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第32篇 现代设计理论与方法综述 3

第1章 现代机械设计与制造技术的发展趋向 3

1概述 3

2“以人为本”方向 3

3“极端制造”方向 3

4“综合集成”方向 4

5“信息化”方向 4

6“绿色化”方向 5

第2章 产品研究与开发的一般过程及几个关键问题 7

1概述 7

2产品研究与开发的一般模型 7

2.1产品开发过程的一般模型 7

2.2产品研究与开发的一般过程中各模块及其相互关系 7

3产品研究与开发中的几个关键问题 9

4产品设计工作的重要性及其核心因素 10

第3章 现代产品设计理论与方法研究的主要进展 12

1现代产品设计理论与方法研究概况 12

2国际著名产品设计理论与方法简介 12

3产品主要设计方法的简介 15

第4章 现代设计理论与方法的分类 17

1概述 17

2产品设计理论与方法的种类 17

3产品设计理论与方法的分类 18

第5章 现代机械设计方法的发展及其特点 20

1现代机械设计方法的发展 20

1.1现代机械设计方法的发展趋势框图 20

1.2现代机械设计方法的发展 20

2产品设计已从传统设计全面地过渡到现代设计 22

2.1传统设计与现代设计的比较框图 22

2.2现代产品设计工作发展的九个主导方向 23

3系统化设计或基于系统工程的综合设计理论与方法的特点 24

3.1基于系统工程的综合设计理论与方法的产品设计四个阶段 24

3.2各类设计目标及各种设计理论与方法的选用 24

参考文献 26

第33篇 机械系统概念设计 29

第1章 概论 31

1机械系统的基本概念 31

1.1什么是系统 31

1.1.1系统的定义 31

1.1.2系统的特性和组成 31

1.2什么是机械系统 31

1.2.1机械系统的基本特点 31

1.2.2传动-执行机构系统组成了机械系统的核心 32

1.3什么是广义机械系统 32

2机械系统的基本特征 32

2.1整体性 32

2.2相关性 33

2.3层次性 33

2.4目的性 33

2.5环境适应性 33

3机器的类别和基本特征 33

3.1机器的类别 33

3.2能量流、物质流和信息流 34

3.3机器的基本特征 34

4机械设计概述 36

5机械系统的概念设计 37

5.1概念设计与方案设计、创新设计的比较 37

5.2概念设计的内涵 38

5.3概念设计的基本特征 39

5.4机械系统概念设计的基本内容 39

5.4.1功能分析与功能结构设计 39

5.4.2工艺动作的分解和构思 39

5.4.3执行机构系统方案构思与设计 39

5.5机电一体化系统的概念设计 39

第2章 机械系统概念设计的基本方法 41

1工艺动作过程和执行机构 41

1.1工艺动作过程 41

1.2执行动作 41

1.3执行构件和执行机构 41

2工作原理和工艺动作分析 42

2.1机械工作原理的确定 42

2.1.1糖果包装 42

2.1.2印刷工作 42

2.1.3螺栓的螺纹加工 42

2.2工艺动作过程的分解 42

3系统设计方法 43

3.1系统设计基本概念 43

3.2系统分析 43

3.2.1系统分析的要素 43

3.2.2系统分析的程序 44

3.3系统设计 44

3.3.1系统设计的概念 44

3.3.2系统设计的基本原则 44

3.3.3系统设计的过程 44

3.3.4系统综合评价 45

4层次分析方法 45

4.1层次分析法的基本步骤 45

4.2层次结构模型 46

4.3构造判断矩阵和计算相对权重 46

4.3.1构造判断矩阵 46

4.3.2计算权重 47

4.4判断矩阵的一致性检验 47

4.4.1完全一致性 47

4.4.2一致性检验指标 47

4.4.3随机一致性指标 47

4.5层次总排序 48

4.6层次分析法应用举例 48

5形态综合法 49

5.1形态综合的基本概念 49

5.2子系统的求解 49

5.3形态综合法进行子系统解的组合 50

5.4求最佳系统方案 51

第3章 动作行为载体及其创新设计 52

1机械系统的功能-行为-结构特点 52

1.1总功能与工艺动作过程 52

1.2行为与执行动作 52

1.3结构与执行机构 52

1.4工艺动作过程-执行动作-执行机构的功能求解模型 53

2动作行为和执行机构 53

2.1常见的动作行为形式 53

2.2动作行为载体（执行机构）的类型 53

3机构组合和组合机构 54

3.1机构的串联式组合 54

3.2机构的并联式组合 55

3.3机构的叠合式（或运载式）组合 55

3.4机构的叠联式组合 56

3.5组合机构 56

4广义机构 57

4.1液动机构 57

4.2气动机构 57

4.3电磁机构 58

4.4振动机构 58

4.5光电机构 59

5执行机构的创新方法 59

5.1应用机构学原理 60

5.2利用连杆机构或连架杆机构的运动特点构思新的机构 61

5.3用成形固定构件和相对运动实现复杂运动过程 62

5.4利用多种驱动原理创新机构 63

5.5机构类型创新和变异设计 64

5.6机构类型变换法 65

6机构选型 66

6.1按运动形式选择机构 66

6.2按执行机构的功用选择机构 67

6.3按不同的动力源形式选择机构 67

6.4按先易后难选择机构 68

6.5选择机构及其组合安排时应考虑的主要要求和条件 68

7动作解法库的建立 68

第4章 机械运动系统的协调设计 69

1机械运动系统的基本构成 69

1.1传动系统 69

1.2执行系统 69

2机械运动系统设计 69

2.1机械运动系统的基本内容 69

2.2机械运动系统的集成设计 74

3执行机构的协调设计 76

3.1机器的机构传动系统类型和工作原理 76

3.2机器执行机构的协调设计 78

3.3执行机构协调设计的分析计算 79

4机械运动循环图设计 80

4.1机器的运动分类 80

4.2机械的运动循环周期 80

4.3机器的工作循环图 80

4.4拟定机器工作循环图的步骤和方法 81

4.5机器工作循环图的作用 82

4.6机械运动循环图设计举例 82

第5章 机械系统的需求分析和工作机理确定 84

1市场需求是产品开发的起点 84

1.1需求与产品设计的关系 84

1.2需求的内容和特征 84

1.3需求的发现过程 85

2基于需求的功能分析和功能求解 86

2.1基于需求的功能求解 86

2.2功能细化和功能原理方案设计过程 86

2.3确定待研制产品的总功能（功能抽象表述） 87

2.4功能的细分和设计 87

2.5功能元的组合方式 88

2.6确定合适的技术原理 89

2.7功能元求解 89

3机械产品的工作机理 89

3.1机器工作机理的内涵和表达 90

3.2机器工作机理的重要特征 91

3.3机器工作机理的构成要素 91

4机器工作机理的基本特征和分类 91

4.1机器工作机理的表现形式 91

4.2机器工作机理的主要类别 92

4.3按工作机的行业特点对工作机理分类 92

5机器工作机理分析和求解方法 92

5.1机器工作机理的组成 92

5.2机器工作机理的行为表述 93

5.3机器工作机理的分解原理 93

5.4机器工作机理行为表述的应用 94

5.5工作机理行为表述是机器功能原理求解的有效方法 94

5.6结论 94

第6章 具有机械产品特征的功能求解模型 95

1现有功能求解模型的介绍 95

1.1设计目录求解模型 95

1.2功能-结构求解模型（F-S） 95

1.3功能-行为-结构求解模型（F-B-S） 95

1.4功能-效应-原理求解模型 95

1.5运动链发散创新求解模型 95

2功能-工作机理-工艺动作过程-执行动作-机构的求解模型（F- W-P-A-M ） 95

2.1构建F-W-P-A-M功能求解模型 95

2.2 F-W-P-A-M功能求解模型的特点 96

2.3采用F-W-P-A-M功能求解模型的示例 96

3执行机构选型和机构知识建模 97

3.1机构的分类原则和方法 97

3.2动作的描述和机构属性表达方式分析 97

3.3机构知识库结构模型 98

3.4计算机编码原则 98

3.5知识存储 99

第7章 机械系统运动方案的构思和设计 100

1机械系统运动方案设计的主要步骤和内容 100

1.1机械系统运动方案设计的主要步骤 100

1.2功能原理方案设计 100

1.3机械系统运动方案设计 101

1.4机械系统运动方案的尺度综合 102

2机械的工艺动作过程的构思 102

2.1工艺动作过程是功能和功能原理方案的具体体现 102

2.2工艺动作过程与机器类型的关系 103

2.3工艺动作过程构想原则 104

2.4工艺动作过程的构思方法 105

3机械工艺动作过程分解和执行机构的选择 106

3.1机械工艺动作过程的内涵 106

3.2机械工艺动作过程的分解 106

3.3动作组合的创新 108

3.4动作的描述和机构属性表达方式分析 110

3.5执行机构的选择 110

4机械运动系统方案的组成原理与方法 111

4.1机械运动系统组成的相容性原则 111

4.2机械运动系统组成的系统最优化原则 112

4.3寻求执行机构的创新设计是机械运动系统创新设计的基础 112

5机械系统运动方案设计举例 112

5.1设计平版印刷机的运动系统方案 112

5.2设计冲压式蜂窝煤成形机的运动系统方案 115

第8章 机械运动系统的评价体系和评价方法 119

1评价指标体系的确定原则 119

2评价指标体系 119

2.1机构的评价指标 119

2.2几种典型机构的评价指标的初步评定 120

2.3机构选型的评价体系 120

2.4机构评价指标的评价量化 120

2.5机构系统选型的评估方法 121

3价值工程方法 121

3.1产品的功能 121

3.2产品的寿命周期成本 121

3.3产品的价值 121

3.4机械运动方案的价值评定 122

4系统分析方法 122

4.1系统工程评价方法的基本原则 123

4.2建立评价指标体系和确定评价指标值 123

4.3建立评价模型 123

5模糊综合评价法 124

5.1模糊综合评价中主要运算符号 124

5.2模糊集合的概念 124

5.3隶属度函数的确定方法 125

5.4模糊综合评价 125

6实例分析 128

6.1系统工程评价法评价机械运动方案 128

6.2模糊综合评价法评价机械运动系统方案 129

参考文献 134

第34篇 机械系统的振动设计及噪声控制 137

第1章 绪论 139

1机械振动的含义及其分类 139

1.1机械振动的含义 139

1.2机械振动在工程中的作用 139

1.3机械振动的分类 139

2机械工程中常遇到的振动问题 140

3机械振动等级的评定 141

3.1振动烈度的确定 141

3.2泵振动烈度的评定 142

第2章 机械振动的基础 143

1机械振动的表示方法 143

1.1简谐振动的表示方法 143

1.2周期振动幅值的表示方法 143

1.3振动频谱的表示方法 144

2机械系统的力学模型 144

2.1力学模型的简化原则 144

2.2力学模型的种类 145

2.3等效参数的转换计算 146

3弹性构件的刚度 147

4机械振动系统的阻尼系数 150

4.1线性阻尼系数 150

4.2非线性阻尼的等效线性阻尼系数 151

5振动系统的固有圆频率 152

5.1单自由度系统的固有圆频率 152

5.2二自由度系统的固有圆频率 156

5.3各种构件的固有圆频率 158

6同向简谐振动的合成 163

第3章 线性系统的振动 165

1单自由度振动系统 165

1.1单自由度自由振动系统的力学模型及其响应 165

1.2单自由度系统的受迫振动 167

1.2.1简谐激励作用下的受迫振动及响应 167

1.2.2非简谐激励作用下的受迫振动及响应 168

2多自由度振动系统 170

2.1多自由度自由振动系统的力学模型及其响应 170

2.2二自由度受迫振动系统的振幅和相位差角的计算公式 172

3扭转振动系统 172

3.1扭转振动与直线振动的比较 172

3.2传递矩阵法 174

4共振 175

5回转机械起动和停机过程中的振动 175

5.1起动过程的振动 175

5.2停机过程的振动 176

第4章 非线性振动和随机振动 177

1非线性振动 177

1.1概述 177

1.1.1非线性特性 177

1.1.2非线性力的特征曲线 178

1.1.3非线性系统的物理特性 181

1.2求解非线性振动的常用方法 184

1.2.1等效线性化近似解法 184

1.2.2多尺度法 185

1.3自激振动 192

1.3.1自激振动与自振系统的特性 192

1.3.2机械工程中常见的自激振动现象 193

1.3.3单自由度系统相平面及稳定性 195

2随机振动 198

2.1平稳随机振动描述 198

2.2单自由度线性系统的传递函数及动态特性 200

2.3单自由度线性系统的随机响应 201

2.4多自由度线性系统的随机响应 201

第5章 振动的利用 203

1概述 203

1.1振动机械的组成 203

1.2振动的用途及工艺特性 206

1.3振动机械的频率特性及结构特征 207

1.4振动利用的方法步骤 207

2利用振动的机械系统 208

2.1常用的振动系统 208

2.2振动系统的一般分析方法 208

3振动系统中物料的运动学与动力学 208

3.1物料的运动学 208

3.1.1物料的运动状态 208

3.1.2物料的滑行运动状态 209

3.1.3物料的抛掷运动状态 209

3.2物料的动力学 210

3.2.1物料滑行运动时的结合质量与当量阻尼 210

3.2.2物料抛掷运动时的结合质量与当量阻尼 210

3.2.3弹性元件的结合质量与阻尼 211

3.2.4振动系统的计算质量、总阻尼系数及功率消耗 211

4常用的振动机械 212

4.1振动机械的分类 212

4.1.1按用途分类 212

4.1.2按驱动装置（激振器）的型式分类 212

4.1.3按动力学特性分类 212

4.2常用振动机械的计算 213

4.2.1惯性式振动机械 213

4.2.2弹性连杆式振动机械 214

4.2.3电磁式振动机械 217

4.2.4自同步式振动机械 217

5若干振动机械示例 219

5.1单轴激振器驱动的振动机械 219

5.1.1单轴惯性振动圆锥破碎机 219

5.1.2振动球磨机 219

5.1.3空间运动惯性光饰机和单激振器振动料斗 220

5.1.4插入式振捣器和单钢轮式轮胎振动压路机 221

5.1.5单轴式惯性振动筛 222

5.2双轴激振器驱动的振动机械 222

5.2.1振动颚式破碎机和双轴激振器驱动惯性振动圆锥破碎机 222

5.2.2卧式振动离心脱水机 223

5.2.3振动锤 223

5.2.4旋振式惯性振动筛和烘干机 224

5.2.5激振器偏移式自同步振动筛 224

5.2.6双向半螺旋多层多路给料振动细筛和交叉轴式自同步垂直输送机 224

6振动机械设计示例 225

6.1远超共振惯性振动机设计示例 225

6.1.1远超共振惯性振动机的运动参数设计示例 225

6.1.2远超共振惯性振动机的动力参数设计示例 226

6.2惯性共振式振动机的动力参数设计示例 227

6.3弹性连杆式振动机的动力参数设计示例 228

6.4电磁式振动机的动力参数设计示例 229

第6章 机械振动的控制 231

1机械及其零部件的平衡 231

1.1刚性转子的平衡 231

1.1.1回转体的动力分析 231

1.1.2平衡精度 232

1.1.3刚性回转体的静平衡 233

1.1.4刚性回转体的动平衡 233

1.2柔性转子的动平衡 234

1.3往复机械惯性力的平衡 234

2阻尼减振 236

2.1材料阻尼 236

2.2扩散阻尼 237

2.3相对运动阻尼 237

2.4结构阻尼 238

2.5附加阻尼 238

2.6阻尼减振原理 239

3常用的减振装置 239

3.1阻尼减振器 239

3.2固体摩擦减振器 240

3.3动力减振器 241

3.3.1无阻尼动力减振器 241

3.3.2有阻尼动力减振器 242

3.3.3动力减振器的最佳参数 243

3.3.4随机振动的动力减振器 244

3.4液压摩擦减振器 244

3.5摆式减振器 244

3.6冲击减振器 246

4隔振原理及隔振设计 246

4.1隔振原理及一次隔振的动力参数设计 246

4.2单自由度隔振系统 248

4.3二次隔振动力参数设计 249

4.4多自由度隔振系统 251

4.4.1固有频率 251

4.4.2主动隔振 251

4.4.3被动隔振 252

4.5随机振动的隔离 252

4.5.1单自由度随机隔振系统 252

4.5.2二自由度随机隔振系统 253

4.6冲击隔离 253

4.6.1冲击隔离原理 253

4.6.2冲击的主动隔离 253

4.6.3冲击的被动隔离 254

4.6.4阻尼对冲击隔离的影响 255

4.7隔振设计的几个问题 256

4.7.1隔振设计的步骤 256

4.7.2隔振设计的要点 256

4.7.3隔振器的阻尼 256

4.8常用隔振器及隔振材料 256

4.9隔振系数的参考标准 260

5振动的主动控制 260

5.1振动主动控制的原理 260

5.2振动主动控制的类型 260

5.3振动主动控制的组成 261

5.4控制律的设计方法 261

5.5主控消振 262

5.5.1谐波控制 262

5.5.2结构响应主动控制 262

5.5.3脉冲控制 263

5.6主控阻振 263

5.7主控吸振 263

5.7.1惯性可调式动力吸振器 263

5.7.2刚度可调式动力吸振器 264

5.7.3主控式有阻尼动力吸振器 265

5.8主控隔振 265

5.8.1全主控隔振 265

5.8.2半主控隔振 266

5.8.3主控隔振的作动器 266

6允许振动量 267

6.1机械设备的允许振动量 267

6.2其他要求的允许振动量 267

第7章 机械振动的测试 269

1概述 269

1.1测量在机械振动系统设计中的作用 269

1.2振动测量方法的分类 269

1.2.1振动测量的主要内容 269

1.2.2振动测量方法的分类 269

1.3测振原理 270

1.3.1线性系统振动量时间历程曲线的测量 270

1.3.2测振原理 270

2振动的测量 270

2.1周期振动的测量 270

2.1.1典型的电测系统 270

2.1.2振幅的测量 271

2.1.3频率的测量 271

2.1.4相位的测量 272

2.1.5激振力的测量 272

2.2冲击的测量 272

2.2.1测试量 272

2.2.2冲击测量的特点和对仪器的要求 272

2.2.3典型的冲击测量系统 272

2.3随机振动的测量 273

2.3.1测试量 273

2.3.2测量系统及其对仪器的要求 273

3机械动力学系统振动特性的测试 273

3.1固有频率的测定 273

3.2振型的测定 274

3.3阻尼比的测定 275

3.4动力响应特性的测试 275

3.5模型试验 276

4动力强度试验 277

4.1周期振动试验 277

4.2随机振动试验 277

4.3冲击试验 277

5测试装置 277

5.1传感器 277

5.1.1电测法常用的传感器 278

5.1.2传感器的选用原则 278

5.2中间转换装置 278

5.3记录及显示仪器 278

5.4激振设备及简便的激振方法 278

5.5测试装置的校准及标定 278

5.5.1绝对校准法 279

5.5.2比较校准法 279

5.5.3应用校准激励器进行校准 280

6信号分析及数据处理 280

6.1信号的时域分析 280

6.2信号的频域分析 281

6.3模拟信号分析 282

6.4数字信号分析 282

6.5智能化数据采集与分析处理、监测系统 283

第8章 轴和轴系的临界转速 284

1概述 284

2简单转子的临界转速 284

2.1力学模型 284

2.2两支承轴的临界转速 285

2.3两支承单盘转子的临界转速 285

2.4用传递矩阵法计算临界转速 286

3两支承多盘转子临界转速的近似计算 288

3.1带多个圆盘轴的一阶临界转速 288

3.2力学模型 288

3.3临界转速计算公式 288

3.4计算示例 289

4轴系的模型与参数 289

4.1力学模型 289

4.2滚动轴承支承刚度 289

4.3滑动轴承支承刚度 291

4.4支承阻尼 295

5轴系临界转速设计 295

5.1轴系临界转速修改设计 295

5.2轴系临界转速组合设计 296

6影响轴系临界转速的因素 297

6.1支承刚度对临界转速的影响 297

6.2回转力矩对临界转速的影响 297

6.3联轴器对临界转速的影响 297

6.4其他因素对临界转速的影响 298

第9章 机械噪声及其评价 299

1机械噪声的分类与特征 299

1.1起源不同的机械噪声 299

1.2强度变化不同的机械噪声 299

1.3噪声污染的危害 299

2机械噪声的评价 299

2.1声强与声强级 300

2.2声压与声压级 300

2.3声功率与声功率级 300

2.4 A计权声级 300

2.5 A计权声功率级 300

2.6噪声评价数NR 301

2.7声级的综合 301

2.7.1声级的运算 301

2.7.2声级运算示例 302

3法规及标准 302

3.1保护听力的噪声标准 302

3.2语言干扰标准 303

3.3机械噪声标准 303

第10章 机械噪声的测量及噪声源识别 306

1测量项目与测量仪器 306

1.1测量项目 306

1.2噪声测量系统 306

1.3声级计 306

1.4声强计及声强测量系统 307

2测量方法 308

2.1声级计及传声器的校准 308

2.2 A声级测量 309

2.3声功率测量 309

2.4声强测量 312

3测量环境对测量结果的影响 312

4机械噪声源的识别 313

5工业企业噪声测量 314

5.1机器设备噪声测量 314

5.2生产环境（车间）噪声测量 314

第11章 常见机械噪声源特性及其控制 316

1一般控制原则与控制方法 316

1.1噪声控制的一般原理 316

1.2机械噪声控制的一般原则 316

1.3某些机械设备的噪声控制方法 317

1.4工业噪声的一般控制方法 317

2齿轮噪声及其控制 318

2.1齿轮噪声的产生 318

2.2齿轮噪声控制途径与措施 319

3滚动轴承噪声及其控制 319

3.1滚动轴承噪声的产生 319

3.2滚动轴承噪声的控制 319

4液压系统噪声及其控制 320

4.1液压系统噪声的产生 320

4.1.1液压泵的噪声 320

4.1.2阀门的噪声 320

4.1.3管路的噪声 321

4.2液压系统噪声的控制 321

5气体动力性噪声及其控制 321

5.1概述 321

5.2气体动力性噪声的基本声源 322

5.3气体动力性噪声的特性与控制 322

第12章 消声装置及隔声设备 324

1消声器 324

1.1消声器的分类与性能要求 324

1.2阻性消声器 325

1.2.1阻性消声器的结构与特点 325

1.2.2阻性消声器消声量的计算 325

1.3抗性消声器 331

1.3.1扩张室型消声器 331

1.3.2共振腔型消声器 334

1.3.3其他类型的消声器 335

2隔声罩 336

2.1单层结构隔声罩的隔声量 336

2.2双层结构隔声罩的隔声量 337

2.3缝隙、孔洞对隔声量的影响 339

2.4隔声罩设计步骤与设计要点 339

2.5隔声罩降噪效果的评价 339

3隔声屏 340

3.1隔声屏降噪原理 340

3.2隔声屏降噪效果计算 340

3.3道路隔声屏的结构型式 340

3.4道路隔声屏的设计 340

参考文献 343

第35篇 疲劳强度设计 345

第1章 概论 347

1疲劳的分类 347

2疲劳强度设计方法 348

2.1名义应力法 348

2.2局部应力应变法 348

2.3损伤容限设计法 348

2.4概率疲劳设计法 348

第2章 疲劳载荷 349

1概述 349

2循环应力和循环应变 349

2.1循环应力 349

2.2循环应变 349

3随机载荷的循环计数法 350

4随机疲劳载荷谱的编制 351

4.1累积频数曲线 351

4.2载荷谱编制 351

第3章 金属材料的疲劳极限和S-N曲线 353

1金属材料疲劳极限 353

1.1基本概念 353

1.2金属材料的疲劳极限 353

1.3疲劳极限的经验公式 357

2常用金属材料的S-N曲线 357

第4章 影响疲劳强度的因素 367

1应力集中的影响 367

1.1理论应力集中系数 367

1.2有效应力集中系数 381

2尺寸的影响 388

3表面状况的影响 390

3.1表面加工状况 390

3.2表面腐蚀状况 390

3.3表面强化状况 390

4载荷状况的影响 392

4.1载荷类型的影响 392

4.2载荷频率的影响 392

4.3载荷峰值的影响 393

4.4平均应力的影响 393

第5章常规疲劳强度设计 396

1概述 396

2疲劳安全系数 396

3疲劳累积损伤理论 400

3.1基本概念 400

3.2线性疲劳累积损伤理论 400

3.3相对迈因纳（Miner）法则 401

4无限疲劳寿命设计 401

4.1单向应力时的无限疲劳寿命设计 401

4.1.1计算公式 401

4.1.2算例 401

4.2多向应力时的无限疲劳寿命设计 403

5有限疲劳寿命设计 403

5.1安全系数计算公式 403

5.2寿命估算 403

5.3随机疲劳寿命估算 403

5.3.1程序谱的疲劳寿命计算 403

5.3.2概率密度函数给出的连续谱寿命计算 404

5.4算例 404

第6章 现代疲劳强度设计 406

1概述 406

2低周疲劳 406

2.1低周疲劳曲线（ε-N曲线） 406

2.2循环应力-应变（σ-ε）曲线 409

2.2.1滞回线 409

2.2.2循环硬化与循环软化 409

2.2.3循环σ-ε曲线 409

2.3应变-寿命曲线的获得 412

2.3.1曼森-科芬方程 412

2.3.2四点法求应变-寿命曲线 413

2.4低周疲劳寿命估算 414

3局部应力应变法 415

3.1预备知识 415

3.1.1真实应力与真实应变 415

3.1.2玛辛特性 416

3.1.3材料的记忆特性 416

3.1.4载荷顺序效应 416

3.2局部应力-应变分析 416

3.2.1滞回线方程 416

3.2.2诺伯法 417

3.3裂纹形成寿命的估算 417

3.3.1损伤计算 417

3.3.2估算裂纹形成寿命步骤 418

3.4算例 418

4裂纹扩展寿命估算 420

4.1应力强度因子和断裂韧度 420

4.1.1应力强度因子 420

4.1.2断裂韧度 421

4.2疲劳裂纹扩展速率 423

4.2.1da／dN-△K关系曲线 423

4.2.2影响疲劳裂纹扩展速率的因素 426

4.3疲劳裂纹扩展寿命估算 427

4.3.1初始裂纹尺寸ao的确定 427

4.3.2临界裂纹尺寸ac的确定 427

4.3.3裂纹扩展寿命的估算公式 427

4.4算例 427

第7章 环境疲劳强度 429

1腐蚀疲劳强度 429

1.1腐蚀疲劳的S-N曲线 429

1.2腐蚀疲劳极限 429

1.3影响腐蚀疲劳的因素 429

1.4腐蚀疲劳寿命的估算 440

2热疲劳强度 440

2.1热应力与热疲劳 440

2.2热疲劳强度与寿命估算 440

2.2.1最大温度-寿命曲线 440

2.2.2应变幅度-寿命曲线 441

2.3热疲劳强度设计要考虑的主要问题 442

3低温疲劳强度 442

3.1低温下金属的特性 442

3.2低温下材料的疲劳数据和图线 443

3.2.1低温下材料的疲劳极限 443

3.2.2低温下的材料S-N曲线 443

3.3低温对应力集中的影响 444

3.4低温疲劳强度计算 445

4高温疲劳强度 445

4.1高温对材料力学性能的影响 445

4.2高温时材料S-N曲线 445

4.3 影响金属高温疲劳性能的主要因素 449

4.3.1材料因素 449

4.3.2温度因素 450

4.3.3频率因素 450

4.3.4应力集中因素 451

4.3.5表面状态因素 451

4.3.6平均应力因素 452

4.4高温下疲劳强度计算 452

4.4.1静态计算法 453

4.4.2蠕变疲劳复合作用计算法 454

第8章 冲击与接触疲劳强度 456

1冲击疲劳强度 456

1.1多次冲击能量-寿命（A-N）曲线 456

1.2影响多次冲击强度的因素 456

1.2.1材料的强度和韧性 456

1.2.2表面强化工艺 457

1.3冲击疲劳强度计算 459

2接触疲劳强度 459

2.1接触疲劳失效机理 459

2.2接触应力 460

2.3影响接触疲劳强度的因素 461

2.4接触疲劳强度计算 463

第9章 提高零构件疲劳强度的措施 465

1合理选材 465

1.1强度、塑性和韧性间最佳配合 465

1.2材料纯度 465

1.3晶粒度和晶粒取向的影响 465

2改进结构和工艺 465

2.1改进结构 465

2.2改进工艺 467

3表面强化 467

3.1表面热处理 468

3.2表面化学处理 468

3.3表面冷作强化 469

4表面防护 471

5合理操作与定期检修 471

第10章 疲劳试验与数据处理 472

1疲劳试验机 472

1.1疲劳试验机的种类 472

1.2疲劳试验加载方式 472

1.3疲劳试验控制方式 472

1.4疲劳试验数据采集 473

2疲劳试样及其制备 473

2.1试样 473

2.1.1光滑试样 473

2.1.2缺口试样 474

2.1.3低周疲劳试样 474

2.1.4疲劳裂纹扩展试样 475

2.2试样制备 476

2.2.1取样 476

2.2.2机械加工 476

2.2.3热处理 477

2.2.4测量、探伤与储存 477

3疲劳试验方法 477

3.1 S-N曲线试验 477

3.1.1单点试验法 477

3.1.2成组试验法 478

3.2疲劳极限试验 479

3.3 ε-N曲线试验 480

3.4应力-应变曲线试验 481

3.5裂纹扩展速率（da／dN曲线）试验 482

3.6断裂韧度试验 482

4疲劳试验数据处理 483

4.1可疑观测值的取舍 483

4.2 S-N曲线拟合 484

4.3 ε-N曲线拟合 485

4.4应力-应变曲线拟合 485

4.5 da／dN曲线拟合 486

4.6断裂韧度试验数据处理 488

参考文献 489

第36篇 摩擦学设计 491

第1章 摩擦与摩擦因数 493

1固体摩擦的摩擦力 493

1.1固体摩擦力的性质 493

1.2摩擦因数与摩擦力计算 493

2固体摩擦定律 493

2.1古典摩擦定律 493

2.2固体摩擦的现代理论 493

2.2.1分子（黏附）分量的摩擦因数计算 493

2.2.2机械（变形）分量的摩擦因数计算 494

3摩擦角和摩擦锥 496

3.1静摩擦角 496

3.2静摩擦锥 496

3.3动摩擦角和动摩擦锥 496

4滑动摩擦因数 496

4.1室温及大气中的摩擦因数 496

4.1.1无润滑表面的滑动摩擦因数 496

4.1.2润滑表面的滑动摩擦因数 499

4.2高温下的摩擦因数 499

4.3真空中的摩擦因数 500

4.4低温下的摩擦因数 501

5滚动摩擦 502

6机械零件的摩擦 502

6.1斜面的摩擦 502

6.2楔连接的摩擦 502

6.3螺旋（纹）的摩擦 503

6.4普通滑动轴承的摩擦 504

6.4.1径向轴承的摩擦 504

6.4.2推力轴承的摩擦 504

6.5滚动轴承的摩擦 505

6.5.1摩擦转矩的粗略计算 505

6.5.2摩擦转矩的精确计算 505

6.6齿轮的摩擦 507

6.7带与轮的摩擦 508

6.8绳与卷筒的摩擦 508

6.9车轮与钢轨（路面）的摩擦 509

7摩擦装置中的摩擦 509

7.1基本特性 509

7.1.1接触种类 509

7.1.2接触刚性 509

7.1.3成膜介质对摩擦的影响 510

7.1.4滑动持续时间 510

7.1.5工作状态 510

7.1.6外部能量场对摩擦特性的影响 510

7.2摩擦副的主要参数 510

7.2.1滑动速度 511

7.2.2载荷 511

7.2.3摩擦因数 511

7.2.4摩擦因数的稳定度 511

7.2.5摩擦功 511

7.3摩擦材料的选取 512

7.4摩擦热力学计算 512

第2章 磨损及其控制 515

1磨损过程 515

1.1磨合 515

1.1.1稳定表面粗糙度 515

1.1.2影响磨合效果的因素 515

1.1.3磨合与磨损寿命 516

1.2磨损类型 516

1.3影响磨损的参数 516

1.3.1载荷 516

1.3.2速度 517

1.3.3温度 517

1.3.4其他参数 518

2控制磨损的设计方法 519

2.1材料选择 519

2.2材料表面处理 519

2.2.1表面机械硬化 519

2.2.2热喷涂 519

2.2.3化学热处理 520

2.2.4表面淬火和表面合金化 520

2.2.5化学和物理气相沉积 520

2.2.6电镀和化学镀 520

2.2.7深冷处理 520

2.3表面粗糙度 520

2.4润滑剂选择 520

2.5表面结构形状 520

2.6环境、过滤与密封 520

2.7表面温度和冷却能力 520

2.8运动控制 521

3磨损的度量与预测 521

3.1磨损的度量 521

3.2磨损计算 521

3.2.1 IBM磨损计算法 521

3.2.2磨损率的计算公式 521

3.2.3磨损度计算的理论公式 522

3.2.4磨损量计算的经验公式 523

3.3各种机械零件的典型磨损度（磨损率） 524

4机械零件的磨损预测 525

4.1轴瓦（轴套）的磨损预测 525

4.2滚动轴承的磨损预测 526

4.2.1接触疲劳磨损寿命计算 526

4.2.2黏附磨损寿命计算 526

4.2.3磨粒磨损寿命计算 527

4.3导轨的磨损预测 528

4.3.1滑动导轨 528

4.3.2滚动导轨 529

4.4 齿轮传动的磨损控制 529

4.4.1润滑状态 529

4.4.2轮齿胶合（黏附磨损） 530

4.4.3轮齿磨粒磨损 530

4.5传动链的磨损预测 531

4.6气缸套与活塞环的磨损预测 531

4.6.1黏附磨损预测 531

4.6.2磨粒磨损预测 531

4.7机械密封的磨损预测 531

4.7.1磨损类型 532

4.7.2磨损因数和极限pv值 532

4.8刀具的磨损预测 533

4.8.1刀具的磨损部位 533

4.8.2刀具磨损和刀具寿命的数学模型 534

4.9机动车辆轮胎踏面的磨损预测 534

4.9.1踏面橡胶磨损机理 534

4.9.2磨损度计算 534

4.10连接的磨损 535

5磨损零件的修复 535

5.1修复工艺的选择 536

5.2电镀 536

5.2.1镀铬 536

5.2.2镀镍 537

5.2.3刷镀 537

5.3金属喷涂 537

5.4焊接 538

5.4.1铸铁导轨的补焊修复 538

5.4.2钢制零件的补焊修复 538

5.5黏接 538

第3章 润滑设计 539

1润滑类型与状态 539

1.1流体润滑的润滑状态 539

1.2流体动力润滑 539

1.2.1雷诺方程及其应用 539

1.2.2流体动力润滑的稳态性能参数 543

1.2.3特征数和相似条件 543

1.2.4湍流动力润滑方程 543

1.2.5流体动力润滑径向轴承的稳定性 544

1.3弹性流体动力润滑 544

1.3.1基本参数 545

1.3.2基本公式 545

1.3.3润滑状态区域图及其应用范围 546

1.4流体静力润滑 547

1.4.1工作原理与基本方程 547

1.4.2油腔与油垫 548

1.4.3补偿元件 548

1.4.4功耗 549

1.5边界润滑 549

1.5.1边界润滑膜 549

1.5.2边界润滑模型 550

1.5.3边界润滑的摩擦力 550

1.5.4影响边界膜润滑性能的因素 550

1.5.5提高边界润滑膜强度的方法 551

1.6混合润滑 551

1.7固体润滑 551

2机械零件的流体动力润滑计算 551

2.1滑动轴承流体动力润滑计算 551

2.2滚动轴承弹性流体动力润滑计算 551

2.3齿轮传动弹性流体动力润滑计算 552

2.4凸轮机构的弹性流体动力润滑计算 553

3机械零件的润滑设计 554

3.1滑动轴承的润滑设计 554

3.2滑动导轨（普通导轨）的润滑设计 554

3.2.1润滑剂与润滑方法 554

3.2.2润滑油的选择 554

3.2.3提高导轨运动平稳性的措施 554

3.3滚动轴承的润滑设计 555

3.4齿轮、蜗杆传动的润滑设计 555

3.4.1润滑方法及其选择 555

3.4.2润滑油的选用 555

3.5链传动的润滑设计 557

3.5.1润滑剂的选择 557

3.5.2润滑方法的选择 557

3.6联轴器的润滑设计 558

3.7离合器的润滑设计 558

3.7.1电磁离合器的润滑 558

3.7.2摩擦片式离合器的润滑 558

3.7.3超越离合器的润滑 558

3.8钢丝绳的润滑设计 558

3.8.1制造时的润滑 559

3.8.2使用中的润滑 559

3.8.3加油方法 559

第4章 润滑剂 561

1润滑剂及其特性 561

1.1润滑剂的类型 561

1.2润滑油和润滑脂的流变学特性 561

1.2.1黏度 561

1.2.2黏温关系 561

1.2.3黏压关系 563

1.2.4黏度与压力和温度的综合关系 563

1.2.5非牛顿特性 563

1.3润滑油 564

1.3.1品种 564

1.3.2主要质量指标 564

1.3.3常用润滑油的组成、性质和用途 564

1.4润滑脂 564

1.5添加剂 564

1.5.1添加剂的作用与性能要求 564

1.5.2类型与功能 565

1.6固体润滑剂 565

1.6.1固体润滑剂的类型 565

1.6.2固体润滑剂的性能 565

2润滑剂的选用 569

2.1润滑剂类型的选择 569

2.2润滑油的选用 570

2.2.1选用润滑油的一般原则 570

2.2.2机床用润滑油的选用 570

2.2.3建筑机械用润滑油的选用 570

2.2.4润滑油黏度的掺配 570

2.3润滑脂的选用 571

3润滑油、润滑脂的更换及其周期 571

3.1润滑油污染度及其测定 572

3.2换油周期 572

3.2.1小型润滑系统的换油周期 572

3.2.2大型润滑系统的换油周期 572

3.3换油步骤 573

第5章 润滑方法与润滑系统设计 574

1润滑方法及其选择 574

1.1润滑油、润滑脂的润滑方法及其选择 574

1.1.1油、脂润滑方法 574

1.1.2油、脂润滑方法的选择 575

1.2固体润滑剂的润滑方法 575

1.2.1润滑方法 575

1.2.2特性与使用 575

1.2.3几种固体润滑剂的使用 576

1.3气体润滑剂的润滑方法 577

2润滑油、润滑脂润滑系统及其设计 577

2.1润滑油、润滑脂用润滑系统及其分类 578

2.2手工加油、脂润滑 578

2.3集中供脂系统 578

2.4滴油润滑及其装置 578

2.5油绳和油垫润滑及其装置 578

2.6油浴和飞溅润滑及其装置 579

2.6.1齿轮传动的油浴润滑和飞溅润滑 579

2.6.2蜗杆传动的油浴润滑 579

2.6.3润滑油池容积 579

2.7油环、油盘润滑及其装置 579

2.7.1油环润滑及其装置 579

2.7.2油盘润滑及其装置 580

2.8喷雾润滑系统 580

2.8.1润滑单位 580

2.8.2喷雾嘴尺寸 580

2.8.3配管尺寸 581

2.8.4空气和润滑油的消耗量 581

2.8.5油雾发生器与油雾润滑装置 581

2.8.6喷雾嘴安装 581

2.9油气润滑系统 582

2.10喷油润滑系统 582

第6章 摩擦副材料及其选用 583

1摩擦材料 583

1.1对摩擦材料性能的要求 583

1.2摩擦材料的类型与应用 583

1.2.1非金属摩擦材料 584

1.2.2金属摩擦材料 584

2减摩材料 586

2.1金属减摩材料 586

2.2粉末冶金减摩材料 588

2.3聚合物减摩材料 588

2.4金属塑料减摩材料 589

2.5木基减摩材料 589

2.6炭-石墨 590

3耐磨材料 590

3.1对耐磨材料的性能要求 590

3.2耐磨材料及其特性 591

3.2.1钢 591

3.2.2难熔金属及特种合金 592

3.2.3铜基合金 592

3.2.4铸铁 592

3.2.5聚合物 593

3.2.6碳化物和陶瓷 593

3.2.7炭-石墨耐磨材料 594

4摩擦副材料的选择 594

4.1运转条件的分析 595

4.1.1载荷与环境条件 595

4.1.2设计要求 595

4.2摩擦副性能估计 595

4.3摩擦副材料的选定 595

4.4摩擦副材料的选择框图 595

5表面处理和覆盖层 596

5.1表面处理 596

5.1.1表面处理的类型 596

5.1.2表面处理的应用 596

5.1.3表面处理的效果 597

5.2表面覆盖层 597

5.2.1覆盖层材料 597

5.2.2涂覆方法 597

5.3表面处理与覆盖层的应用 600

参考文献 601

第37篇 机械可靠性设计 603

第1章 可靠性设计的基础知识 603

1概述 603

1.1可靠性的概念 603

1.2可靠性设计程序和手段 603

1.3可靠性设计的目标值 603

1.4可靠性设计方法 604

1.5可靠性设计的其他方面 604

2可靠性中常用的概率分布 605

3可靠性特征量 617

3.1可靠度 617

3.2累积失效概率 618

3.3平均寿命、可靠寿命和中位寿命 618

3.4失效率和失效率曲线 618

3.5可靠性特征量间的关系 619

3.6维修性特征量 620

3.6.1维修度 620

3.6.2修复率 620

3.6.3平均修复时间 620

3.6.4维修性和可靠性特征量的对应关系 620

3.7有效性特征量 620

3.7.1有效度的意义 620

3.7.2有效度的种类 621

3.7.3单元有效度 621

第2章 可靠性试验数据的统计处理方法 622

1可靠性试验分类 622

1.1按试验场所的分类 622

1.2按试验截止情况的分类 622

2分布类型的假设检验 622

2.1x2检验法 622

2.2 K-S检验法 623

3指数分布的分析法 624

3.1指数分布的拟合性检验 624

3.2指数分布的参数估计和可靠度估计 625

4正态及对数正态分布的分析法 626

4.1正态及对数正态分布的拟合性检验 626

4.2正态及对数正态分布完全样本的参数估计 628

4.3正态及对数正态分布截尾寿命试验的参数估计 628

4.4正态及对数正态分布可靠寿命和可靠度的估计 634

5威布尔分布的分析法 637

5.1威布尔分布的拟合性检验 637

5.2威布尔分布的参数估计 638

5.3威布尔分布的可靠度和可靠寿命估计 647

6可靠性虚拟试验方法 650

6.1蒙特卡洛模拟法 650

6.1.1概述 650

6.1.2随机数的产生方法 651

6.1.3随机数检验 651

6.1.4常用分布随机数的产生 652

6.2蒙特卡洛模拟法计算随机变量函数的分布 653

第3章 机械零件的可靠性设计 654

1应力-强度干涉模型与可靠度计算方法 654

1.1应力-强度干涉模型 654

1.2可靠度计算的一般公式 654

1.3可靠度计算的数值积分法 655

1.4可靠度计算的极限状态法 655

2可靠度的近似计算法 657

2.1可靠安全系数 657

2.2随机变量函数的均值和标准差的近似计算 658

3机械零件可靠性设计所需的部分数据和资料 659

3.1几何尺寸 659

3.2材料的强度特性 660

4零件静强度的可靠性设计 668

4.1正态分布的设计法 668

4.2非正态分布的设计法 668

4.3零件静强度的可靠性设计应用举例 670

5疲劳强度的可靠性设计 671

5.1变应力和变载荷的类型 671

5.2部分材料的p-S-N曲线 672

5.3零件的疲劳极限 680

5.4用疲劳曲线线图计算零件的疲劳强度可靠度 682

5.5用疲劳极限线图计算零件的疲劳强度可靠度 684

5.6用等效应力计算零件的疲劳强度可靠度 685

5.7受复合应力时零件的疲劳强度可靠度计算 685

5.8零件疲劳强度可靠度计算的应用举例 686

5.9零件疲劳寿命的可靠性预计 691

6其他失效形式时可靠性设计 693

6.1断裂韧度的可靠性设计 693

6.2刚度的可靠性设计 694

6.3磨损和腐蚀的可靠性设计 696

6.3.1磨损的可靠性设计 696

6.3.2腐蚀的可靠性设计 697

6.4摩擦传动的可靠性设计 698

第4章 机械系统的可靠性分析 700

1不可修复系统的可靠性分析 700

1.1系统可靠性模型 700

1.2常用系统的可靠度和平均寿命 701

2可修复系统的可靠性 702

3可靠性预计 703

3.1可靠性预计的目的 703

3.2可靠性预计的方法 703

4可靠性分配 704

4.1可靠性分配的原则 704

4.2可靠性分配的方法 704

5失效模式、效应及危害度分析 706

5.1基本概念 706

5.2分析的过程和方法 706

6故障树分析 707

6.1基本概念 707

6.2故障树的建立 708

6.3故障树的定性分析 710

6.4故障树的定量分析 711

第5章 机构运动可靠性分析 712

1概述 712

1.1机构可靠性的分类 712

1.2机构可靠度的计算方法 712

2机构运动可靠性基本模型及计算方法 712

2.1机构运动可靠性的定义及影响因素 712

2.2机构可靠性指标 713

2.2.1可靠度R 713

2.2.2可靠性储备系数K 713

2.3机构可靠性通用数学模型 713

2.3.1机构运动学数学模型 713

2.3.2机构运动精度概率模型 714

2.3.3计算可靠度R 715

3曲柄滑块机构运动可靠性分析 715

3.1理想状态下机构运动关系式 715

3.1.1对心曲柄滑块机构运动关系式 715

3.1.2偏心曲柄滑块机构运动关系式 716

3.2考虑原始误差的可靠性计算模型 716

3.2.1考虑尺寸误差的计算模型 716

3.2.2考虑运动副间隙误差的计算模型 717

3.3考虑磨损建立随时间变化的可靠性计算模型 719

3.3.1对运动铰链中轴套的磨损分析 719

3.3.2建立磨损与间隙之间的关系 720

3.3.3建立磨损与输出运动参数的关系 721

4并联机构运动可靠性分析实例 721

4.1并联机构的特点及应用 721

4.2 Delta型并联机构的运动学分析 721

4.3 Delta型并联机构的位置误差分析 722

4.4 Delta型并联机构的运动可靠性分析 723

4.5并联机构的运动可靠性仿真研究 724

4.5.1参数化建模 724

4.5.2位置正反解的获得 724

4.5.3模拟各个原始误差的随机性 725

4.5.4 Monte Carlo仿真 725

4.5.5可靠度计算 725

第6章 可靠性灵敏度设计 727

1目的及意义 727

2可靠性灵敏度设计方法 727

2.1基于摄动法的可靠性灵敏度分析 727

2.2不完全概率信息机械可靠性设计 728

2.3可靠性灵敏度设计 728

2.4基于响应面方法的可靠性灵敏度分析 730

3可靠性灵敏度设计实例 731

3.1汽车前轴 731

3.2螺旋弹簧 732

3.3法兰 733

3.4附件机匣 734

参考文献 737

第38篇 机械结构的有限元设计 739

第1章 弹性力学基本理论与有限元法基本原理 741

1弹性力学基本概念 741

1.1理想弹性体基本假设 741

1.2弹性力学的基本概念 741

1.3应力平衡微分方程 742

1.4几何方程 742

1.5物理方程 742

2有限元法的基本原理 743

2.1有限元法的基本步骤 743

2.2广义坐标下的有限元格式 744

第2章 平面问题和空间问题的有限元 745

1两类平面问题的力学表达 745

1.1平面应力问题 745

1.2平面应变问题 745

2平面问题的三角形单元 745

2.1建立过程 745

2.2分析公式 747

3轴对称问题的三角形单元 749

4空间问题的四面体单元 751

第3章 等参元的基本原理 754

1平面八节点四边形等参元 754

2一维等参元 755

3平面矩形等参元 756

4平面三角形等参元 758

5三维等参元 759

6等参元用于机械结构分析的一般格式 761

第4章 单元形函数的性质 763

1形函数的构造原理 763

1.1常用单元的形函数 763

1.2形函数的构造规律——帕斯卡三角形 765

2形函数的性质 766

3用面积坐标表达的形函数 767

4有限元的收敛准则 768

5等效节点载荷列矩阵 768

5.1单元载荷的移置 768

5.2结构整体载荷列矩阵的形成 769

第5章 杆梁问题的有限元 770

1杆单元 770

1.1轴力杆单元 770

1.2扭转杆单元 770

2平面梁单元 770

3空间梁单元 771

3.1空间梁单元的自由度定义 771

3.2空间梁单元的坐标变换 772

3.3空间梁单元的单元刚度矩阵 773

第6章 薄板弯曲问题的有限元 774

1线弹性薄板理论 774

1.1薄板弯曲的几何方程 774

1.2薄板弯曲的物理方程 774

1.3薄板弯曲的内力矩平衡方程 775

2三角形薄板单元 775

3用面积坐标表示的三角形板单元 776

4四边形薄板单元 777

5用局部坐标表示的四边形薄板单元 778

6考虑剪切的明德林（Mindlin ）板单元 779

第7章 壳体问题的有限元 781

1基于薄壳理论的轴对称壳体单元 781

1.1轴对称薄壳理论的基本公式 781

1.2薄壳截锥单元 782

2位移和转动各自独立插值的轴对称壳体单元 783

2.1基本公式 783

2.2截锥单元 783

2.3曲边单元 784

3轴对称超参数壳体单元 784

3.1几何形状的规定 784

3.2位移函数 784

3.3应力和应变的确定 785

3.4刚度矩阵的计算 785

4不同类型单元的连接 785

4.1多点约束方程 785

4.2过渡单元 786

5一般壳体问题的平板壳体单元 786

5.1局部坐标系下的单元刚度矩阵 786

5.2单元刚度矩阵的坐标转换 787

6一般壳体问题的超参数壳体单元 787

6.1几何形状的规定 787

6.2位移函数的表示 787

6.3应力和应变的确定 788

6.4单元刚度矩阵的计算 788

第8章 热传导问题的有限元 789

1热传导微分方程 789

2线性热传导方程的有限元方法 789

3热传导单元分析 790

3.1一维单元 790

3.2二维单元 790

3.2.1三角形单元 790

3.2.2四节点等参元 791

3.3八节点块体等参元 792

4稳态热传导的有限元分析 793

5非稳态热传导的有限元分析 793

6非线性热传导的有限元方法 793

7场问题的有限元分析 794

第9章 动力学问题的有限元 795

1单元的动力学方程 795

2单元质量矩阵和阻尼矩阵 796

3机械结构的动力学有限元方程 796

4机械结构固有特性的有限元分析 796

4.1机械结构固有特性的基本方程 796

4.2机械结构固有特性的求解方法 797

5求解动力响应问题 799

5.1振动响应的振型叠加法 799

5.2振动响应的时域积分法 799

5.2.1中心差分法 800

5.2.2纽马克方法 800

6减缩动力系统自由度的方法 801

第10章 非线性问题的有限元 803

1非线性方程组的数值解法 803

1.1直接迭代法 803

1.2牛顿-拉富生（Newton-Raphson ）方法 803

1.3修正的N-R方法 803

1.4增量法 804

1.5加速收敛方法 804

2材料非线性问题的有限元分析 805

2.1塑性力学基本法则 805

2.2弹塑性应力应变关系 806

2.3弹塑性增量有限元分析 806

2.4与时间相关的材料非线性问题分析 806

3几何非线性问题的有限元分析 807

3.1几何非线性问题的应变与应力度量 807

3.2几何非线性问题的有限元表达 809

4结构屈曲的稳定性分析 810

5接触问题的有限元分析 811

6黏弹性材料结构的有限元分析 812

第11章 有限元分析实例 815

1平面应力问题算例 815

2等参元应用算例 816

3杆梁问题的算例 818

4板壳问题的算例 819

5热传导问题的算例 820

6动力学问题的算例 821

7橡胶减振器的刚度分析 822

8黏弹性阻尼-薄壁圆柱壳的有限元建模方法 824

9水泵泵体的有限元分析 826

10一级减速器有限元计算分析 827

参考文献 838

第39篇 优化设计 839

第1章 优化设计算法原理 841

1优化设计概述 841

1.1优化设计的基本概念 841

1.2优化设计的数学模型 841

1.3优化设计的迭代算法及终止准则 842

1.4优化设计的算法分类 843

2一维无约束优化方法 843

2.1确定搜索区间的进退算法 843

2.2切线法 844

2.3黄金分割法（0.618法） 844

2.4二次插值法（抛物线插值法） 845

3多维无约束优化算法 846

3.1坐标轮换法 846

3.2共轭方向法（Powell法） 846

3.3梯度法 846

3.4共轭梯度法 847

3.5牛顿法 848

3.6变尺度法 848

4多维约束优化算法 849

4.1简约梯度法 849

4.2广义简约梯度法 850

4.3罚函数法 852

4.3.1内点法 852

4.3.2外点法 853

4.3.3混合法 854

4.4序列线性规划法 855

4.5序列二次规划法 855

第2章 结构优化设计方法 857

1结构优化设计概述 857

2结构优化的准则法 857

2.1满应力法 858

2.1.1杆结构满应力准则 858

2.1.2板结构满应力准则 858

2.2单位移约束准则法 858

2.3多位移约束准则法 859

3结构优化的齿行法 859

3.1结构优化齿行法简介 859

3.2杆结构优化齿行法 859

3.3梁结构优化齿行法 860

4结构优化设计实例 860

4.1机床主轴的结构优化设计 860

4.2悬臂梁的结构优化设计 861

第3章 形状优化设计方法 862

1形状优化设计概述 862

2形状优化的敏度分析 863

2.1位移敏度计算 863

2.2应力敏度计算 864

2.3形状敏度分析实现 864

3形状优化的自适应分析技术 865

3.1误差估计 865

3.2 h自适应法 865

3.3 p自适应法 866

4自适应分析形状优化设计 868

5形状优化设计应用实例 869

5.1内燃机连杆的形状优化设计 869

5.2起重吊钩的自适应形状优化设计 869

第4章 多目标问题的优化设计方法 871

1多目标问题的优化基本概念 871

2协调曲线法 871

2.1协调曲线法基本原理 871

2.2应用示例——径向动压滑动轴承的优化设计 872

3统一目标函数法 873

3.1目标规划法 873

3.2乘除法 873

3.3线性加权组合法 873

3.3.1线性加权组合法的目标函数 873

3.3.2应用示例——蟹爪式装载机扒取机构的优化设计 874

4功效系数法 874

4.1功效系数法的基本原理 874

4.2应用示例——门座式起重机变幅四杆机构的优化设计 875

第5章 随机变量优化设计方法 877

1随机变量优化设计的数学模型 877

1.1随机参数和随机设计变量 877

1.2随机变量优化设计数学模型 877

2一次二阶矩方法 877

2.1一次二阶矩方法基本原理 877

2.2一次二阶矩方法算法 878

3随机模拟搜索方法 878

3.1随机模拟搜索方法基本原理 878

3.2随机模拟搜索方法算法 879

4应用示例——压力容器的随机变量优化设计 879

第6章 离散变量优化设计方法 882

1离散变量优化设计的数学模型 882

2离散变量自适应随机搜索法 882

2.1设计点样本产生的基本方程 882

2.2随机移步查点技术 883

2.3自适应随机搜索法算法 883

3离散变量的组合形法 884

3.1初始离散组合形的产生 884

3.2离散一维搜索 884

3.3离散变量组合形算法的步骤 884

4离散性惩罚函数法 885

4.1离散性惩罚函数法基本原理 885

4.2离散惩罚函数的算法 885

5应用示例——箱形盖板 885

第7章 模糊优化设计方法 887

1模糊优化设计概述 887

1.1机械设计中的模糊性影响因素 887

1.2隶属函数 887

1.3数学模型 890

1.3.1目标函数 890

1.3.2约束条件 890

1.3.3设计变量 890

1.4模糊优化求解的基本思想 890

2对称型模糊优化设计 890

2.1对称模糊优化模型的直接解法 890

2.2对称模糊优化模型的迭代解法 890

2.3模糊约束下非模糊目标优化模型的求解 891

3非对称型模糊优化设计 891

3.1模糊约束下函数的条件极值 891

3.2非对称型模糊优化的数学模型 891

3.3非对称型模糊优化的水平截集解法 892

3.3.1普通模糊约束的优化设计 892

3.3.2广义模糊约束的优化设计 892

4模糊优化方法应用实例 893

4.1三级斜齿圆柱齿轮减速器的优化设计 893

4.2简支梁的模糊优化设计 895

第8章 智能优化设计方法 898

1智能优化方法概述 898

1.1智能优化方法的基本概念 898

1.2常用的智能优化方法 898

1.3智能优化方法的特点 899

2遗传算法 899

2.1遗传算法的基本概念 899

2.2遗传算法的基本特点及应用 899

2.3遗传算法的计算流程 899

2.4应用案例——加工中心组成问题 900

3蚁群优化算法 903

3.1蚁群优化算法的基本思想及特点 903

3.2基本蚁群优化算法模型 904

3.3蚁群优化算法的步骤 904

3.4应用案例——混流装配线调度问题 904

4粒子群优化算法 906

4.1粒子群优化算法的基本概念、模型 906

4.2标准粒子群优化算法的算法流程 907

4.3应用案例——加工中心组成问题 908

5蜂群算法 910

5.1基于蜜蜂繁殖机理的蜂群算法 （MBO） 910

5.1.1蜂群算法（MBO）的建模 910

5.1.2蜂群算法（MBO）的算法流程 910

5.2基于蜜蜂采蜜机理的蜂群算法 （ABC） 910

5.2.1蜂群算法（ABC）的建模 910

5.2.2蜂群算法（ABC）的算法流程 911

5.3蜂群算法的特点 911

5.4蜂群算法的应用——加工中心组成问题 912

6萤火虫算法 914

6.1基本萤火虫算法（GSO）模型 914

6.2基本萤火虫算法（GSO）的算法流程 915

6.3 GSO算法应用案例——流水车间调度 （置换flow-shop）问题 915

7布谷鸟搜索算法 916

7.1标准布谷鸟搜索算法（CS）模型 916

7.2标准布谷鸟搜索算法（CS）流程 916

7.3应用案例——混流装配线调度问题 917

第9章 优化设计应用实例 919

1机构优化设计 919

1.1机构优化设计概述 919

1.2连杆机构优化设计 919

1.3凸轮机构优化设计 921

1.4支撑掩护式液压支架机构的多目标优化设计 922

2机械零件优化设计 925

2.1机械零件优化设计概述 925

2.2齿轮传动优化设计 927

2.3弹簧优化设计 929

2.4液体动压滑动轴承优化设计 930

3可靠性优化设计 931

3.1可靠性优化设计概述 931

3.2机构可靠性优化设计 932

3.3结构可靠性优化设计 934

3.3.1结构可靠性优化的概念及模型 934

3.3.2三杆结构可靠性优化设计 935

4复杂系统优化设计 936

4.1复杂系统优化设计概述 936

4.2多级优化设计技术 936

4.3飞机设计的多级优化实例 938

参考文献 941

第40篇 数字化设计 943

第1章 概述 945

1数字化设计技术 945

1.1产品设计特点与数字化设计技术 945

1.2数字化设计技术的内涵和学科体系 945

1.3数字化设计流程 946

2数字化设计技术的相关技术 948

2.1计算机辅助设计 948

2.2计算机辅助制造 948

2.3计算机辅助工艺过程设计 948

2.4计算机辅助工程 949

2.5产品数据管理 949

3数字化设计技术的发展趋势 949

第2章 计算机图形学基础 951

1概述 951

1.1计算机图形学的研究内容 951

1.2计算机图形学的应用 951

1.3计算机图形学的发展趋势 952

2图形变换 953

2.1二维图形的基本变换 953

2.2二维图形的组合变换 956

2.3窗口和视区的匹配交换 957

2.4三维图形的几何变换 957

2.5正投影变换 959

2.6复合变换 959

2.7透视投影变换 959

3图形的剪裁与消隐 960

3.1图形的剪裁 960

3.2图形的消隐 961

第3章