高等学校机械专业系列教材 现代机械设计方法PDF电子书下载

绪论 1

第一篇 优化设计 5

第1章 优化问题及其数学表达 7

1.1 优化设计的数学模型 7

1.1.1 一个简单的优化设计案例 7

1.1.2 设计变量 8

1.1.3 目标函数 9

1.1.4 约束条件 10

1.1.5 优化设计数学模型的标准式 11

1.2 优化设计的数学基础 11

1.2.1 目标函数的梯度与最速下降方向 11

1.2.2 多元函数的泰勒展开 12

1.2.3 二次型函数 13

1.3 优化问题的极值条件 14

1.3.1 无约束优化问题的极值条件 14

1.3.2 约束优化问题的极值条件 14

1.4 优化设计的数值解法 17

1.4.1 迭代法的基本思想 17

1.4.2 迭代过程的终止准则 18

第2章 一维优化方法 19

2.1 搜索区间的几何特征 19

2.2 搜索区间的确定 19

2.3 搜索区间的缩短 20

2.4 一维搜索的试探法 21

2.5 一维搜索的插值法 24

2.5.1 切线法 24

2.5.2 抛物线法 25

第3章 多维无约束优化 27

3.1 坐标轮换法 27

3.2 共轭方向法 29

3.2.1 概述 29

3.2.2 共轭向量的基本概念 29

3.2.3 共轭方向的构造原理 30

3.2.4 共轭方向法的搜索过程 30

3.3 鲍威尔（Powell）法 32

3.3.1 共轭方向法存在的问题 33

3.3.2 鲍威尔修正算法 33

3.3.3 鲍威尔法的迭代步骤 34

3.3.4 鲍威尔法的MATLAB实现 35

3.4 最速下降法 37

3.5 牛顿法 38

3.5.1 牛顿法的基本原理 38

3.5.2 广义牛顿法 39

3.6 变尺度法 40

3.6.1 变尺度法的基本原理 40

3.6.2 变尺度矩阵的构建 40

3.6.3 变尺度法的迭代步骤 41

3.6.4 变尺度法的MATLAB实现 42

第4章 多维约束优化 44

4.1 随机方向法 44

4.1.1 随机方向法的基本原理 44

4.1.2 初始点的选择 44

4.1.3 可行搜索方向的产生 45

4.1.4 随机方向法的迭代步骤 45

4.2 惩罚函数法 47

4.2.1 内点惩罚函数法 47

4.2.2 外点惩罚函数法 51

4.3 MATLAB工具箱fmincon函数 52

第5章 机械优化设计要点 54

5.1 机械优化设计的一般步骤 54

5.2 数学建模的基本原则 54

5.2.1 设计变量的选择 54

5.2.2 目标函数的确定 55

5.2.3 约束条件的确定 55

5.3 数学模型的尺度变换 56

5.3.1 设计变量的无量纲化 56

5.3.2 目标函数的性态优化 56

5.3.3 约束条件的规格化 57

5.4 多目标优化 57

5.4.1 主要目标法 58

5.4.2 线性加权法 58

5.4.3 极大极小法 59

5.4.4 理想点法 59

5.5 离散变量的优化设计 60

5.5.1 离散变量优化问题概述 60

5.5.2 拟离散法 62

5.5.3 离散惩罚函数法 63

第6章 智能优化算法 65

6.1 遗传算法 65

6.1.1 遗传算法的概念 65

6.1.2 遗传算法的计算流程 66

6.1.3 遗传算法的基本操作 68

6.1.4 遗传算法的特点 70

6.1.5 改进的遗传算法 70

6.1.6 MATLAB遗传算法工具箱简介 72

6.2 粒子群优化算法 73

6.2.1 粒子群优化算法的概念 73

6.2.2 原始粒子群算法 73

6.2.3 标准粒子群算法 74

6.2.4 标准粒子群算法的计算流程 74

习题一 77

第二篇 有限元法 79

第7章 弹性力学基本理论 81

7.1 弹性力学基本假设 81

7.2 弹性力学基本概念 82

7.2.1 体力 82

7.2.2 面力 82

7.2.3 应力 83

7.2.4 应变 84

7.2.5 位移 84

7.2.6 主应力 84

7.2.7 主应变 85

7.3 弹性力学基本方程 86

7.3.1 平衡方程 86

7.3.2 几何方程 86

7.3.3 物理方程 87

7.3.4 边界条件 87

7.4 平面问题的基本理论 88

7.4.1 平面应力问题 88

7.4.2 平面应变问题 89

7.4.3 平面问题的基本方程 89

7.5 弹性力学的能量原理 90

7.5.1 虚位移原理 90

7.5.2 最小势能原理 91

第8章 有限元基本理论 92

8.1 有限元法求解问题的基本步骤 92

8.2 基本单元 93

8.2.1 杆状单元 93

8.2.2 平面单元 93

8.2.3 薄板弯曲单元和薄壳单元 94

8.2.4 多面体单元 95

8.2.5 等参单元 95

8.2.6 轴对称单元 96

8.3 单元数值分析 96

8.3.1 单元的插值函数 97

8.3.2 单元应力应变分析 98

8.3.3 载荷移置 100

8.4 整体集成 101

8.5 求解与后处理 103

8.5.1 边界约束条件处理 103

8.5.2 求解 103

8.5.3 计算结果的整理与后处理 104

第9章 有限元建模 105

9.1 有限元建模的准则 105

9.2 常用有限元建模技巧 106

9.2.1 对称性和反对称性 106

9.2.2 周期对称结构 107

9.2.3 降维处理和几何简化 108

9.2.4 边界条件的处理 109

9.2.5 连接条件的处理 110

9.3 参数化有限元建模 112

9.3.1 建立实体模型 113

9.3.2 实体模型操作 116

9.3.3 定义单元属性和划分网格 118

9.3.4 直接生成有限元模型 119

9.3.5 参数化有限元建模示例 120

第10章 接触问题的有限元分析 122

10.1 接触问题的边界条件 122

10.2 接触问题的有限元法 123

10.2.1 接触界面的离散处理 123

10.2.2 拉格朗日乘子法的有限元方程 125

10.2.3 罚函数法的有限元方程 126

10.3 ANSYS接触有限元建模与分析 127

10.3.1 ANSYS接触分析的特点 127

10.3.2 ANSYS接触分析的参数 128

10.3.3 ANSYS接触对的生成 131

10.4 ANSYS接触分析算例 132

第11章 疲劳与断裂分析 135

11.1 结构疲劳分析 135

11.1.1 结构疲劳分析原理 135

11.1.2 ANSYS结构疲劳分析流程 137

11.1.3 ANSYS结构疲劳分析算例 138

11.2 结构断裂有限元分析 140

11.2.1 结构断裂分析原理 140

11.2.2 用于强度因子计算的奇异单元 142

11.2.3 ANSYS结构断裂分析流程 143

11.2.4 ANSYS结构断裂分析算例 145

第12章 有限元优化设计 147

12.1 结构参数优化 147

12.1.1 结构参数优化有限元分析原理 147

12.1.2 结构参数优化ANSYS分析流程 148

12.2 拓扑优化 149

12.2.1 拓扑优化ANSYS分析原理 149

12.2.2 拓扑优化ANSYS分析流程 150

12.2.3 拓扑优化ANSYS分析算例 151

习题二 154

第三篇 可靠性设计 157

第13章 产品可靠性及其度量指标 159

13.1 产品设计中的可靠性问题 159

13.2 可靠性度量指标 160

13.2.1 概率指标 160

13.2.2 寿命指标 162

13.3 可靠性设计的基本流程 164

第14章 可靠性设计常用分布函数 166

14.1 二项分布 166

14.2 泊松分布 166

14.3 指数分布 167

14.4 正态分布 168

14.5 对数正态分布 169

14.6 威布尔分布 170

14.7 次序统计量分布 171

14.8 Copula分布 172

第15章 可靠性设计原理 175

15.1 概率设计 175

15.2 应力-强度干涉模型 176

15.3 联结方程法 177

15.4 蒙特卡罗法 178

第16章 零件静态可靠性设计 180

16.1 载荷统计分析 180

16.2 几何尺寸统计分析 181

16.3 强度统计分析 181

16.4 随机变量函数的统计分析 182

16.4.1 泰勒展开法 182

16.4.2 代数法 184

16.5 典型零件静态可靠性设计 184

第17章 零件疲劳强度可靠性设计 189

17.1 疲劳曲线 189

17.1.1 P-S-N曲线 189

17.1.2 概率等寿命曲线 189

17.2 疲劳曲线的修正 190

17.2.1 由试样疲劳曲线获得零件疲劳曲线 190

17.2.2 强度修正系数的统计分析 191

17.3 无限寿命可靠性设计 195

17.3.1 按零件的P-S-N曲线设计 195

17.3.2 按零件的概率等寿命曲线设计 195

17.4 有限寿命可靠性设计 197

17.4.1 等幅变应力作用下的有限寿命设计 197

17.4.2 随机变应力作用下的有限寿命设计 198

17.4.3 顺序变应力作用下的有限寿命设计 200

第18章 系统可靠性设计 204

18.1 典型系统可靠性模型 204

18.1.1 串联系统 204

18.1.2 并联系统 205

18.1.3 表决系统 207

18.1.4 旁联系统 207

18.2 可靠性分配 208

18.2.1 等同分配法 208

18.2.2 比例分配法 209

18.2.3 AGREE分配法 211

18.2.4 成本最小分配法 212

18.3 故障树分析 213

18.3.1 故障树常用符号 213

18.3.2 故障树定性分析 215

18.3.3 故障树定量分析 215

18.4 失效相关系统可靠性 217

18.4.1 上下界限模型 217

18.4.2 变量干涉模型 218

18.4.3 单元连接模型 219

第19章 机械产品可靠性试验 221

19.1 普通寿命试验 221

19.1.1 普通寿命试验的分类 221

19.1.2 普通寿命试验的设计 222

19.1.3 普通寿命试验结果的统计 222

19.2 加速寿命试验 225

19.2.1 加速寿命试验的原理和分类 226

19.2.2 加速寿命模型 226

19.3 可靠性增长试验 227

19.3.1 可靠性增长的基本过程 227

19.3.2 可靠性增长试验的相关问题 228

19.3.3 可靠性增长模型 229

习题三 230

第四篇 综合应用 231

案例1 非对称圆柱直齿轮动态啮合有限元分析 233

案例2 水轮机叶片模态分析 241

案例3 平面连杆机构优化设计 248

案例4 基于多目标优化的带传动设计 253

案例5 齿啮式快开装置结构轻量化设计 258

案例6 碳纤维复合材料汽车蓄电池箱体优化设计 264

案例7 基于遗传算法的复合材料层合板铺层优化 271

案例8 HSK-A63刀柄/主轴连接可靠性分析 278

案例9 经编机成圈机构运动可靠性分析 285

案例10 隐式功能函数结构体可靠性拓扑优化 293

参考文献 301