机械原理Matlab辅助分析(第二版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:李滨城、徐超 编著

出版社:化学工业出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

机械原理Matlab辅助分析(第二版)

机械原理Matlab辅助分析(第二版)试读:

前言

“机械原理”课程是机械类专业必修的一门核心主干技术基础课程,该课程的教学质量是关系到机械类学生能否成为创新人才的重要条件之一,也是各高校机械类专业提高本科教学质量的关键指标。现今,计算机辅助设计在机械原理学科中得到了广泛的应用。为了在教学中培养学生利用计算机先进软件解决实际问题的思维方法和动手能力,我们从2007年开始尝试在机械原理教学中应用MATLAB软件辅助机械原理分析与综合,已执行至今。在多年教学改革实践的基础上,编写了《机械原理MATLAB辅助分析》(第一版) ,2011年出版。随着信息技术的高速发展,我们开始了探索数字与信息环境下,如何全面引入数字技术,把数字资源、计算机辅助分析技术与教学内容密切结合,探索数字与信息环境下的教学手段与教学模式的改革,取得了良好的教学效果,积累了丰富的课程数字资源,包括程序、图像和动画等,将数字化资源与传统纸质教材结合并一体化设计,极大地丰富了知识的呈现形式,拓展了原有的教材内容,在提高课程教学效果的同时,为学生学习提供了更加广阔的思维与探索的空间。

此次修订是在本书第一版的基础上,希望更加注重学科传统内容、现代信息技术和先进教学模式的融合,将教学内容和教学活动有机地结合起来,重点从以下两个方面进行了修订。

在内容上,新增“工程应用分析案例——机械系统设计与分析”一章,目的是强化学生借助于信息技术、综合应用机械原理知识解决工程实际问题的能力,启迪创新思维,培养工程意识,丰富工程认知,为创新实践能力的提高打下良好的基础。

在出版形式上,通过增加基于移动终端和互联网的多媒体数字资源,使之成为集文字、程序、图像、动画为一体的多媒体教材,形成一套传统教学内容和现代化教学手段相结合的新形态教材。这些数字资源在修订版书中以二维码的形式出现(本书配套程序的二维码列在本页,图像、动画二维码位于正文相应位置),扫描后即可下载或观看,以方便学生随时随地使用移动设备进行学习,突破时空、地域的限制。我们相信这套新形态教材无论对配合教师的教学,还是为学生提供基于网络拓展的学习,都将会提供方便,从而极大地提高教、学两方面的效率以及人才的培养质量。

江苏科技大学有关领导和兄弟院校机械原理学科组的教师对本书的修订给予了热情的帮助和支持,在此谨致深切的谢意。

由于编者水平有限,书中定有不妥之处,恳请读者批评指正。编者2018年9月第一版前言

现今,计算机辅助设计在机械原理学科中得到了广泛的应用。为了在教学中培养学生利用计算机先进软件解决实际问题的思维方法和动手能力,我们从2007年开始尝试在机械原理教学中应用MATLAB辅助机械原理分析与综合,在多年教学改革实践的基础上,编写了这本《机械原理MATLAB辅助分析》。

本书运用科学与工程计算语言MATLAB进行编程计算,它是一种数值计算的优秀工具,易学易用,一般学生只要经过10多个小时的练习就能够用它完成所需要的计算。

本书在内容编写上首先是应用解析法建立分析或综合的数学模型,然后通过具体的计算实例来说明数学模型的使用方法,接着用MATLAB进行编程计算。书中所附程序全部在计算机上调试通过,有些实例还根据运算结果绘制出了相应的分析曲线图和设计仿真图。其目的一方面可加深学生对课程内容的理解,提高分析问题和解决问题的能力;另一方面,意在培养学生独立编程能力,掌握MATLAB编程方法和技巧。

在编写本书过程中,编者参考了高等院校理工科机械类专业机械原理课程的现行教学大纲,也参照了兄弟院校编写的《机械原理》有关教材。

江苏科技大学有关领导和机械原理学科组对本书的编写和出版给予了热情的帮助和支持,在此谨致深切的谢意。

由于编者水平有限,加之编写仓促,书中定有不妥之处,恳请读者批评指正。编者2010年10月第一章 平面连杆机构的运动分析第一节 平面连杆机构运动分析概述

机构的运动分析,就是按照已知的起始构件运动规律来确定机构中其他构件的运动。它的具体任务:一是求构件的位置;二是求构件的速度;三是求构件的加速度。一、数学模型的建立

平面连杆机构属闭环机构,在用解析法进行机构运动分析时,采用封闭矢量多边形法求解较为简便。首先建立机构封闭矢量方程式,然后对时间求一阶导数得到速度方程,对时间求二阶导数得到加速度方程。二、程序设计

每个平面连杆机构运动分析MATLAB程序都由主程序和子函数两部分组成,其程序设计流程如图1-1所示。图1-1 平面连杆机构运动分析程序设计流程

子函数的任务是求机构在某一位置时,各构件的位移、速度和加速度;主程序的任务是求机构在一个工作循环内各构件的位移、速度和加速度的变化规律,并用线图表示出来,同时进行机构运动仿真。第二节 铰链四杆机构的运动分析

在图1-2所示的铰链四杆机构中,已知各构件的尺寸及原动件1的方位角θ和匀角速度ω,需对其位置、速度和加速度进行分析。11一、数学模型的建立

为了对机构进行运动分析,先如图1-2建立直角坐标系,并将各构件表示为杆矢,为了求解方便,将各杆矢用指数形式的复数表示。图1-2 铰链四杆机构1.位置分析

如图1-2所示,由封闭图形ABCDA可写出机构各杆矢所构成的封闭矢量方程  (1-1)

其复数形式表示为  (1-2)

将式(1-2)的实部和虚部分离,得  (1-3)

由于式(1-3)是一个非线性方程组,直接求解比较困难,在这里借助几何方法进行求解,在图中连接BD,由此得  (1-4)2.速度分析

将式(1-2)对时间t求一次导数, 得速度关系  (1-5)

将式(1-5)的实部和虚部分离,得  (1-6)

若用矩阵形式来表示,则式(1-6)可写为  (1-7)

解式(1-7)即可求得两个角速度ω、ω。233.加速度分析

将式(1-2)对时间t求二次导数,可得加速度关系表达式  (1-8)

解式(1-6)即可求得两个角加速度α、α。23二、计算实例【例1-1】 如图1-2所示,已知铰链四杆机构各构件的尺寸为:l=101.6mm,l=254mm,l=177.8mm,l=304.8mm,原动件1以匀1234角速度ω=250rad/s逆时针转动,计算构件2和构件3的角位移、角速1度及角加速度,并绘制出运动线图。三、程序设计

铰链四杆机构MATLAB程序由主程序crank_rocker_main和子函数crank_rocker两部分组成。1.主程序crank_rocker_main文件*************************************************%1.输入已知数据clear;l1=101.6; l2=254; l3=177.8; l4=304.8;omega1=250;alpha1=0;hd=pi/180; du=180/pi;%2.调用子函数 crank_rocker 计算铰链四杆机构位移,角速度,角加速度for n1=1:361* theta1=(n1-1)hd; [theta,omega,alpha]=crank_rocker(theta1,omega1,alpha1,l1,l2,l3,l4); theta2(n1)=theta(1);theta3(n1)=theta(2); omega2(n1)=omega(1);omega3(n1)=omega(2); alpha2(n1)=alpha(1);alpha3(n1)=alpha(2);end%3.角位移、角速度、角加速度和四杆机构图形输出figure(1);n1=1∶361;subplot(2,2,1);  % 绘位移线图**plot(n1,theta2du,n1,theta3du,'k');title('角位移线图');xlabel('曲柄转角 \theta_1/\circ')ylabel('角位移/\circ')grid on; hold on;text(140,170,'\theta_3')text(140,30,'\theta_2')subplot(2,2,2);  % 绘角速度线图plot(n1,omega2,n1,omega3,'k')title('角速度线图');xlabel('曲柄转角 \theta_1/\circ')∧ylabel('角速度/rad\cdots{-1}')grid on;hold on;text(250,130,'\omega_2')text(130,165,'\omega_3')subplot(2,2,3); % 绘角加速度线图plot(n1,alpha2,n1,alpha3,'k')title('角加速度线图');xlabel('曲柄转角 \theta_1/\circ')∧ylabel('角加速度/rad\cdots{-2}')grid on;hold on;text(230,2e4,'\alpha_2')text(30,7e4,'\alpha_3')subplot(2,2,4); % 铰链四杆机构图形输出x(1)=0;y(1)=0;**x(2)=l1cos(70hd);**y(2)=l1sin(70hd);*x(3)=l4﹢l3cos(theta3(71));*y(3)=l3sin(theta3(71));x(4)=l4;y(4)=0;x(5)=0;y(5)=0;plot(x,y);grid on;hold on;plot(x(1),y(1),'o');plot(x(2),y(2),'o');plot(x(3),y(3),'o');plot(x(4),y(4),'o');title('铰链四杆机构');xlabel('mm')ylabel('mm')axis([-50 350-20 200]);%%4.铰链四杆机构运动仿真figure(2)m=moviein(20);j=0;for n1=1:5:360  j=j﹢1;  clf;  x(1)=0;  y(1)=0;**  x(2)=l1cos((n1-1)hd);**  y(2)=l1sin((n1-1)hd);*  x(3)=l4﹢l3cos(theta3(n1));*  y(3)=l3sin(theta3(n1));  x(4)=l4;  y(4)=0;  x(5)=0;  y(5)=0;  plot(x,y);  grid on;hold on;  plot(x(1),y(1),'o');  plot(x(2),y(2),'o');  plot(x(3),y(3),'o');  plot(x(4),y(4),'o');  axis([-150 350 -150 200]);  title('铰链四杆机构'); xlabel('mm'); ylabel('mm')  m(j)=getframe;endmovie(m);2.子函数crank_rocker 文件*************************************************function [theta,omega,alpha]=crank_rocker(theta1,omega1,alpha1,l1,l2,l3,l4)%1.计算从动件的角位移*****L=sqrt(l4l4﹢l1l1-2l1l4cos(theta1));*phi=asin((l1./L)sin(theta1));*****beta=acos((-l2l2﹢l3l3﹢LL)/(2l3L));if beta<0  beta=beta﹢pi;endtheta3=pi-phi-beta;               % theta3 表示杆3转过角度**theta2=asin((l3sin(theta3)-l1sin(theta1))/l2);     % theta2 表示杆2转过角度theta=[theta2;theta3]%2.计算从动件的角速度**A=[-l2sin(theta2), l3sin(theta3);          % 机构从动件的位置参数矩阵**  l2cos(theta2), -l3cos(theta3)];**B=[l1sin(theta1); -l1cos(theta1)];         % 机构原动件的位置参数列阵*omega=A\(omega1B);              % 机构从动件的速度列阵omega2=omega(1); omega3=omega(2);%3.计算从动件的角加速度**A=[-l2sin(theta2), l3sin(theta3);**  l2cos(theta2), -l3cos(theta3)];****At=[-omega2l2cos(theta2), omega3l3cos(theta3);****  -omega2l2sin(theta2), omega3l3sin(theta3)];**B=[l1sin(theta1); -l1cos(theta1)];        % 机构原动件的位置参数列阵****Bt=[omega1l1cos(theta1); omega1l1sin(theta1)];  % Bt=dB/dt***alpha=A\(-Atomega﹢alpha1B﹢omega1Bt);     % 机构从动件的加速度列阵  ***********************************************四、运算结果

图1-3为铰链四杆机构的运动线图和机构运动仿真图。图1-3 铰链四杆机构运动线图和机构运动仿真图第三节 曲柄滑块机构的运动分析

在图1-4所示的曲柄滑块机构中,已知各构件的尺寸及原动件1的方位角θ和匀角速度ω,需对其位置、速度和加速度进行分析。11图1-4 曲柄滑块机构一、数学模型的建立

为了对机构进行运动分析,先如图1-4建立直角坐标系,将各构件表示为杆矢,并将各杆矢用指数形式的复数表示。1.位置分析

如图1-4所示,由封闭图形ABCA可写出机构各杆矢所构成的封闭矢量方程  (1-9)

其复数形式表示为  (1-10)

将式(1-10)的实部和虚部分离,得  (1-11)

由式(1-11)得  (1-12)2.速度分析

将式(1-10)对时间t求一次导数, 得速度关系  (1-13)

将式(1-13)的实部和虚部分离,得  (1-14)

若用矩阵形式来表示,则式(1-14)可写为  (1-15)

解式(1-15)即可求得角速度ω和线速度v。2C3.加速度分析

将式(1-10)对时间t求二次导数,可得加速度关系表达式  (1-16)

解式(1-16)即可求得角加速度α和线加速度a。2C二、计算实例【例1-2 】 在图1-4所示的曲柄滑块机构中,AB为原动件,以匀角速度ω=10rad/s逆时针旋转,曲柄和连杆的长度分别为1l=100mm,l=300mm。试确定连杆2和滑块3的位移、速度和加速度,12并绘制出运动线图。三、程序设计

曲柄滑块机构MATLAB程序由主程序slider_crank _main和子函数slider_crank两部分组成。1. 主程序slider_crank _main文件********************************************************%1.输入已知数据clear;l1=100;l2=300;e=0;hd=pi/180;du=180/pi;omega1=10;alpha1=0;%2.调用子函数 slider_crank 计算曲柄滑块机构位移,速度,加速度for n1=1:720* theta1(n1)=(n1-1)hd;[theta2(n1),s3(n1),omega2(n1),v3(n1),alpha2(n1),a3(n1)]=slider_crank(theta1(n1),omega1,alpha1,l1,l2,e);end%3.位移,速度,加速度和曲柄滑块机构图形输出figure(11);n1=1:720;subplot(2,2,1);  % 绘位移线图***[AX,H1,H2]=plotyy(theta1du,theta2du,theta1du,s3);set(get(AX(1),'ylabel'),'String','连杆角位移/\circ')set(get(AX(2),'ylabel'),'String','滑块位移/mm')title('位移线图');xlabel('曲柄转角 \theta_1/\circ')grid on;subplot(2,2,2);  % 绘速度线图**[AX,H1,H2]=plotyy(theta1du,omega2,theta1du,v3)title('速度线图');xlabel('曲柄转角 \theta_1/\circ')∧ylabel('连杆角速度/rad\cdots{-1}')∧set(get(AX(2),'ylabel'),'String','滑块速度/mm\cdots{-1}')grid on;subplot(2,2,3); % 绘加速度线图**[AX,H1,H2]=plotyy(theta1du,alpha2,theta1du,a3)title('加速度线图');xlabel('曲柄转角 \theta_1/\circ')∧ylabel('连杆角加速度/rad\cdots{-2}')set(get(AX(2),'ylabel'),'String','滑块加速度/mm\cdots∧{-2}')grid on;subplot(2,2,4); % 绘曲柄滑块机构图x(1)=0;y(1)=0;**x(2)=l1cos(70hd);**y(2)=l1sin(70hd);x(3)=s3(70);y(3)=e;x(4)=s3(70);;y(4)=0;x(5)=0;y(5)=0;x(6)=x(3)-40;y(6)=y(3)﹢10;x(7)=x(3)﹢40;y(7)=y(3)﹢10;x(8)=x(3)﹢40;y(8)=y(3)-10;x(9)=x(3)-40;y(9)=y(3)-10;x(10)=x(3)-40;y(10)=y(3)﹢10;i=1:5;plot(x(i),y(i));grid on;hold on;i=6:10;plot(x(i),y(i));title('曲柄滑块机构');grid on;hold on;xlabel('mm')ylabel('mm')axis([-50 400 -20 130]);plot(x(1),y(1),'o');plot(x(2),y(2),'o');plot(x(3),y(3),'o');%4.曲柄滑块机构运动仿真 figure(2) m=moviein(20); j=0; for n1=1:5:360  j=j﹢1;  clf;  %  x(1)=0;  y(1)=0;**  x(2)=l1cos(n1hd);**  y(2)=l1sin(n1hd);  x(3)=s3(n1);  y(3)=e;  x(4)=(l1﹢l2﹢50);  y(4)=0;  x(5)=0;  y(5)=0;  x(6)=x(3)-40;  y(6)=y(3)﹢10;  x(7)=x(3)﹢40;  y(7)=y(3)﹢10;  x(8)=x(3)﹢40;  y(8)=y(3)-10;  x(9)=x(3)-40;  y(9)=y(3)-10;  x(10)=x(3)-40;  y(10)=y(3)﹢10;  %  i=1:3;  plot(x(i),y(i));  grid on; hold on;  i=4:5;  plot(x(i),y(i));  i=6:10;  plot(x(i),y(i));  plot(x(1),y(1),'o');  plot(x(2),y(2),'o');  plot(x(3),y(3),'o');  title('曲柄滑块机构');  xlabel('mm')  ylabel('mm')  axis([-150 450 -150 150]);  m(j)=getframe; end movie(m)2.子函数slider_crank 文件*************************************************function [theta2,s3,omega2,v3,alpha2,a3]=slider_crank(theta1,omega1,alpha1,l1,l2,e)%1.计算连杆2的角位移和滑块3的线位移*theta2=asin((e-l1sin(theta1))/l2);**s3=l1cos(theta1)﹢l2cos(theta2);%2.计算连杆2的角速度和滑块3的线速度**A=[l2sin(theta2),1; -l2cos(theta2),0 ];    % 机构从动件的位置参数矩阵**B=[-l1sin(theta1); l1cos(theta1)];        % 机构原动件的位置参数列阵*omega=A\(omega1B);             % 机构从动件的速度列阵omega2=omega(1);v3=omega(2);%3.计算连杆2的角加速度和滑块3的线加速度**At=[omega2l2cos(theta2),0;**  omega2l2sin(theta2),0];          % At=dA/dt**Bt=[-omega1l1cos(theta1);**  -omega1l1sin(theta1)];          % Bt=dB/dt***alpha=A\(-Atomega﹢alpha1B﹢omega1Bt);    % 机构从动件的加速度列阵alpha2=alpha(1);a3=alpha(2);四、运算结果

图1-5为曲柄滑块机构的运动线图和机构运动仿真图。图1-5 曲柄滑块机构的运动线图和机构运动仿真图第四节 导杆机构的运动分析

在图1-6所示的导杆机构中,已知各构件的尺寸及原动件1的方位角θ和匀角速度ω,需对其位置、速度和加速度进行分析。11一、数学模型的建立

为了对机构进行运动分析,先如图1-6建立直角坐标系,将各构件表示为杆矢,并将各杆矢用指数形式的复数表示。图1-6 导杆机构1.位置分析

如图1-6所示,由封闭图形ABCA可写出机构各杆矢所构成的封闭矢量方程  (1-17)

其复数形式表示为  (1-18)

将式(1-18)的实部和虚部分离,得  (1-19)

由式(1-19)得  (1-20)2.速度分析

将式(1-18)对时间t求一次导数,得速度关系  (1-21)

将式(1-21)的实部和虚部分离,得  (1-22)

若用矩阵形式来表示,则式(1-22)可写为  (1-23)

解式(1-23)即可求得滑块2相对导杆3的线速度v和导杆3的角23速度ω。33.加速度分析

将式(1-18) 对时间t求二次导数,可得加速度关系表达式  (1-24)

解式(1-24)即可求得滑块2相对导杆3的线加速度a和导杆3的23角加速度α。3二、计算实例【例1-3】 如图1-6所示,已知导杆机构各构件的尺寸为:l=120mm,l=380mm,原动件1以匀角速度ω=1rad/s逆时针转动,141试确定导杆3的角位移、角速度和角加速度,以及滑块2在导杆3上的位置、速度和加速度,并绘制出运动线图。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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