《機電系統性能分析技術》內容包括機電系統性能分析概述、機電系統優化設計的理論基礎、機電系統優化設計中常用的優化方法、機電系統優化設計實例及MATLAB優化工具箱介紹、液壓系統的優化設計、彈性力學基礎理論、有限元法理論基礎、ANSYS分析基礎、注塑機合模系統有限元分析。本門教材主要突出有限元仿真與優化設計及分析,面向對象主要為機械類學生和機械行業從業人員。
前言優化設計是一種現代設計方法,其基本思想是:根據一般的設計理論、設計方法,遵循設計規范和國家標準等,把工程設計問題按實際需要轉化成數學模型,然后應用優化技術和計算機技術從眾多可用設計方案中找出最優的設計方案或盡可能完善的設計結果。
有限元法是計算機誕生以來,在計算數學、計算力學和計算工程科學領域內誕生的最有效的計算方法。
目前,有關優化設計和有限元分析的優秀教材有許多,但一般講授起點比較高,尤其是有限元分析應用,大多數需要讀者按照有限元原理編寫程序,使讀者很難在短時間內掌握有限元分析方法。本書從實際工程應用出發,按照從理論到實踐的原則將兩者有機地結合。前面幾章系統地介紹了機械優化設計的理論和方法,為了進一步提高大家對機械優化設計的認識,通過大量的案例來說明解決一個工程實際問題的一般步驟和方法,并介紹了在機械優化設計中應用比較廣泛的MATLAB優化工具箱,列舉了優化工具箱中幾種最常用的優化函數的編程方法及應用場合。后面幾章重點介紹了分析軟件ANSYS的應用,以一些淺顯易懂的問題為例,簡明扼要地講述了相關問題的理論基礎,然后,再結合具體的工程應用實例,以循序漸進的方式,通過利用分析軟件ANSYS進行分析,加深對有限元原理的理解,并掌握ANSYS的分析過程,使讀者很容易掌握優化設計與有限元應用。
有限元仿真與優化分析在機械及機電系統中的應用,顯著提高了產品的設計性能,縮短了設計周期,極大地增強了產品的市場競爭能力,取得了較明顯的技術和經濟效果,越來越受到工程技術人員的重視。
前言
緒論
第1章機電系統性能分析概述
11機電系統優化設計概述
111優化設計問題的引例
112優化設計的數學模型
113優化設計問題的分類
114優化設計的一般步驟
115常用的優化方法及其特點
12機電系統有限元法分析概述
121有限元法引例
122有限元法的計算步驟
第2章機電系統優化設計的理論
基礎
21函數的某些基本概念及性質
211函數的等值面(線)
212函數的方向導數與梯度
213函數的泰勒展開式
214函數的凸性
22無約束優化問題的極值條件
23有約束優化問題的極值條件
24優化問題的數值計算迭代法
241數值計算迭代法的基本思想及其
格式
242迭代計算的終止準則
第3章機電系統優化設計中常用的優化
方法
31一維搜索的優化方法
311概述
312搜索區間的確定
313黃金分割法
314二次插值法
32無約束優化方法
321坐標輪換法
322鮑威爾法
323梯度法
324牛頓法
325變尺度法
33線性規劃問題優化方法
331線性規劃的標準形式與基本
性質
332單純形法
34約束優化方法
341隨機方向搜索法
342復合形法
343懲罰函數法
35多目標及離散變量優化方法
351多目標優化概述
352統一目標函數法
353離散變量優化問題
第4章機電系統優化設計實例及
MATLAB優化工具箱介紹
41汽車轉向梯形的優化設計
42螺栓組聯接的優化設計
43圓柱齒輪減速器的優化設計
44注塑機合模系統的優化設計
45起重機工作機構的優化設計
46MATLAB優化工具箱
461MATLAB介紹
462MATLAB的優化工具箱
463線性規劃問題
464非線性規劃問題
465其他問題介紹
第5章液壓系統的建模與仿真
51液壓系統計算機仿真的重要性
52計算機仿真的基本概念
53系統數學模型的建立
54系統模型的求解
55四階龍格-庫塔法
56液壓系統仿真實例
57運用MATLAB編寫程序求解
58運用Simulink搭建仿真模型求解
581Simulink的功能
582Simulink的特點
583基于Simulink 建模方法
第6章彈性力學基礎理論
61引言
62彈簧系統的剛度矩陣
621單個彈簧系統的分解與合成
622組合彈簧的剛度矩陣
623方程求解(約束條件的引入)
624實例分析
63桿系結構的有限元法簡介
631離散化
632單元分析
633整體分析
634支撐條件的引入
64彈性力學的基本知識
641材料力學與彈性力學的關系
642彈性力學的假設
643應力的基本概念
644虛功原理
645彈性力學的三個基本方程
646彈性力學的平面問題
第7章有限元法理論基礎
71結構靜力學問題的有限元法
711平面問題的有限元模型
712軸對稱問題的有限元法
713空間問題有限元法
714等參數有限元法簡介
715單元與整體分析簡介
72結構動力學問題的有限元法
721運動方程
722質量方程
723阻尼矩陣簡介
724結構自振頻率與振型
725振型疊加法求解結構的受迫
振動
73結構非線性有限元法簡介
731塑性力學問題
732大位移問題
第8章ANSYS分析基礎
81初步接觸ANSYS
811平面剛架靜力分析
812工字懸臂梁應力分析
82ANSYS分析的基本步驟
83文件管理
831文件說明
832ANSYS數據庫中存儲的數據
84有限元模型的創建
841實體建模的概念
842坐標系
843工作平面
8442D體素
845圖元的繪制、編號及刪除
846布爾操作
847單元屬性
848網格劃分
849模型修正
85加載、求解、結果后處理
851載荷分類
852加載
853求解
854結果后處理
86結構靜力分析過程與步驟
861建立模型
862施加載荷并求解
863檢查結果
87標準光盤處于高速運行時的應力實例
分析
871建立模型
872盤面的網格劃分
873定義邊界條件
874求解
875查看結果
88薄壁圓筒受力分析
89軸類零件受拉分析
810三角托架靜力分析實例
811齒輪泵應力分析
812動力學分析的過程與步驟
8121模態分析
8122諧響應分析
8123瞬態動力學分析
813帶孔法蘭模態分析
814機翼模態分析
815鋼架支撐集中質量的瞬態動力學
分析
816非線性簡要分析
817非線性分析的過程與步驟
8171建模
8172加載求解
8173查看結果
818金屬圓盤彈塑性分析實例
第9章注塑機合模系統有限元分析
91概述
911ANSYS優化設計的概念
912ANSYS優化設計的步驟
92問題描述
93分析步驟
931改變工作名
932定義參量初始值
933創建單元類型
934定義實常數
935定義材料特性
936創建關鍵點
937顯示關鍵點號
938創建直線
939劃分單元
9310顯示點、線、單元
9311施加位移載荷
9312施加力載荷
9313求解
9314定義單元表
9315計算單元總體積
9316提取單元總體積
9317提取撓度最大值
9318獲得撓度最大值
9319生成優化分析文件
9320進入優化處理器并指定分析
文件
9321定義優化設計變量
9322定義狀態變量
9323指定總體積為目標函數
9324存儲優化數據庫
9325指定優化方法
9326運行優化程序
9327列表顯示得到的所有設計
方案
參考文獻