機械工程設計分析和MATLAB應用

本書可作為工科院校制造類專業(yè)相關課程的教學用書，也可作為工程技術人員利用計算機數(shù)學方法分析和求解工程問題的參考書。

出版說明

前言

第1篇MATLAB工程應用基礎

一、MATLAB的主要特點

二、MATLAB的系統(tǒng)界面和菜單功能

三、運算符、標點符和數(shù)據(jù)類型

四、基本數(shù)學函數(shù)

五、矩陣及其運算

六、數(shù)組的運算

七、數(shù)據(jù)的輸入與輸出

八、M文件

九、流程控制結構

十、圖形功能

十一、多項式運算

十二、數(shù)據(jù)插值

十三、函數(shù)的導數(shù)和積分

十四、求解方程和方程組

十五、最優(yōu)化方法

第2篇MATLAB工程應用實例

實例l連桿機構的運動設計

一、給定連桿機構極限位置和最小傳動角的設計問題

二、給定連桿機構連架桿對應位置的設計問題

三、優(yōu)化設計問題

實例2連桿機構的運動分析

一、機構運動分析的數(shù)學模型和求解方法

二、運動誤差分析

三、計算實例的M文件和運算結果

實例3連桿機構的運動精度綜合

一、滑塊的運動參數(shù)及其均值

二、滑塊運動參數(shù)的標準離差

三、滑塊運動參數(shù)的偏差及其最大值和最小值

四、曲柄滑塊機構等影響法精度綜合

五、計算實例

六、M文件和運算結果

實例4槽輪機構的運動分析

一、槽輪機構的運動方程

二、槽輪的運動參數(shù)

三、計算實例

四、M文件和運算結果

實例5對心直動凸輪機構壓力角的計算

一、凸輪機構壓力角的圖解

二、凸輪機構壓力角的計算

三、計算實例

四、M文件和運算結果

實例6凸輪輪廓的設計計算與繪圖

一、基本流程和數(shù)學模型

二、編制M文件使用主要函數(shù)和命令的說明

三、M文件和運行結果

實例7共軛平面分度凸輪機構設計

一、機構主要運動參數(shù)分析

二、凸輪機構主要幾何尺寸計算

三、凸輪輪廓直角坐標值計算

四、凸輪機構工作情況分析

無、設計計算實例、M文件和運算結果

實例8攪拌機工作頭旋輪軌跡分析和仿真

一、攪拌機的傳動系統(tǒng)

二、內外嚙合圓錐齒輪行星傳動的運動分析

三、運動模擬分析的M文件和運算結果

實例9V帶傳動多目標優(yōu)化設計

一、V帶傳動多目標優(yōu)化設計數(shù)學模型

二、M文件和運算結果

三、使用最大最小化函數(shù)fminimax求解多目標優(yōu)化問題的討論

實例10齒輪傳動的設計計算

一、齒輪傳動設計計算的簡化方法

二、M文件基本流程和主要處理方法

三、M文件和運算結果

實例11齒輪傳動參數(shù)測定和公法線公差計算

一、變位齒輪傳動參數(shù)的測定和計算

二、斜齒圓柱齒輪公法線長度及其偏差的計算

實例12軸系設計計算

一、齒輪傳動設計

二、轉軸的設計計算

三、圓錐滾子軸承的壽命計算

四、角接觸球軸承的壽命計算

五、深溝球軸承的壽命計算

六、M文件和運算結果

實例13主軸支承靜不定結構的計算

實例14機械的可靠性分析與設計

實例15優(yōu)化設計模型的幾何描述

實例16人字架結構尺寸的優(yōu)化設計

實例17優(yōu)化設計的分析與計算

實例18多目標優(yōu)化問題的理想有效解

實例19無心磨削工藝參數(shù)的優(yōu)化

實例20曲線擬合和多項式擬臺

參考文獻

……

由郭仁生編寫的《機械工程設計分析和MATLAB應用》一書共分兩篇。第1篇介紹MATLAB的功能特點、常用函數(shù)和計算方法、圖形表達、M文件編制等工程應用基礎知識;第2篇介紹機械工程領域的機構運動分析和設計、機械零部件設計、機械可靠性設計、機械優(yōu)化分析和計算、機械制造工藝參數(shù)優(yōu)化、實驗數(shù)據(jù)的曲線擬合和多項式擬合等方面的多個實例，并通過建立數(shù)學模型，利用功能強大的MATLAB科學計算工具編制M文件，運用計算機數(shù)學方法進行分析研究和設計計算。

MATLAB 產(chǎn)品族可以用來進行以下各種工作:

●數(shù)值分析

●數(shù)值和符號計算

●工程與科學繪圖

●控制系統(tǒng)的設計與仿真

●數(shù)字圖像處理技術

●數(shù)字信號處理技術

●通訊系統(tǒng)設計與仿真

●財務與金融工程

●管理與調度優(yōu)化計算(運籌學)

MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱(單獨提供的專用MATLAB函數(shù)集)擴展了MATLAB 環(huán)境，以解決這些應用領域內特定類型的問題。

常用工具箱

MATLAB包括擁有數(shù)百個內部函數(shù)的主包和三十幾種工具包。工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。

開放性使MATLAB廣受用戶歡迎。除內部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構造新的專用工具包。

整數(shù)

fix(x):無論正負，舍去小數(shù)至相鄰整數(shù)

floor(x):下取整，即舍去正小數(shù)至相鄰整數(shù)

ceil(x):上取整，即加入正小數(shù)至相鄰整數(shù)

rat(x):將實數(shù)x化為多項分數(shù)展開

rats(x):將實數(shù)x化為分數(shù)表示

sign(x):符號函數(shù)(Signum function)。

當x<0時，sign(x)=-1

當x=0時，sign(x)=0;

當x>0時，sign(x)=1。

rem(x,y):求x除以y的余數(shù)

gcd(x,y):整數(shù)x和y的最大公因數(shù)

lcm(x,y):整數(shù)x和y的最小公倍數(shù)

exp(x) :自然指數(shù)

pow2(x):2的指數(shù)

log(x):以e為底的對數(shù)，即自然對數(shù)或

log2(x):以2為底的對數(shù)

log10(x):以10為底的對數(shù)

MATLAB基本繪圖函數(shù)

plot: x軸和y軸均為線性刻度(Linear scale)

loglog: x軸和y軸均為對數(shù)刻度(Logarithmic scale)

semilogx: x軸為對數(shù)刻度，y軸為線性刻度

semilogy: x軸為線性刻度，y軸為對數(shù)刻度

plot繪圖函數(shù)的參數(shù)

字元顏色 字元圖線型態(tài)

y 黃色. 點

k 黑色o 圓

w 白色x x

b 藍色+ +

g 綠色* *

r 紅色

- 實線

c 亮青色

: 點線

m 錳紫色

-. 點虛線

-- 虛線

MATLAB中有趣的演示實例

MATLAB中也同樣有許多有意思的實例，為提高讀者對MATLAB和Simulink的興趣，特舉部分以供參考。具體如下，運行的時候只要將":"前面的代碼復制到MATLAB中就可以了，隨之會出現(xiàn)各種各樣的演示實例，對初學者幫助不小哦。

◆平面與立體繪圖

graf2d :XY平面繪圖(火柴棒)

graf2d2 :XYZ立體繪圖(切片)

hndlgraf :平面顯示線型處理窗口及命令演示

hndlaxis :平面顯示處理窗口及命令演示

graf3d :立體顯示處理窗口及命令演示

◆ 復雜函數(shù)的三維繪圖

cplxdemo :復雜的XYZ立體圖形

◆ 等高線繪制

quivdemo :等高線箭頭顯示

◆ 動畫

lorenz :Lorenz吸引子動畫顯示

◆電影

vibes :L-形薄膜振動

◆Fourier變換

sshow sunspots :太陽黑點數(shù)據(jù)的傅里葉分析

fftdemo :分析噪聲序列中兩組數(shù)據(jù)的相關度

◆數(shù)據(jù)擬合

sshow fitdemo :顯示非線性數(shù)據(jù)擬合過程

census :預測世界人口

spline2d :樣條擬合

◆稀疏矩陣

sshow sparsity :降階

◆ 游戲

xpbombs :仿Windows系統(tǒng)自帶的掃雷游戲

life :生命發(fā)展游戲

◆ 三維效果圖

klein1 :膚色三維效果圖

tori4 :四個首尾相接的圓環(huán)

spharm2 :球形和聲

cruller :類似油餅的東西

xpklein :Klein瓶 bottle

modes :L-形薄膜的12中模態(tài)

logo :MATLAB的Logo

xpquad :不同比例的巴爾體超四方體

truss :二維桁架的12個模模態(tài)

travel :旅行商問題動畫演示

wrldtrv :在地球儀上演示兩地間的飛行線路

makevase :通過點擊鼠標來制作花瓶

xpsound :聲音樣本分析

funfuns :綜合了找零點，最小化和單輸入函數(shù)積分功能

sshow e2pi :e^pi或者pi^e

quake :地震波可視化

penny :便士可視化

imageext :改變圖像的映射顏色

earthmap :地球儀

◆ 優(yōu)化工具箱

bandem :香蕉最優(yōu)化展示expo-style banana optimization

sshow filtdem :濾波效果演示filter effect demo

sshow filtdem2 :濾波設計演示filter design demo

cztdemo :FFT和CZT (兩種不同類型的Z-變換算法)

phone :演示電話通聲音的時間與頻率的關系

sigdemo1 :離散信號的時頻圖，可用鼠標設置

sigdemo2 :連續(xù)信號的時頻圖，可用鼠標設置

filtdemo :低通濾波器的交互式設計

moddemo :聲音信號的調制

sosdemo :數(shù)字濾波器的切片圖

◆ 神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱

neural :神經(jīng)網(wǎng)絡模塊組

firdemo :二維FIR濾波器

nlfdemo :非線性濾波器

dctdemo :DCT演示

mlpdm1 :利用多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡擬合曲線動畫

mlpdm2 :利用多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡進行XOR問題運算

◆ 模糊邏輯工具箱

invkine :運動逆問題

juggler :跳球戲法

fcmdemo :FCM

slcp :類似倒立擺動畫

slcp1 :類似倒立擺動畫cart and a varying pole

slcpp1 :類似倒立擺動畫，有兩個擺，一個可以變化

sltbu :卡車支援

slbb :類似于翹翹板

◆姓名函數(shù):將自己姓名模擬成一個獨一無二的函數(shù)圖像

1.安裝出錯時，可換注冊碼繼續(xù)安裝，到同一目錄;

2.【謹記】安裝路徑不要有中文名稱;

3.成功安裝完畢之后，如果遇到matlab啟動后，窗口在打開一到兩秒后就自動關閉了， 可按以下方法試試:【假設你安裝的目錄為c:\MATLAB\】(不過不建議安裝到C盤，那樣會影響系統(tǒng)速度!)

1.確認安裝好后，在此路徑下c:\MATLAB\bin\win32有一個名為 atlas_Athlon.dll的文件;

2.我的電腦上右擊點"屬性",再在"高級"中點"環(huán)境變量"，在"系統(tǒng)變量"中點擊 "新建" 輸入以下信息:變量名:BLAS_VERSION 變量址:

c:\MATLAB\bin\win32\atlas_Athlon.dll

3.這樣之后，啟動MATLAB，不過又出現(xiàn)一個問題:窗口顯示

To get started, select MATLAB Help or Demos from the Help menu. The element type "name" must be terminated by the matching end-tag "</name>".

Could not parse the file:c:\matlab\toolbox\ccslink\ccslink\info.xml

【解決方案】找到c:\matlab\toolbox\ccslink\ccslink\info.xml這個文件，用記事本打開【注意，這是重點，或者寫字板】找到有一行這樣的<name>Link for Code Composer Studio?/name>，大概是在第七行吧，把這句的/name>改成</name>【加左尖括號】,保存文件，退出，即可。

4.安裝MATLAB成功!

無法運行可以考慮使用兼容模式運行，比如windows 2000模式

《MATLAB實用教程》從快速入門和實用性兩個方面，對MATLAB7.0進行了詳細的介紹，并列舉了大量實用的例子。全書共分為12章，第1章介紹MATLAB的安裝及系統(tǒng)功能;第2~3章介紹MATLAB基于命令窗口的應用，講述了MATLAB的基礎知識和數(shù)學運算;第4~8章介紹MATLAB基于M文件的應用，講述了MATLAB的編程功能、數(shù)據(jù)顯示及存取功能、數(shù)值和符號計算功能、圖形用戶界面設計功能等;第9~10章從模塊化仿真的角度介紹MATLAB基于Simulink環(huán)境的應用，講述了MATLAB的包含S函數(shù)的Simulink環(huán)境基礎知識和在信號處理、圖像處理以及控制等領域的實際應用;第11章從信息和功能交互的角度介紹MATLAB的外部接口，講述了MATLAB與Word、Excel、C語言、Java語言等的接口;第12章提供對《MATLAB實用教程》內容加深理解的實驗。

《MATLAB實用教程》可作為電子、通信、自控等專業(yè)本科生的教材，同時也可作為相關專業(yè)研究生及廣大科研人員的參考用書。