MATLAB在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用.doc

MATLAB在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用摘要：論文通過MATLAB在減速箱傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例，探討了MATLAB在機(jī)械課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法和技巧，對(duì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助軟件完成工科機(jī)械課程設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì) MATLAB 應(yīng)用0 引言MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。1 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。2 MATLAB軟件的特點(diǎn)MATLAB是“矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）”的縮寫，它是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，是專門針對(duì)科學(xué)和工程中計(jì)算和繪圖的需求而開發(fā)的一種科學(xué)計(jì)算軟件。與其它計(jì)算機(jī)語言相比，其特點(diǎn)是使用方便，輸入簡(jiǎn)捷，運(yùn)算高效，內(nèi)容豐富，并且很容易由用戶自行擴(kuò)展。3應(yīng)用研究機(jī)械課程設(shè)計(jì)中的軸類零件大部分受空間力系作用，發(fā)生彎扭組合變形，而解決彎扭組合變形的軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題對(duì)高職學(xué)生來說，相對(duì)復(fù)雜，其原因是計(jì)算量和作圖量都極大。下面就以減速箱傳動(dòng)軸零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題為例，來探討MATLAB在機(jī)械課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法和技巧。3.1 基于Matlab分析工程實(shí)際問題的基本步驟3.1.1 根據(jù)工程實(shí)際問題進(jìn)行建模 為工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件選擇合適的簡(jiǎn)化平面，畫出其平面簡(jiǎn)圖；確定研究對(duì)象，取分離體，畫其受力簡(jiǎn)圖；列平衡方程。3.1.2編寫Matlab程序Matlab程序編制方式：Matlab程序編制的方式有兩種方式：第一種是行命令方式，這就是在命令窗中一行一行地輸入程序，計(jì)算機(jī)每次對(duì)一行命令作出反應(yīng)，像計(jì)算器那樣。這只能編簡(jiǎn)單的程序，在入門時(shí)可以用這種方式。第二種是M文件方式，當(dāng)程序稍復(fù)雜一些時(shí)，就把程序?qū)懗梢粋€(gè)由多行語句組成的文件，通過在Matlab的命令窗中輸入文件名回車來執(zhí)行這個(gè)文件。Matlab程序編制框架：Matlab程序編制的框架分三部分：a已知數(shù)據(jù)輸入程序段。一般采用input函數(shù)輸入數(shù)據(jù)。其格式是zinput（屏幕上顯示的提示信息）。當(dāng)執(zhí)行該函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)等待從鍵盤輸入數(shù)據(jù)后按回車鍵，輸入的數(shù)據(jù)就存入變量z中。b相關(guān)表達(dá)式編制程序段。把建模中的表達(dá)式按Matlab規(guī)定格式進(jìn)行編制。此時(shí)的程序語句基本上與其數(shù)學(xué)表達(dá)式一致。c結(jié)果數(shù)據(jù)輸出程序段。一般采用fprintf函數(shù)輸出數(shù)據(jù)微。其格式是fprintf( 屏幕上顯示的提示信息 變量名=%數(shù)據(jù)輸出格式單位n,變量名)。在編寫程序時(shí)，在程序開始處先輸入已知條件（給已知參數(shù)賦值），這樣得出的程序具有一定的普遍性，若需要修改參數(shù)，只需修改頭幾行的數(shù)據(jù)即可。Matlab程序運(yùn)行。3.2 應(yīng)用舉例 例：設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)減速器的輸出軸直徑。已知該軸傳遞功率為P=5kM，轉(zhuǎn)速n=140r/min，齒輪分度圓直徑d=280mm，螺旋角=14，法向壓力角an=20。作用在右端聯(lián)軸器上的力F=380N，方向未定。L1=200mm，L2=150mm，載荷平穩(wěn)，單向運(yùn)轉(zhuǎn)。軸的材料為45鋼調(diào)質(zhì)處理。3.2.1 建模 首先，根據(jù)力學(xué)概念確定軸為研究對(duì)象。其次，畫出軸的空間受力圖，根據(jù)空間力系的平面解析法，畫出各平面及F支反力受力圖以及軸上作用力偶的受力圖；最后，根據(jù)各平面受力圖，通過靜力平衡方程，列出各參數(shù)的表達(dá)式。 圓周力 徑向力 軸向力 水平面支反力 水平面彎矩 3.2.2 編程 %軸的設(shè)計(jì)計(jì)算（彎扭組合） %輸入?yún)?shù) sigmab=input(b=); %材料的強(qiáng)度極限值 sigmabb=input(-1bb=); %材料的對(duì)稱循環(huán)狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力 P=input(P=); %軸傳遞的功率（Kw） %進(jìn)行計(jì)算將前面對(duì)應(yīng)的建模表達(dá)式輸入 %齒輪上作用力的計(jì)算 T=9.55*106*P/n; %齒輪所受的轉(zhuǎn)矩T=9.55106 Ft=2*T/d; %齒輪上作用的圓周力 Fr=Ft*tan(alphan*hd)/cos(beita*hd); %齒輪上作用的徑向力 Fa=Ft*tan(beita*hd); %齒輪上作用的軸向力 %輸出計(jì)算結(jié)果 fprintf( 軸的直徑dD=%3.3fmmn,dD) %輸出軸的直徑dD fprintf( 水平面彎矩MCy=%3.3fNmmn,MCy) %輸出軸C處的水平彎矩 fprintf( 垂直面彎矩MCz1=%3.3fNmmn,MCz1) %輸出軸C處左側(cè)的垂直彎矩 fprintf( 垂直面彎矩MCz2=%3.3fNmmn,MCz2) %輸出軸C處右側(cè)的垂直彎矩 %軸的彎扭強(qiáng)度設(shè)計(jì)作圖 %畫水平彎矩圖 title(水平彎矩圖) %確定圖形的標(biāo)題 xlabel(x) %確定x軸的標(biāo)簽 ylabel(My) %確定y軸的標(biāo)簽 x=0 100 200 350; %給出x軸的坐標(biāo)值y=0 MCy 0 0; %給出y軸的坐標(biāo)值 figure(1); %圖形排序 plot(x,y,*,x,y,-b) %繪制曲線是實(shí)線，藍(lán)色 hold on %保持當(dāng)前圖形 3.2.3 運(yùn)行結(jié)果 matlab輸出的計(jì)算結(jié)果和如圖3 matlab輸出的水平彎矩圖、垂直彎矩圖、F力作用下的彎矩圖、扭矩圖及合成彎矩圖。 通過上述編制的程序段和相應(yīng)的程序語句的說明，我們可以看出matlab 編程特點(diǎn)，只要掌握的輸入輸出語句的固定格式，對(duì)于中間的表達(dá)式的輸入，形式基本上類似于數(shù)學(xué)符號(hào)的直接應(yīng)用。不用過多的去記憶大量程序指令，使編程易于上手完成。4 結(jié)論MATLAB軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算、繪圖及仿真功能，把它應(yīng)用于工科機(jī)械課程設(shè)計(jì)中，不但可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題的能力，還能真正讓學(xué)生掌握一些現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)手段。MATLAB軟件簡(jiǎn)單易學(xué)、方便快捷，希望它能在職業(yè)院校中也真正地廣泛開展起來，促進(jìn)現(xiàn)代高職教育的教學(xué)思想和教學(xué)模式的改革創(chuàng)新。參考文獻(xiàn)：1朱艷英，陳