机械工程设计分析和MATLAB应用 第4版.pdf
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1、 CAD/ CAM/ CAE 工程应用丛书MATLAB 系列 机机械工程设计分析和 MATLAB 应用 第 4 版 郭仁生摇 等编著 机 械 工 业 出 版 社 本书共分两篇。 第 1 篇介绍 MATLAB 操作基础、 矩阵和数组及其运 算、 符号运算基础、 M 文件和流程控制结构、 数据可视化等基础知识, 以 及运用 MATLAB 提供的平台, 在解决工程实际问题时经常用到的多项式 运算和数据插值、 函数的导数和积分、 代数方程和最优化问题等常用数学 计算函数的功能和科学计算方法。 第 2 篇介绍 MATLAB 在机械工程设计 分析中的应用, 包括连杆机构的运动设计和运动分析、 间歇运动机构
2、和轮 系的运动分析、 凸轮机构运动分析和设计计算、 齿轮、 蜗杆和螺旋传动的 设计计算、 轴系设计计算和分析、 机械联接设计计算, 以及优化设计分析 和曲线拟合等方面, 结合 30 多个机械工程设计分析课题, 进行数学建模、 编制 M 文件、 运用计算机数学方法、 运算求解和结果分析等, 力图体现 出计算机数学方法、 MATLAB 功能和实际工程技术问题三者的有机结合。 本书可作为工科院校制造类专业相关课程教学和课题设计用书, 也可 作为工程技术人员基于 MATLAB 平台, 运用计算机数学方法, 分析和求 解机械工程问题的参考书。 图书在版编目 (CIP) 数据 机械工程设计分析和 MATL
3、AB 应用/ 郭仁生等编著 . 4 版 . 北京: 机械 工业出版社, 2014. 10 (CAD/ CAM/ CAE 工程应用丛书) ISBN 978 -7 -111 -48334 -2 . 机摇 . 郭摇 芋. Matlab 软件 - 应用 - 机械设计摇 . TH122 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2014) 第 244844 号 机械工业出版社(北京市百万庄大街 22 号摇 邮政编码 100037) 策划编辑: 张淑谦摇 摇 摇 摇 责任校对: 张艳霞 责任编辑: 张淑谦 责任印刵喝杍 摇丈沲币宎辽卯制月陏八号卯制 2014 年 11 月第 4 版第 1 次印刷 184mm 2
4、60mm26. 75 印张660 千字 00013000 册 标准书号: ISBN 978 -7 -111 -48334 -2 定价: 68. 00 元 凡购本书, 如有缺页、 倒页、 脱页, 由本社发行部调换 电话服务摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇网络服务 社 服 务 中 心:(010)88361066 销 售 一 部:(010)68326294 销 售 二 部:(010)88379649 读者购书热线:(010)88379203 教 材 网:http:/ / www. cmpedu. com 机工官网:http:/ / www. cmpbook. com 机工官博:http
5、:/ / weibo. com/ cmp1952 封面无防伪标均为盗版 出出 版 说 明 随着信息技术在各领域的迅速渗透, CAD/ CAM/ CAE 技术已经得到了广泛的应用, 从 根本上改变了传统的设计、 生产、 组织模式, 对推动现有企业的技术改造、 带动整个产业结 构的变革、 发展新兴技术、 促进经济增长都具有十分重要的意义。 CAD 在机械制造行业的应用最早, 使用也最为广泛。 目前其最主要的应用涉及机械、 电子、 建筑等工程领域。 世界各大航空、 航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用 CAD/ CAM/ CAE 技术进行产品设计, 而且投入大量的人力、 物力及资金进行 CAD/ CA
6、M/ CAE 软件 的开发, 以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。 CAD 在工程中的应用, 不但 可以提高设计质量, 缩短工程周期, 还可以节省大量建设投资。 各行各业的工程技术人员也逐步认识到 CAD/ CAM/ CAE 技术在现代工程中的重要性, 掌握其中的一种或几种软件的使用方法和技巧, 已成为他们在竞争日益激烈的市场经济形势 下生存和发展的必备技能之一。 然而, 仅仅知道简单的软件操作方法是远远不够的, 只有将 计算机技术和工程实际结合起来, 才能真正达到通过现代的技术手段提高工程效益的目的。 基于这一考虑, 机械工业出版社特别推出了这套主要面向相关行业工程技术人员的 “C
7、AD/ CAM/ CAE 工程应用丛书”。 本丛书涉及 AutoCAD、 Pro/ ENGINEER、 Cre0、 UG、 SolidWorks、 Mastercam、 ANSYS 等软件在机械设计、 性能分析、 制造技术方面的应用, 以及 AutoCAD 和天正建筑 CAD 软件在建筑和室内配景图、 建筑施工图、 室内装潢图、 水暖、 空 调布线图、 电路布线图以及建筑总图等方面的应用。 本套丛书立足于基本概念和操作, 配以大量具有代表性的实例, 并融入了作者丰富的实 践经验, 使得本丛书内容具有专业性强、 操作性强、 指导性强的特点, 是一套真正具有实用 价值的书籍。 机械工业出版社 前前
8、 言 计算机辅助设计 CAD (Computer Aided Design) 和 CIMS 计算机集成制造系统 (Computer Integrated Manufacturing System) 是国家大力推进制造业信息化进程中的两项核心技术。 随着 科学技术的不断发展和计算机技术应用的日益广泛深入, 我国的计算机辅助技术逐步与国际 同类技术接轨, 且已经在制造业的各个领域获得巨大的成功, 取得了显著的社会经济效益。 CAD 的含义已从最初的计算机辅助绘图 (Computer Aided Drafting) 发展到当今的计算 机辅助设计 (Computer Aided Design), 它已
9、经涵盖了工程设计的整个过程。 CAD 将设计者 的创新思维、 决策判断能力与计算机高速运算、 信息储存处理等功能有机地结合起来, 在工 程应用软件、 工程数据库和信息系统的支撑下, 运用设计方法学进行计算分析, 以获得最佳 的设计方案, 为实现产品在设计、 制造、 装配、 检验、 销售、 使用和回收等整个生命周期的 数字化信息共享和集成奠定基础。 MATLAB 是美国 MathWorks 公司推出的以集数值计算和图形处理为一体的 21 世纪科学 计算语言。 它具有功能强大、 集成度高、 易于扩充开发和使用方便的特点, 已经在高等院 校、 科研院所和工程部门的设计分析、 自动控制、 数理统计等许
10、多领域中获得广泛的应用, 成为最为普遍的计算工具和桌面工程师系统之一。 本书的作者长期从事机械设计和计算机辅助设计的教学和科研, 在机械工程领域的 机构运动分析和设计、 机械零部件设计、 机械可靠性设计、 机械优化分析和计算、 机械 制造工艺参数优化、 实验数据的曲线拟合和多项式拟合等方面, 结合教学、 科研和工程 应用实际, 通过建立数学模型, 在 MATLAB 系统平台上, 编制 M 程序文件, 运用计算机 数学方法, 进行分析研究和设计计算, 取得了许多应用成果。 这些科研成果发表在 机 械设计 机械设计与制造 现代制造工程 和 机械研究与应用 等机械工程专业期 刊上, 其中一些已经成功
11、地应用于企业生产, 并且多次获得佛山市科协自然科学优秀学 术论文奖励。 本书是作者对多年来在机械工程领域进行教学科研, 以及运用 MATLAB 进 行分析研究和设计计算的成果的总结和提炼。 本书内容丰富, 工程实用性强, 既包括 MATLAB 的基本操作、 常用计算方法、 数据可 视化和 M 文件编制等工程应用基本内容, 又介绍了许多机械工程设计分析实例。 每个实例 包括了数学建模、 计算机数学方法、 M 文件和运算结果分析等内容, 有助于读者熟练地运 用 MATLAB 提供的功能, 去分析和解决相关领域中的工程实际问题。 因而不但可以显著提 高工作效率和质量, 还可以激发读者的学习兴趣, 培
12、养独立思考问题的能力, 真正让读者掌 握一些现代化的设计手段和思想方法。 本书自 2006 年 8 月第 1 版、 2008 年 7 月第 2 版和 2012 年 1 月第 3 版面世以来, 受到 了读者的喜爱和支持, 在 2008 年被佛山市科学技术协会评选为佛山市自然科学优秀学术 著作。 作者根据教学和工程实践, 结合新技术的发展应用, 新编了第 4 版。 对第 1 篇 “MATLAB 基础和常用科学计算”, 按照 MATLAB7. 1 版本进行梳理, 更新和充实了一些实 用内容, 有助于读者尽快深入浅出地掌握 MATLAB 工程应用的基础知识和常用科学计算 吁摇 摇 摇 摇 方法。 在第
13、 2 篇 “机械工程设计分析应用” 中, 增加和更新了多个课题的应用实例。 书 中所有的 M 文件主要语句后面对其功能和含义都有注释说明, 有助于读者在课题设计、 工程应用和技术研究时参考和借鉴。 为方便教学和工程应用, 本书配有第 1 篇的 PPT 教学课件, 以及第 2 篇的 M 文件, 读者 可以从网站 www. cmpbook. com 下载。 本书主要由郭仁生编著, 汤平平对第 1 篇的实例进行了审校。 由于作者水平有限, 书中难免有不足和疏漏之处, 敬请读者批评指正。 作摇 者 目目 录 出版说明 前言 第 1 篇摇 MATLAB 基础和常用科学计算 第 1 章摇 MATLAB 操
14、作基础2 1. 1摇 MATLAB 概述2 1. 1. 1摇 MATLAB 的主要模块2 1. 1. 2摇 MATLAB 的主要特点3 1. 2摇 MATLAB 的系统界面和菜单功能3 1. 2. 1摇 MATLAB 系统界面3 1. 2. 2摇 主窗口的菜单功能6 1. 3摇 运算符和标点符7 1. 3. 1摇 运算符7 1. 3. 2摇 标点符10 1. 4摇 数据类型10 1. 4. 1摇 数值量10 1. 4. 2摇 字符量12 1. 4. 3摇 变量12 1. 5摇 基本数学函数13 1. 5. 1摇 三角函数13 1. 5. 2摇 指数和对数函数14 1. 5. 3摇 取整和取余函
15、数14 1. 5. 4摇 通用数学分析函数15 第 2 章摇 矩阵和数组及其运算17 2. 1摇 矩阵的建立及变换17 2. 1. 1摇 矩阵的建立17 2. 1. 2摇 矩阵的转置和变换19 2. 2摇 矩阵元素和子矩阵的提取20 2. 2. 1摇 矩阵元素的提取20 2. 2. 2摇 子矩阵的提取22 2. 3摇 矩阵的运算23 2. 3. 1摇 矩阵的加法和减法23 摇 摇 摇 摇 2. 3. 2摇 矩阵的乘法24 2. 3. 3摇 矩阵的求逆25 2. 3. 4摇 向量的范数和矩阵行列式的值25 2. 3. 5摇 矩阵的除法26 2. 4摇 数组的运算28 2. 4. 1摇 数组的加法
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