.3 M文件的主要特点 409
17.4.4 运算结果分析 412
17.5 无心磨削工艺参数的优化 413
17.5.1 无心磨削工艺参数分析 413
17.5.2 建立工艺参数优化的数学模型 414
17.5.3 M文件和运算结果 416
17.5.4 优化结果的分析和处理 420
17.6 曲线拟合和多项式拟合 420
17.6.1 直线拟合 420
17.6.2 曲线拟合 422
17.6.3 多项式拟合 423
17.6.4 计算实例和M文件 424
参考文献 435