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第26篇 机械振动与噪声 1

第1章 概述 3

1.1机械振动的分类及机械工程中的振动问题 3

1.1.1机械振动的分类 3

1.1.2机械工程中的振动问题 4

1.2有关振动的部分标准 6

1.2.1有关振动的部分国家标准 6

1.2.1.1基础标准和一般标准 6

1.2.1.2平衡和试验台的振动标准 6

1.2.1.3各种机器、设备的振动标准 7

1.2.1.4振动测量仪器的使用和要求 8

1.2.1.5人体振动与环境 8

1.2.2有关振动的部分国际标准 9

1.2.3机械振动等级的评定 10

1.2.3.1振动烈度的评定 10

1.2.3.2振动烈度的等级划分 10

1.2.3.3泵的振动烈度的评定举例 10

1.3允许振动量 12

1.3.1机械设备的允许振动量 12

1.3.2其他要求的允许振动量 12

第2章 机械振动基础 13

2.1单自由度系统的自由振动 13

2.2单自由度系统的受迫振动 14

2.2.1简谐激励下的振动响应 14

2.2.2一般周期激励下的稳态响应 16

2.2.3扭转振动与直线振动的参数类比 16

2.3多自由度系统 17

2.3.1多自由度系统的自由振动及其特性 17

2.3.2多自由度系统的简谐激励稳态响应 18

2.3.3常见二自由度系统简谐激励下的稳态响应 19

2.4振动系统对任意激励的响应计算 20

2.4.1单自由度系统 20

2.4.2多自由度系统的模态分析法 21

第3章 机械振动的一般资料 22

3.1机械振动表示方法 22

3.1.1简谐振动表示方法 22

3.1.2周期振动幅值表示法 23

3.1.3振动频谱表示法 23

3.2弹性构件的刚度 24

3.3阻尼系数 27

3.3.1黏性阻尼系数 27

3.3.2等效黏性阻尼系数 28

3.4振动系统的固有角频率 29

3.4.1单自由度系统的固有角频率 29

3.4.2二自由度系统的固有角频率 33

3.4.3各种构件的固有角频率 35

3.5同向简谐振动合成 40

3.6各种机械产生振动的扰动频率 41

第4章 非线性振动与随机振动 42

4.1非线性振动 42

4.1.1非线性振动问题 42

4.1.2非线性恢复力的特性曲线 43

4.1.3非线性阻尼力的特性曲线 45

4.1.4非线性振动的特性 47

4.1.5分析非线性振动的常用方法及示例 52

4.1.5.1分析非线性振动的常用方法 52

4.1.5.2非线性振动的求解示例 53

4.2自激振动 54

4.2.1自激振动系统的特性 54

4.2.2机械工程中的自激振动现象 55

4.2.3非线性振动的稳定性 57

4.2.4相平面法及稳定性判据 57

4.3随机振动 60

4.3.1随机振动问题 60

4.3.2平稳随机振动 62

4.3.3单自由度线性系统的传递函数 62

4.3.4单自由度线性系统的随机响应 62

第5章 机械振动控制 64

5.1振动控制的基本方法 64

5.1.1常见的机械振动源 64

5.1.2振动控制的基本方法 64

5.1.3刚体回转体的平衡 65

5.1.4挠体回转体的动平衡 65

5.1.5往复机械惯性力的平衡 65

5.2定性减少振动的一些方法和手段 65

5.3隔振原理及隔振设计 66

5.3.1隔振原理及一级隔振动力参数设计 66

5.3.2一级隔振动力参数设计示例 67

5.3.3二级隔振动力参数设计 68

5.3.4二级隔振动力参数设计示例 69

5.3.5非刚性基座隔振设计 70

5.3.6隔振设计的几个问题 70

5.3.6.1隔振设计步骤 70

5.3.6.2隔振设计要点 72

5.3.6.3隔振系统的阻尼 72

5.3.7隔振元件材料、类型与选择 72

5.3.7.1隔振元件材料、类型 72

5.3.7.2隔振元件选择 73

5.3.8橡胶隔振器 74

5.3.9橡胶隔振器设计 74

5.3.9.1橡胶材料的主要性能参数 74

5.3.9.2橡胶隔振器刚度计算 75

5.3.9.3橡胶隔振器设计要点 77

5.3.10钢丝绳隔振器 77

5.3.10.1主要特点 77

5.3.10.2选择原则与方法 78

5.4阻尼减振 78

5.4.1阻尼减振原理 78

5.4.2阻尼类型 78

5.4.3材料的损耗因子与阻尼结构 79

5.4.3.1材料的损耗因子 79

5.4.3.2阻尼结构 79

5.4.4干摩擦阻尼 80

5.4.4.1刚性连接的干摩擦阻尼 80

5.4.4.2弹性连接的干摩擦阻尼 82

5.4.5干摩擦阻尼减振器 83

5.5动力吸振器 83

5.5.1动力吸振器设计 83

5.5.1.1动力吸振器工作原理 83

5.5.1.2动力吸振器的设计 84

5.5.1.3设计示例 85

5.5.2有阻尼动力吸振器 85

5.5.2.1有阻尼动力吸振器的动态特性 85

5.5.2.2有阻尼动力吸振器的最佳参数 86

5.5.2.3有阻尼动力吸振器设计 94

5.6缓冲器设计 94

5.6.1设计思想 94

5.6.1.1冲击现象及冲击传递系数 94

5.6.1.2速度阶跃激励 96

5.6.1.3缓冲弹簧的储能特性 96

5.6.1.4阻尼参数选择 98

5.6.2一级缓冲器设计 98

5.6.2.1缓冲器设计原则 98

5.6.2.2设计要求 98

5.6.2.3一次缓冲器动力参数设计 98

5.6.2.4加速度脉冲激励波形影响提示 98

5.6.3二级缓冲器设计 99

5.7机械振动的主动控制 99

5.7.1主动控制系统的原理 99

5.7.2主动控制的类型 99

5.7.3控制系统的组成 100

5.7.4作动器类型 101

5.7.5主动控制系统的设计过程 101

5.7.6常用的控制律设计方法 102

5.7.7主动抑振 103

5.7.7.1随机振动控制 103

5.7.7.2谐波振动控制 103

5.7.8主动吸振 103

5.7.8.1惯性可调动力吸振 103

5.7.8.2刚度可调式动力吸振 104

5.7.9主动隔振 104

5.7.9.1主动隔振原理 104

5.7.9.2半主动隔振原理 104

第6章 典型设备振动设计实例 105

6.1旋转机械的振动设计实例 105

6.1.1汽轮发电机组轴系线性动力学设计 105

6.1.1.1建模 105

6.1.1.2运动方程和求解方法 105

6.1.1.3临界转速的计算 105

6.1.1.4不平衡响应计算 105

6.1.1.5稳定性设计 105

6.1.2 200MW汽轮发电机组轴系动力学线性分析 106

6.1.2.1 200MW汽轮发电机组轴系模型 106

6.1.2.2单跨轴段在刚性支承下的临界转速和模态 106

6.1.2.3刚性支承轴系的临界转速及主模态 106

6.1.2.4弹性支承轴系的临界转速 108

6.2往复机械的振动设计实例——CA498柴油机隔振系统设计与试验研究 108

6.2.1柴油机振动扰动力分析 108

6.2.2柴油机隔振系统设计模型 109

6.2.3隔振方案的选择 109

6.3锻压机械的振动设计实例 110

6.3.1锻锤的隔振计算 110

6.3.1.1锻锤隔振的基本计算 110

6.3.1.2砧座下基础块的最小厚度要求 111

6.3.1.3三心合一问题 111

6.3.1.4阻尼问题 111

6.3.1.5隔振基础的结构设计 111

6.3.2锻锤隔振基础的设计步骤 111

6.3.2.1搜集设计资料 111

6.3.2.2初步确定基础块的质量和几何尺寸 111

6.3.2.3确定隔振器应具备的参数并选用或设计隔振器 112

6.3.2.4基础块振动验算 112

6.3.2.5砧座振幅验算 112

6.3.2.6基础箱的设计及振幅 113

6.3.3设计举例5t模锻锤隔振基础设计 113

6.3.3.1设计资料及设计值 113

6.3.3.2确定基础块的质量和几何尺寸 113

6.3.3.3隔振器的选用与设计 113

6.3.3.4基础块振动验算 113

6.3.3.5砧座振幅验算 114

6.3.3.6基础箱设计 114

6.3.4有关锻锤隔振新理论、新观念介绍 114

6.3.4.1砧座下直接隔振技术 114

6.3.4.2阻尼的作用与取值范围 114

第7章 轴系的临界转速 115

7.1概述 115

7.2简单转子的临界速度 115

7.2.1力学模型 115

7.2.2两支承轴的临界转速 116

7.2.3两支承单盘转子的临界转速 117

7.3两支承多盘转子临界转速的近似计算 117

7.3.1带多个圆盘轴的一阶临界转速 117

7.3.2力学模型 117

7.3.3临界转速计算公式 117

7.3.4计算示例 118

7.4阶梯轴的临界转速计算 120

7.5轴系的模型与参数 120

7.5.1力学模型 120

7.5.2滚动轴承支承刚度 121

7.5.3滑动轴承支承刚度 122

7.5.4支承阻尼 125

7.6轴系的临界转速计算 126

7.6.1轴系的特征值问题 126

7.6.2特征值数值计算实例 127

7.6.3传递矩阵法计算临界转速 128

7.6.4传递矩阵法计算实例 130

7.7轴系临界转速设计 131

7.7.1轴系临界转速修改设计 131

7.7.2轴系临界转速组合设计 132

7.8影响轴系临界转速的因素 133

7.8.1支撑刚度对临界转速的影响 133

7.8.2回转力矩对临界转速的影响 133

7.8.3联轴器对临界转速的影响 133

7.8.4其他因素的影响 133

7.8.5改变临界转速的措施 133

第8章 机械振动的利用 134

8.1概述 134

8.1.1振动机械的组成 134

8.1.2振动机械的用途及工艺特性 137

8.1.3振动机械的频率特性及结构特征 138

8.1.4工程中常用的振动系统 139

8.1.5有关振动机械的部门标准 139

8.2振动机工作面上物料的运动学与动力学 140

8.2.1物料的运动学 140

8.2.1.1物料的运动状态 140

8.2.1.2物料的滑行运动 140

8.2.1.3物料的抛掷运动 142

8.2.2物料的动力学 143

8.2.2.1物料滑行运动时的结合质量与当量阻尼 143

8.2.2.2物料抛掷运动时的结合质量与当量阻尼 144

8.2.2.3弹性元件的结合质量与阻尼 144

8.2.2.4振动系统的计算质量、总阻尼系数及功率消耗 145

8.3常用的振动机械 146

8.3.1振动机械的分类 146

8.3.2常用振动机的振动参数 146

8.4惯性式振动机械的计算 147

8.4.1单轴惯性式振动机 147

8.4.2双轴惯性式振动机 149

8.4.3多轴惯性振动机 151

8.4.4自同步式振动机 152

8.4.5惯性共振式振动机 153

8.4.5.1主振系统的动力参数 153

8.4.5.2激振器动力参数设计 154

8.5弹性连杆式振动机的计算 154

8.5.1单质体弹性连杆式振动机 154

8.5.2双质体弹性连杆式振动机 155

8.5.3隔振平衡式三质体弹性连杆振动机 156

8.5.4非线性弹性连杆振动机 156

8.5.5弹性连杆振动机动力参数的选择计算 157

8.5.6导向杆和橡胶铰链 159

8.5.7振动输送类振动机整体刚度和局部刚度的计算 160

8.5.8近共振类振动机工作点的调试 161

8.6电磁式振动机械的计算 161

8.7振动机械设计示例 161

8.7.1远超共振惯性振动机设计示例 161

8.7.1.1远超共振惯性振动机的运动参数设计示例 161

8.7.1.2远超共振惯性振动机的动力参数设计示例 163

8.7.2惯性共振式振动机的动力参数设计示例 163

8.7.3弹性连杆式振动机的动力参数设计示例 164

8.7.4电磁式振动机的动力参数设计示例 165

8.8主要零部件 166

8.8.1振动电机 166

8.8.2仓壁式振动器 171

8.8.3复合弹簧 172

8.9利用振动来监测缆索拉力 174

8.9.1测量弦振动计算索拉力 174

8.9.1.1弦振动测量原理 174

8.9.1.2 MGH型锚索测力仪 174

8.9.2按两端受拉梁的振动测量索拉力 175

8.9.2.1两端受拉梁的振动测量原理 175

8.9.2.2高屏溪桥斜张钢缆检测部分简介 175

8.9.3索拉力振动检测的最新方法 176

第9章 机械振动测量 178

9.1概述 178

9.1.1振动的测量方法 178

9.1.1.1振动测量的内容 178

9.1.1.2测振原理 178

9.1.1.3振动量级的表述方法 178

9.1.2振动测量系统 179

9.2振动测量传感器 179

9.2.1加速度传感器 179

9.2.1.1加速度计的原理和结构 179

9.2.1.2加速度计的类型 180

9.2.1.3加速度计的主要性能指标 180

9.2.1.4加速度计的安装 180

9.2.1.5加速度计的选择 182

9.2.1.6适用于不同场合的加速度计 182

9.2.1.7加速度计的标定 183

9.2.2速度传感器 183

9.2.3位移传感器 184

9.2.3.1电涡流传感器 184

9.2.3.2激光位移传感器 184

9.2.4其他传感器 184

9.3测试仪器 185

9.3.1电荷放大器 185

9.3.2电源供给器 185

9.3.3便携式测振仪 185

9.4激振设备 186

9.4.1力锤 186

9.4.2电磁式激振设备 186

9.4.2.1电磁式激振器 186

9.4.2.2电磁式振动台 187

9.4.3电液伺服振动台 187

9.4.4冲击试验机 187

9.4.5压电陶瓷 188

9.5振动测量方法举例 188

9.5.1系统固有频率的测定 188

9.5.2阻尼参数的测定 188

9.5.3刚度和柔度测量 188

第10章 机械振动信号处理与故障诊断 190

10.1概述 190

10.1.1机械故障诊断概述 190

10.1.2机械故障 190

10.1.3基本维护策略 191

10.1.4故障特征参量 192

10.1.5机械振动信号的分类 192

10.2振动信号处理基础 193

10.2.1频谱 194

10.2.2模数（A/D）转换 196

10.2.3模拟信号采样 196

10.2.4量化误差 197

10.2.5混叠与采样定理 197

10.2.6滤波器 198

10.2.7振动传感器的选择 198

10.2.8测试位置的选择 198

10.3机械振动信号时域分析与故障诊断 199

10.3.1时域特征与故障检测 199

10.3.2相关分析 202

10.4机械振动信号频域分析与故障诊断 202

10.4.1傅里叶变换基础 203

10.4.2利用频谱分析进行故障诊断 203

10.4.3倒谱（cepstrum）分析基础 207

10.4.4利用倒谱分析进行故障诊断 208

10.5旋转机械振动与故障诊断 209

10.5.1旋转机械振动的基本特征 209

10.5.1.1强迫振动 210

10.5.1.2自激振动 210

10.5.2旋转机械常见故障机理与诊断 211

10.5.2.1振动测量与技术 211

10.5.2.2振动标准 212

10.5.2.3旋转机械振动信号特征与故障诊断 215

10.6往复机械振动与故障诊断 219

10.6.1往复机械振动的基本特征 219

10.6.2往复机械故障诊断 220

10.7滚动轴承和齿轮故障诊断 222

10.7.1滚动轴承故障诊断 222

10.7.1.1滚动轴承故障诊断方法及应用 222

10.7.1.2锥形滚子轴承故障诊断示例 224

10.7.2齿轮故障诊断 225

10.8机械故障诊断中的现代信号处理方法 227

10.8.1小波变换及其机械故障诊断应用 227

10.8.2 EMD及其机械故障诊断应用 229

第11章 机械噪声基础 231

11.1声学基本知识 231

11.1.1声波的特性 231

11.1.2描述声场与声源的物理量 231

11.1.3声学物理量的关系及波动方程 232

11.1.4平面、球面和柱面声波 232

11.1.5声波的传播 233

11.1.5.1反射、折射和透射 233

11.1.5.2声波的干涉 234

11.1.5.3散射、绕射和衍射 234

11.1.6自由声场和混响声场 234

11.1.7简单声源模型 235

11.1.8声辐射 236

11.2噪声的评价 236

11.2.1声压级、声强级和声功率级 236

11.2.2声级的综合 237

11.2.3等效声级 237

11.2.4人耳的听觉特性 237

11.2.5噪声的频谱分析 238

11.2.6计权声级 238

11.2.7噪声评价数NR 239

11.3噪声标准与规范 240

11.3.1噪声的危害 240

11.3.2噪声标准目录 240

11.3.3机械设备噪声限值 242

11.3.4工作场所噪声暴露限值 244

11.4机械工程中的噪声源 244

11.4.1机械噪声 245

11.4.2齿轮噪声 245

11.4.3滚动轴承噪声 246

11.4.4液压系统噪声 246

11.4.4.1液压泵噪声 246

11.4.4.2液压阀噪声 247

11.4.4.3机械噪声 247

11.4.5电磁噪声 247

11.4.6空气动力噪声 247

第12章 机械噪声测量 249

12.1噪声测量概述 249

12.1.1测量目的 249

12.1.2测量注意事项 249

12.1.2.1测点的选择 249

12.1.2.2背景噪声的修正 249

12.1.2.3环境的影响 249

12.1.2.4测量仪器的校准 249

12.2噪声测量仪器 250

12.2.1噪声测量基本系统 250

12.2.2传声器 250

12.2.2.1传声器的性能指标 250

12.2.2.2传声器种类及特点 251

12.2.2.3电容传声器 252

12.2.2.4传声器的使用 252

12.2.2.5特殊传声器 253

12.2.2.6前置放大器 253

12.2.3声级计 253

12.2.3.1声级计的原理及分类 253

12.2.3.2声级计的主要性能 253

12.2.3.3积分声级计 255

12.2.3.4噪声暴露计 255

12.2.3.5统计声级计 255

12.2.3.6频谱声级计 255

12.2.4附件的使用 255

12.2.5记录及分析仪 257

12.2.5.1数据记录与采集 257

12.2.5.2数字式分析仪 257

12.2.6声校准器 258

12.3噪声测量方法 259

12.3.1声级测量 259

12.3.1.1试验目的 259

12.3.1.2试验原理 259

12.3.1.3测点选择 259

12.3.1.4测试内容 259

12.3.2声功率测量 260

12.3.2.1试验目的 260

12.3.2.2试验原理 260

12.3.2.3测点布置 261

12.3.3声强测量 262

12.3.3.1试验目的 262

12.3.3.2试验原理 262

12.3.3.3双传声器探头 264

12.3.3.4声强信号处理方法 264

12.3.4声成像测试 264

12.3.4.1波束成型阵列测试技术 265

12.3.4.2近场声全息测试技术 265

第13章 机械噪声控制 267

13.1噪声源控制 267

13.1.1噪声控制原则与方法 267

13.1.1.1噪声源的控制 267

13.1.1.2传播途径的控制 267

13.1.1.3噪声接受者（点）的防护 267

13.1.2机械噪声源控制 267

13.1.3空气动力噪声源控制 268

13.2隔声降噪 268

13.2.1隔声性能的评价与测定 268

13.2.1.1隔声量 268

13.2.1.2计权隔声量Rw 268

13.2.1.3空气声隔声量的实验室测定 269

13.2.2单层均质薄板的隔声性能 269

13.2.2.1隔声频率特性曲线 269

13.2.2.2隔声量计算 269

13.2.2.3常用单层板结构隔声量 270

13.2.3双层板结构的隔声性能 271

13.2.3.1隔声频率特性曲线 271

13.2.3.2隔声量计算的经验公式 271

13.2.4轻型组合结构的隔声性能 272

13.2.4.1各类轻型组合结构的隔声特性 272

13.2.4.2轻型构造中的声桥和提高轻型构造隔声量的方法 273

13.2.5隔声罩 273

13.2.5.1隔声罩和半隔声罩的常用形式 273

13.2.5.2隔声罩隔声效果计算公式 273

13.2.5.3隔声罩设计步骤 273

13.2.5.4隔声罩设计注意事项 274

13.2.6隔声屏 274

13.2.6.1隔声屏类型 274

13.2.6.2隔声屏降噪效果 274

13.3吸声降噪 275

13.3.1吸声材料和吸声结构 275

13.3.2吸声性能的评价与测定 276

13.3.2.1吸声性能的评价 276

13.3.2.2吸声系数的测量 277

13.3.3多孔吸声材料 277

13.3.3.1多孔吸声材料的基本类型 277

13.3.3.2多孔吸声材料的吸声性能 278

13.3.4共振吸声结构 278

13.3.4.1穿孔板共振吸声结构 278

13.3.4.2微穿孔板共振吸声结构 279

13.3.5吸声降噪量计算 279

13.3.5.1吸声降噪适用条件分析 279

13.3.5.2单声源时的室内吸声降噪量计算 280

13.3.5.3多声源时的室内吸声降噪量计算 280

13.3.5.4吸声降噪设计程序 281

13.4消声器 281

13.4.1消声器的类型与性能评价 281

13.4.1.1消声器的类型 281

13.4.1.2消声器的性能评价 282

13.4.2阻性消声器 282

13.4.2.1常见形式 282

13.4.2.2直管式消声器的消声量 282

13.4.2.3其他消声器的消声量 283

13.4.3抗性消声器 283

13.4.3.1扩张式（膨胀式）消声器 283

13.4.3.2共振式消声器 284

13.4.3.3微穿孔板消声器 285

13.4.4复合式消声器 285

13.4.5喷注消声器 285

13.4.5.1节流减压型排气消声器 285

13.4.5.2小孔喷注型排气消声器 286

13.4.5.3节流减压加小孔喷注复合型排气消声器 287

13.4.5.4多孔材料耗散型排气消声器 287

13.4.6电子消声器 287

参考文献 289

第27篇 疲劳强度设计 291

第1章 机械零部件疲劳强度与寿命 293

1.1零部件疲劳失效与疲劳寿命 293

1.1.1疲劳失效及其特点 293

1.1.2机械零部件常见疲劳失效形式 293

1.1.3疲劳设计准则 293

1.1.3.1名义应力准则 293

1.1.3.2局部应力应变准则 294

1.1.3.3损伤容限设计准则 294

1.1.3.4多轴疲劳准则 294

1.2疲劳载荷 294

1.2.1循环应力 294

1.2.2循环计数法 295

1.2.3载荷谱编制 296

1.2.3.1累积频数曲线 297

1.2.3.2载荷谱编制 297

1.2.3.3应用举例 298

1.3材料疲劳性能 298

1.4疲劳损伤累积效应与法则 299

1.4.1线性疲劳累积损伤（Miner）法则 299

1.4.2相对Miner法则 300

第2章 疲劳失效影响因素与提高疲劳强度的措施 301

2.1应力集中效应 301

2.1.1应力分布及材料对应力集中的敏感性 301

2.1.2理论应力集中系数 302

2.1.2.1带台肩圆角的机械零件的理论应力集中系数 303

2.1.2.2带沟槽的机械零件的理论应力集中系数 307

2.1.2.3开孔的机械零件的理论应力集中系数 312

2.1.2.4其他典型零件的理论应力集中系数 315

2.1.3有效应力集中系数 316

2.1.3.1带台肩圆角的机械零件的有效应力集中系数 316

2.1.3.2带沟槽的机械零件的有效应力集中系数 318

2.1.3.3开孔的机械零件的有效应力集中系数 321

2.1.3.4其他常用零件的有效应力集中系数 322

2.2尺寸效应 326

2.3表面状态效应 328

2.3.1表面精度影响 328

2.3.2表面强化效应 328

2.4载荷影响 330

2.4.1载荷类型影响 330

2.4.2载荷频率影响 330

2.4.3平均应力影响 331

2.5环境因素 333

2.5.1腐蚀环境 333

2.5.1.1载荷频率的影响 333

2.5.1.2腐蚀方式的影响 334

2.5.1.3腐蚀介质的影响 334

2.5.1.4结构尺寸与形状的影响 334

2.5.2温度的影响 336

2.5.2.1低温的影响 336

2.5.2.2高温的影响 337

2.6提高零件疲劳强度的方法 347

2.6.1合理选材 347

2.6.2材料改性 347

2.6.3改进结构 347

2.6.4表面强化 349

2.6.4.1表面喷丸 349

2.6.4.2表面辊压 350

2.6.4.3内孔挤压 352

2.6.4.4表面化学热处理 352

2.6.4.5表面淬火 355

2.6.4.6表面激光处理 355

第3章 高周疲劳强度设计方法 357

3.1材料的常规疲劳性能数据 357

3.1.1材料疲劳极限 357

3.1.2材料的S-N曲线 364

3.1.3疲劳安全系数 378

3.2无限寿命设计 381

3.2.1单向应力状态下的无限寿命设计 381

3.2.1.1计算公式 381

3.2.1.2设计实例 382

3.2.2复杂应力状态下的无限寿命设计 383

3.2.3连接件的疲劳寿命估算——应力严重系数法 383

3.3有限寿命设计 385

3.3.1计算公式 385

3.3.2寿命估算 385

3.3.3设计实例 385

第4章 低周疲劳强度设计方法 387

4.1材料低周疲劳性能 387

4.2循环应力-应变曲线 389

4.2.1滞回线 389

4.2.2循环硬化与循环软化 390

4.2.3循环应力-应变曲线 390

4.3应变-寿命曲线 393

4.3.1应变-寿命方程 393

4.3.2四点法求应变-寿命曲线 395

4.3.3通用斜率法 396

4.4低周疲劳的寿命估算 396

4.4.1直接法 396

4.4.2裂纹形成寿命估算方法 397

4.4.2.1局部应力-应变分析 398

4.4.2.2裂纹形成寿命估算方法 400

4.4.2.3设计实例 401

第5章 裂纹扩展寿命估算方法 404

5.1应力强度因子与断裂韧性 404

5.1.1应力强度因子 404

5.1.2断裂韧度 404

5.2裂纹扩展特性与裂纹扩展速率 414

5.2.1裂纹扩展过程 414

5.2.2裂纹扩展门槛值△Kth 415

5.2.3裂纹扩展速率da/dN 417

5.3疲劳裂纹扩展寿命估算方法 428

5.4算例 428

5.5损伤容限设计 429

5.5.1损伤容限设计概念 429

5.5.2损伤容限设计的内容 430

5.5.2.1确定关键件 430

5.5.2.2材料选择 430

5.5.2.3结构细节设计的控制 431

5.5.3结构设计 431

5.5.4缺陷假设 432

5.5.4.1初始裂纹尺寸 432

5.5.4.2连续损伤假设 432

5.5.4.3剩余结构损伤 433

5.5.4.4使用中检查后损伤假设 433

5.5.5剩余强度 433

5.5.5.1剩余强度概念 433

5.5.5.2多途径传力结构剩余强度曲线 434

5.5.6损伤检查 436

5.5.6.1可检查度 437

5.5.6.2检查能力评估方法 437

5.5.6.3检查间隔 439

第6章 疲劳实验与数据处理 442

6.1疲劳试验机 442

6.1.1疲劳试验机的种类 442

6.1.2疲劳试验加载方式 442

6.1.3疲劳试验控制方式 442

6.1.4疲劳试验数据采集 443

6.2疲劳试样及其制备 443

6.2.1试样 443

6.2.1.1光滑试样 443

6.2.1.2缺口试验 444

6.2.1.3低周疲劳试样 444

6.2.1.4疲劳裂纹扩展试样 445

6.2.2试样制备 446

6.2.2.1取样 446

6.2.2.2机械加工 446

6.2.2.3热处理 447

6.2.2.4测量、探伤与储存 447

6.3疲劳试验方法 447

6.3.1 S-N曲线试验 447

6.3.1.1单点试验法 447

6.3.1.2成组试验法 448

6.3.2疲劳极限试验 449

6.3.3 ε-N曲线试验 450

6.3.4应力-应变曲线试验 451

6.3.5裂纹扩展速率（da/dN曲线）试验 452

6.3.6断裂韧性试验 452

6.4疲劳试验数据处理 453

6.4.1可疑观测值的取舍 453

6.4.2 S-N曲线拟合 454

6.4.3 ε-N曲线拟合 455

6.4.4应力-应变曲线拟合 456

6.4.5 da/dN曲线拟合 456

6.4.6断裂韧性试验数据处理 458

参考文献 460

第28篇 可靠性设计 461

第1章 机械失效与可靠性 463

1.1机械零部件的典型失效形式 463

1.1.1静载失效 463

1.1.2疲劳失效 463

1.1.3腐蚀失效 463

1.1.4磨损失效 464

1.1.5冲击失效 464

1.1.6振动失效 464

1.2机械零部件的力学性能与失效影响因素 464

1.2.1静载拉伸特性 464

1.2.2静强度性能 465

1.2.3疲劳性能 466

1.3安全设计准则 467

1.3.1静强度准则 467

1.3.2疲劳强度准则 467

1.3.3断裂准则 468

1.3.4磨损设计准则 468

1.3.5振动稳定性准则 469

1.4可靠性及其指标 469

1.4.1产品质量 469

1.4.2产品的可靠性 469

1.4.3产品可靠性与全寿命周期费用 470

1.4.4寿命均值与方差 470

1.4.5平均无故障工作时间 471

1.4.6产品寿命分布与可靠度 471

1.4.7失效率 471

1.4.8可靠寿命与特征寿命 473

1.4.9维修度 473

1.4.10有效度 473

第2章 可靠性设计流程 475

2.1可靠性目标及其分解 475

2.2可靠性设计流程 475

2.3设计各阶段的可靠性工作内容 476

2.3.1方案设计阶段 476

2.3.2系统设计阶段 477

2.3.3详细设计阶段 477

2.3.4设计评审阶段 477

第3章 可靠性数据及其统计分布 478

3.1可靠性数据采集 478

3.1.1可靠性设计与评估数据要求 478

3.1.2可靠性数据来源与采集方法 478

3.2可靠性数据统计内容及方法 479

3.2.1可靠性数据统计内容 479

3.2.2可靠性数据统计分析基本方法 479

3.3载荷分布与强度分布 480

3.3.1正态分布 480

3.3.2极值分布 481

3.3.3次序统计量及其分布 482

3.4载荷作用次数分布及故障次数分布 483

3.4.1二项分布 483

3.4.2泊松（Poisson）分布 483

3.5寿命分布 483

3.5.1指数分布 483

3.5.2威布尔（Weibull）分布 484

3.5.3对数正态分布 486

第4章 故障模式、效应及危害度分析 487

4.1基本概念与方法步骤 487

4.1.1基本概念 487

4.1.2 FMECA的层次与分析过程 488

4.1.3 FMECA的实施步骤 488

4.2危害度分析 490

4.2.1定性分析 490

4.2.2定量分析 491

4.3 FMECA应用示例 492

第5章 故障树分析 502

5.1基本概念与基本符号 502

5.1.1故障树基本概念 502

5.1.2故障树基本符号 503

5.1.3割集与路集 504

5.2故障树建树与分析方法 504

5.2.1建立故障树的方法与步骤 504

5.2.2故障树定性分析 505

5.2.3故障树定量分析 507

5.3故障树分析实例 509

第6章 机械系统可靠性设计 515

6.1系统可靠性设计的内容 515

6.2系统可靠性模型 515

6.2.1串联系统可靠性模型 515

6.2.1.1独立失效系统可靠性模型 515

6.2.1.2一般串联系统可靠性模型 516

6.2.2并联系统可靠性模型 517

6.2.2.1独立失效系统可靠性模型 517

6.2.2.2一般并联系统可靠性模型 517

6.2.3串-并联系统可靠性模型 518

6.2.4并-串联系统可靠性模型 518

6.2.5表决系统可靠性模型 518

6.2.6储备系统可靠性模型 519

6.2.7复杂系统可靠性分析方法 520

6.3参数化形式的系统可靠性模型 521

6.4系统可靠性预测 521

6.4.1数学模型法 522

6.4.2上下限法 522

6.4.3组合预测 523

6.5可靠性分配方法 523

6.5.1等分配法 524

6.5.2再分配法 524

6.5.3比例分配法 525

6.5.4综合评分分配法 526

6.5.5动态规划分配法 526

6.5.5.1串联系统 527

6.5.5.2并联系统 527

6.6可靠性预测实例 528

第7章 机构可靠性设计 531

7.1机构可靠性模型及评价指标 531

7.1.1机构可靠性建模方法 531

7.1.2机构工作过程分解 532

7.1.3功能可靠性 532

7.2曲柄滑块机构运动可靠性 532

7.2.1机构运动误差 532

7.2.2理想状态下机构运动关系 533

7.2.3机构可靠性模型 533

7.2.3.1考虑尺寸误差的计算模型 533

7.2.3.2考虑运动副间隙误差的计算模型 534

第8章 零件静强度可靠性设计 537

8.1基本原理 537

8.1.1安全系数及可靠性参数 537

8.1.2可靠性设计计算基本原理 538

8.2应力分布和强度分布影响因素 539

8.2.1载荷 539

8.2.2材料性能 539

8.2.3制造工艺 539

8.2.4几何形状及尺寸 539

8.3随机变量函数的均值和标准差计算方法 539

8.3.1计算分布参数的矩方法 539

8.3.2常用随机变量函数均值与标准差公式 540

8.4零件可靠度计算的应力-强度干涉模型 540

8.4.1应力-强度干涉模型 540

8.4.1.1基本概念 540

8.4.1.2零件可靠度基本表达式 541

8.4.2载荷多次作用下的可靠性模型 541

8.5典型应力/强度分布的零件可靠度计算 543

8.5.1应力与强度均为正态分布时可靠度计算 543

8.5.2应力与强度均服从对数正态分布时可靠度计算 543

8.6静强度可靠性设计 544

8.6.1零件静强度可靠性设计的主要内容与步骤 544

8.6.2静强度可靠性设计举例 545

8.7断裂可靠性设计 545

8.7.1断裂力学的基本概念 545

8.7.2断裂可靠性设计 546

8.8可靠性设计计算的蒙特卡罗方法 547

8.8.1蒙特卡罗法求解可靠度的原理 547

8.8.2随机数的产生 547

8.8.3随机变量抽样方法 548

8.8.3.1逆变换法 548

8.8.3.2舍选抽样法 549

8.8.3.3变换抽样法 550

8.8.4重要抽样法 551

8.8.5离散随机变量抽样 551

8.8.6应用举例——发动机轮盘可靠性仿真 551

8.9典型机械零件可靠性设计举例 554

8.9.1螺纹连接可靠性设计 554

8.9.2过盈连接的可靠性设计 556

第9章 零部件动强度可靠性设计 558

9.1疲劳强度可靠性设计 558

9.1.1疲劳可靠性设计基本原理 558

9.1.2概率疲劳等寿命图 558

9.1.3疲劳强度可靠性设计计算 559

9.2疲劳强度可靠性设计的递推法 561

9.3随机恒幅循环载荷疲劳可靠度的统计平均算法 561

9.3.1疲劳可靠度计算的载荷统计加权平均模型 561

9.3.2疲劳寿命分布与循环应力水平之间的关系 562

9.4磨损可靠性 562

9.4.1磨损的基本概念 562

9.4.2给定寿命下的磨损可靠度计算 563

9.4.3给定磨损可靠度时的可靠寿命计算 563

第10章 可靠性评价 565

10.1零件可靠性评价 565

10.1.1复杂载荷工况可靠性评价 565

10.1.2强度退化规律 565

10.1.3存在强度退化时的可靠性模型 566

10.1.4离散化的可靠性模型 566

10.2系统可靠性评价 568

10.2.1系统可靠性评价方法 568

10.2.2行星齿轮系可靠度计算 568

第11章 可靠性试验与数据处理 570

11.1可靠性试验 570

11.1.1可靠性试验类型 570

11.1.2可靠性试验数据类型 570

11.2可靠性数据分布类型检验 571

11.2.1x2检验法 571

11.2.2 K-S检验法 572

11.2.3回归分析检验法 573

11.3参数估计 574

11.3.1矩估计 574

11.3.2极大似然估计 575

11.4指数分布假设检验与参数估计 575

11.4.1拟合性检验 575

11.4.2参数估计 576

11.5正态分布统计检验与参数估计 577

11.5.1拟合性检验 577

11.5.2正态分布参数估计 578

附录 580

附录Ⅰ 可靠性标准 580

Ⅰ-1中国国家可靠性标准 580

Ⅰ-2中国电子行业可靠性标准 582

Ⅰ-3中国机械行业可靠性标准 583

附录Ⅱ概率分布表 585

Ⅱ-1标准正态分布表 585

Ⅱ-2x2分布表 586

Ⅱ-3 t分布表 588

Ⅱ-4 F分布表 589

Ⅱ-5 Γ函数表 594

参考文献 596

第29篇 优化设计 597

第1章 概述 599

1.1优化设计的基本概念 599

1.2优化设计的分类 599

1.3优化设计一般过程 599

1.4优化设计的数学模型 599

1.5优化设计的三要素 599

1.6优化问题的几何解释 600

1.6.1优化问题的设计可行域 600

1.6.2不同优化问题的几何解释 600

1.7优化问题的求解 601

1.8最优解的判别及约束优化问题的最优解条件 601

1.8.1优化问题的最优解 601

1.8.2约束优化问题的最优解 601

1.8.3约束优化设计问题的最优解存在条件 601

1.9优化设计的迭代算法及终止准则 602

1.9.1优化设计中的迭代算法 602

1.9.2迭代算法的终止准则 602

第2章 一维优化搜索方法 603

2.1外推法 603

2.1.1基本方法 603

2.1.2搜索过程 603

2.1.3程序框图 603

2.2黄金分割法（0.618法） 604

2.2.1基本方法 604

2.2.2黄金分割法进行一维搜索的一般过程 604

2.2.3黄金分割法特点 604

2.2.4程序框图 604

2.3切线法（牛顿法） 605

2.3.1基本方法 605

2.3.2切线法找极小值的一般过程 605

2.3.3切线法特点 605

2.3.4切线法程序框图 605

2.4二次插值法 605

2.4.1基本方法 605

2.4.2二次插值法的迭代过程 605

2.4.3二次插值法特点 605

2.4.4二次插值法程序框图 606

第3章 无约束优化算法 607

3.1梯度法（最速下降法） 607

3.1.1基本方法 607

3.1.2梯度法的迭代公式 607

3.1.3梯度法的迭代步骤 607

3.1.4梯度法的特点 607

3.1.5梯度法程序框图 607

3.2共轭梯度法 607

3.2.1基本方法 607

3.2.2共轭梯度法迭代公式 607

3.2.3共轭梯度法的计算步骤 607

3.2.4共轭梯度法特点 608

3.2.5共轭梯度法程序框图 608

3.3牛顿型方法 608

3.3.1牛顿法 608

3.3.2阻尼牛顿法 608

3.3.3阻尼牛顿法程序框图 609

3.4变尺度法 609

3.4.1基本方法 609

3.4.2变尺度法的迭代格式 609

3.4.3变尺度法的迭代过程 609

3.4.4变尺度法的特点 609

3.4.5变尺度法程序框图 609

3.5坐标轮换法 609

3.5.1基本方法 609

3.5.2迭代公式 609

3.5.3坐标轮换法的迭代过程 610

3.5.4坐标轮换法特点 610

3.5.5坐标轮换法程序框图 610

3.6鲍威尔法 610

3.6.1基本方法 610

3.6.2鲍威尔法的迭代过程 610

3.6.3鲍威尔法特点 611

3.6.4鲍威尔法程序框图 611

3.7单形替换法 612

3.7.1基本方法 612

3.7.2单形替换法的主要计算步骤 612

3.7.3单形替换法特点 612

3.7.4单形替换法程序框图 612

3.8无约束优化算法的选用 613

第4章 有约束优化算法 614

4.1随机方向法 614

4.1.1基本方法 614

4.1.2随机方向法的特点 614

4.1.3随机方向法的计算步骤 614

4.1.4随机方向法程序框图 614

4.2复合形法 614

4.2.1基本方法 614

4.2.2基本复合形法（只含反射）的计算步骤 615

4.2.3基本复合形法的程序框图 616

4.3可行方向法 617

4.3.1基本方法 617

4.3.2可行方向法的搜索策略 617

4.3.3产生可行方向的条件 618

4.3.3.1可行条件 618

4.3.3.2下降条件 618

4.3.3.3可行方向 618

4.3.4可行方向的产生方法 619

4.3.4.1优选方向法 619

4.3.4.2梯度投影法 619

4.3.5迭代步长的确定 619

4.3.6可行方向法计算步骤 620

4.3.7可行方向法程序框图 621

4.4惩罚函数法 621

4.4.1基本方法 621

4.4.2惩罚函数的表达式 621

4.4.3惩罚函数法的分类与比较 621

4.4.4惩罚函数法的特点 622

4.4.5惩罚函数法的算法步骤（适用于内点法、混合法） 622

4.5增广拉格朗日乘子法 622

4.5.1基本方法 622

4.5.2主要算法步骤 622

4.5.3算法特点 622

4.6序列线性规划法 623

4.6.1基本方法 623

4.6.2算法步骤 623

4.6.3计算举例 623

4.7序列二次规划法 624

4.7.1基本方法 624

4.7.2算法举例 624

4.8简约梯度法及广义简约梯度法 625

4.8.1简约梯度法 625

4.8.1.1基本方法 625

4.8.1.2算法步骤 625

4.8.1.3计算举例 625

4.8.2广义简约梯度法 626

4.8.2.1基本方法 626

4.8.2.2算法步骤 627

4.8.2.3计算举例 627

第5章 多目标优化设计方法 628

5.1多目标优化设计的数学模型与有效解 628

5.1.1多目标优化设计的数学模型 628

5.1.2多目标优化的有效解 628

5.2主要目标法 629

5.3统一目标法 629

5.3.1评价函数法 629

5.3.2分目标乘除法 630

5.4分层序列法及宽容分层序列法 630

5.5协调曲线法 631

5.6多目标优化主要方法对比 631

第6章 离散问题优化设计方法 633

6.1基本概念 633

6.1.1离散优化问题数学模型的一般形式 633

6.1.2离散变量的概念和表达 633

6.1.3连续变量的离散化 634

6.1.4离散变量设计问题的可行域 635

6.1.5离散变量问题的最优解 635

6.1.6离散优化方法的收敛准则 635

6.1.7离散优化方法概述 635

6.2离散变量自适应随机搜索法 635

6.2.1基本方法 635

6.2.2基本步骤 635

6.2.3程序框图 636

6.3离散变量的组合形法 637

6.3.1基本方法 637

6.3.2基本步骤 637

6.3.3程序框图 637

6.4离散性惩罚函数法 637

6.4.1基本方法 637

6.4.2算法的基本步骤 638

6.4.3程序框图 638

第7章 随机问题优化设计方法 639

7.1基本概念和定义 639

7.1.1随机参数 639

7.1.2随机设计变量 639

7.1.3随机设计特性 639

7.1.4概率约束可行域 639

7.2随机优化设计数学模型的一般形式 640

7.3随机问题最优解的最优性条件 640

7.4一次二阶矩法 640

7.4.1基本思想 640

7.4.2基本算法 640

7.4.3一次二阶矩法的特点 641

7.5随机模拟搜索法 641

7.5.1基本思想 641

7.5.2基本方法 641

7.5.3随机模拟搜索算法的基本步骤 642

7.6随机拟次梯度法 642

7.6.1基本思想 642

7.6.2基本方法 642

7.6.3随机步长因子的确定 643

7.6.4迭代终止准则 643

7.6.5算法步骤 643

7.6.6算法程序框图 644

第8章 机械模糊优化设计方法 645

8.1含模糊因素的优化设计模型 645

8.1.1模糊数学的若干基本概念和定义 645

8.1.2设计变量 645

8.1.3目标函数 645

8.1.4约束条件 646

8.1.5数学模型 646

8.2模糊优化设计的确定型解法 647

8.2.1清晰目标函数在模糊约束时的求解方法 647

8.2.2模糊目标和模糊约束时的求解方法 648

8.3模糊优化设计问题的模糊模拟搜索解法 649

8.3.1清晰等价解法 649

8.3.2模糊模拟方法 649

第9章 机械优化设计应用实例 651

9.1机构优化设计 651

9.2机械零件优化设计 652

9.2.1弹簧优化设计 652

9.2.2机床主轴结构优化设计 652

9.3机械系统优化设计 653

参考文献 655

第30篇 反求设计 657

第1章 概述 659

第2章 反求数字化数据测量设备 662

2.1反求测量方法 662

2.1.1接触式测量 663

2.1.2非接触式测量 664

2.2坐标测量机原理、结构与特点 667

2.2.1坐标测量机原理 667

2.2.2直角坐标测量机结构形式与特点 669

2.2.3便携式关节臂坐标测量机结构形式与特点 671

2.3坐标测量机主要生产商及部分产品 671

2.4典型光学测量设备 684

第3章 反求设计中的数据预处理 690

3.1测头半径补偿 690

3.1.1拟合补偿法 691

3.1.1.1 B样条曲面补偿法 691

3.1.1.2 Kriging补偿法（参数曲面法） 692

3.1.2直接计算法 693

3.1.3三角网格法 694

3.1.4半球测量法 695

3.2数据的剔除 696

3.3数据的平滑 696

3.3.1数据平滑处理方法 696

3.3.2数据平滑滤波方法 696

3.4数据的拼合 699

3.4.1数据拼合问题 699

3.4.2基于三基准点对齐的数据拼合 700

3.4.3多视数据统一 701

3.4.4数据拼合的误差分析 702

3.5数据的修补 703

3.6数据的精简 705

3.7数据的分割 706

3.7.1点云数据分割方法 707

3.7.2散乱数据的自动分割 708

第4章 三维模型重构技术 711

4.1曲线拟合造型 711

4.1.1参数曲线的插值与逼近 712

4.1.1.1参数多项式 712

4.1.1.2数据点参数化 712

4.1.1.3多项式插值曲线 713

4.1.1.4最小二乘逼近 713

4.1.2 B样条曲线插值与逼近 714

4.1.2.1 B样条曲线插值 714

4.1.2.2 B样条曲线逼近 714

4.2曲面拟合造型 716

4.2.1有序点的B样条曲面插值 716

4.2.1.1曲面插值的一般过程 716

4.2.1.2双三次B样条插值曲面的反算 717

4.2.2 B样条曲面逼近 719

4.2.2.1最小二乘曲面逼近 719

4.2.2.2在规定精度内的曲面逼近 719

4.2.3任意测量点的B样条曲面逼近 719

4.2.3.1 B样条曲线、曲面及最小二乘拟合定义 719

4.2.3.2基本曲面参数化 720

4.3曲线的光顺 723

4.3.1能量光顺方法 723

4.3.1.1能量法构造过程 723

4.3.1.2迭代停止准则及方法 724

4.3.2参数样条选点光顺 724

4.3.3 NURBS曲线选点光顺 724

4.3.3.1曲线选点修改基本原理与光顺性准则 724

4.3.3.2节点删除方法与光顺中的误差控制 725

4.3.3.3曲线选点迭代光顺算法 726

4.4曲面的光顺 727

4.4.1网格法光顺 727

4.4.2能量法光顺 727

4.5曲线曲面编辑与曲面片重建方法 728

4.5.1曲线的编辑 728

4.5.2曲面的编辑 728

4.5.3基于曲线的曲面片重建 730

4.6模型重建质量与评价 732

4.6.1工程曲面的分类 732

4.6.2模型重建误差分析 733

4.6.3曲线曲面的连续性与光顺性 734

4.6.3.1曲线曲面的连续性 734

4.6.3.2曲线曲面的光顺性 735

4.6.4模型精度分析与评价 736

4.6.4.1基于曲率的方法 737

4.6.4.2基于光照模型方法 738

4.6.4.3任意点到曲面的距离 738

第5章 常用反求设计软件与反求设计模块 742

5.1反求软件与反求模块简介 742

5.2 Imageware软件 743

5.3 Geomagic Studio和Geomagic Qualify软件 745

5.3.1 Geomagic Studio 745

5.3.2 Geomagic Qualify 745

5.4 CopyCAD Pro软件 747

5.5 RapidForm软件 748

5.6 CATIA中的反求设计模块 750

5.6.1 CATIA反求建模特点与基本流程 750

5.6.2 CATIA中反求建模主要模块及功能 751

5.7 Pro/E中的反求模块 753

5.7.1扫描工具 753

5.7.2小平面特征 755

5.7.3重新造型 756

第6章 反求设计实例 758

6.1摩托车后视镜反求设计 758

6.1.1产品造型分析 758

6.1.2点云的处理 758

6.1.3制作镜壳 760

6.1.4制作支柄 772

6.1.5裁剪曲面 779

6.2油泥车体模型反求设计 780

参考文献 785

第31篇 数字化设计 787

第1章 概述 789

1.1数字化设计技术 789

1.1.1产品开发与数字化设计技术 789

1.1.2数字化设计的内涵及学科体系 789

1.1.3数字化设计的特点 790

1.2数字化设计技术的相关技术 791

1.2.1 CAD技术 791

1.2.2 CAE技术 793

1.2.3 CAPP技术 794

1.2.4 CAM技术 794

1.2.5 PDM技术 794

1.2.6 DFx技术 794

1.2.7计算机支持的协同设计 795

1.2.7.1计算机支持的协同工作 795

1.2.7.2计算机支持的协同设计 795

1.2.7.3协同设计（CD） 795

1.2.8其他相关技术 795

1.3数字化设计技术的发展趋势 798

第2章 数字化设计系统的组成 800

2.1数字化设计系统的组成 800

2.2数字化设计系统的硬件系统 800

2.2.1主机 800

2.2.2内存储器 801

2.2.3外存储器 801

2.2.4输入输出装置 801

2.2.4.1输入设备 801

2.2.4.2输出设备 802

2.2.5网络互联设备 803

2.2.6硬件系统配置 805

2.3数字化设计系统的软件系统 805

2.3.1操作系统 805

2.3.1.1操作系统基本概念 805

2.3.1.2常用操作系统简介 805

2.3.2数据库 806

2.3.3支撑软件 807

2.3.4程序设计语言 808

2.3.5数字化设计典型软件简介 809

2.4数字化设计系统的建立 811

2.4.1数字化设计软件系统的开发流程 811

2.4.2数字化设计系统软硬件的选型 813

第3章 计算机图形学基础 815

3.1概述 815

3.1.1计算机图形学的研究内容 815

3.1.2计算机图形学的应用领域 815

3.1.3计算机图形系统的硬件设备 816

3.2图形变换 816

3.2.1二维图形的基本几何变换 816

3.2.1.1恒等变换 816

3.2.1.2比例变换 817

3.2.1.3反射变换 817

3.2.1.4错切变换 818

3.2.1.5旋转变换 819

3.2.1.6平移变换及齐次坐标 819

3.2.2二维图形的组合变换 820

3.2.2.1平面图形绕任意点旋转的变换 820

3.2.2.2平面图形以任意点为中心的比例变换 821

3.2.3三维图形的几何变换 821

3.2.3.1平移变换 822

3.2.3.2比例变换 822

3.2.3.3旋转变换 823

3.2.4正投影变换 825

3.2.5复合变换 825

3.2.5.1主视图变换矩阵 826

3.2.5.2俯视图变换矩阵 826

3.2.5.3左视图变换矩阵 826

3.2.5.4三视图变换矩阵注意的问题 826

3.2.6复合变换轴测图投影变换 827

3.3图形的裁剪与消隐 827

3.3.1图形的裁剪 827

3.3.1.1直线裁剪 827

3.3.1.2多边形裁剪 827

3.3.2图形的消隐 829

3.3.2.1消隐的概念 829

3.3.2.2消隐分类 829

3.3.2.3常见消隐算法 829

3.4三维物体的表示 832

3.4.1曲线 832

3.4.1.1参数曲线 832

3.4.1.2 Hermite曲线 832

3.4.1.3 Bezier曲线 833

3.4.1.4 B样条曲线 833

3.4.1.5非均匀有理B样条曲线（NURBS） 835

3.4.2曲面 835

3.4.2.1 Coons曲面 835

3.4.2.2 Bezier曲面 836

3.4.2.3 B样条曲面 836

第4章 产品的数字化造型 837

4.1形体在计算机内部的表示 837

4.1.1几何信息和拓扑信息 837

4.1.2形体的定义及表示形式 837

4.2线框造型系统 838

4.3曲面造型系统 839

4.4实体造型系统 841

4.4.1实体造型的定义 841

4.4.2构建实体几何模型（CSG） 841

4.4.3边界表示几何模型（B-Rep） 842

4.4.4空间位置枚举法（spatial oeeupaney enumeration） 842

4.4.5实体空间分解枚举（八叉树）表示法（spatial-partitioning representations） 842

4.4.6扫描表示法（sweep representations） 843

4.5基于特征的实体造型 843

4.5.1特征造型的定义 843

4.5.2特征的分类 844

4.5.3特征造型技术的实施 844

4.5.4特征造型的优点 844

4.5.5参数化造型 844

4.5.6参数化特征造型系统 845

4.6装配造型 845

4.6.1装配造型的功能 845

4.6.2装配浏览 845

4.6.3装配模型的使用 846

第5章 计算机辅助设计技术 847

5.1概述 847

5.1.1 CAD技术的内涵 847

5.1.2 CAD技术的特点与应用 847

5.1.2.1 CAD技术的特点 847

5.1.2.2 CAD技术的应用 848

5.1.3 CAD技术通用技术规范（specification for CAD general technology GB/T 17304—2009） 849

5.2 CAD接口技术和图形标准 854

5.2.1人机交互及接口技术 855

5.2.1.1交互技术 855

5.2.1.2人机接口技术 857

5.2.2计算机图形接口和图形元文件 858

5.2.2.1计算机图形接口（CGI） 858

5.2.2.2计算机图形元文件（CGM） 859

5.2.3计算机图形软件标准 860

5.2.3.1 GKS标准（GKS和GKS-3D） 860

5.2.3.2 PHIGS标准（程序员层次交互图形系统） 862

5.2.3.3 OpenGL标准（开放图形库） 863

5.2.4产品数据交换标准 871

5.2.4.1 DXF（图形交换文件） 871

5.2.4.2 IGES（初始图形交换规范） 874

5.2.4.3 STEP（产品模型数据交换标准） 880

5.2.5图形库的建立和使用 883

5.2.5.1图形系统文件 883

5.2.5.2图形程序 883

5.2.5.3参数化 884

5.3工程数据的计算机处理 885

5.3.1数表的程序化 885

5.3.1.1数表的存储 885

5.3.1.2一元数表的查取方法 886

5.3.1.3二元数表的存取方法 887

5.3.1.4数表的公式化 888

5.3.2线图的程序化 890

5.3.3建立数据文件 890

5.3.4数表的数据库管理 891

5.3.4.1数据库系统简介 891

5.3.4.2数据库的建立和使用 892

5.3.4.3数据库管理系统在CAD中的应用 893

5.3.5工程数据库 893

5.3.5.1工程数据库的概念 893

5.3.5.2工程数据库的特点 894

5.4 CAD软件工程技术 895

5.4.1软件工程的基本概念 895

5.4.2 CAD应用软件开发 897

5.4.3软件开发流程 897

5.4.4 CAD软件的文档编制规范 900

第6章 有限元分析技术 904

6.1弹性力学基础 904

6.1.1弹性力学的主要物理量 904

6.1.2弹性力学的基本方程 905

6.1.3弹性力学问题的主要解法 906

6.2有限元法基础 906

6.2.1有限元法的基本思想 906

6.2.2有限元法的基本步骤 906

6.2.3常用单元的位移模式 908

6.2.4非节点载荷的移置 909

6.2.5有限元分析应注意的问题 910

6.2.6有限元法的应用 910

6.3各类问题的有限元法 911

6.3.1平面问题的有限元法 911

6.3.2轴对称问题的有限元法 918

6.3.3杆件系统的有限元法 918

6.3.4空间问题的有限元法 921

6.3.5等参数单元 924

6.3.6板壳问题的有限元法 926

6.3.6.1平板弯曲问题的有限元法 926

6.3.6.2壳体弯曲问题 928

6.3.7稳态热传导问题的有限元法 929

6.3.8动力学问题的有限元法 931

6.3.8.1质量矩阵与阻尼矩阵 932

6.3.8.2直接积分法 932

6.3.8.3振型叠加法 933

6.3.8.4大型特征值问题的解法 933

6.3.8.5减缩系统自由度的方法 934

6.3.9材料非线性问题的有限元法 934

6.3.9.1材料非线性本构关系 934

6.3.9.2弹塑性增量分析有限元格式 935

6.3.9.3非线性方程组的解法 935

6.3.10几何非线性问题的有限元法 936

6.3.10.1大变形情况下的应变和应力 936

6.3.10.2几何非线性问题的表达格式 938

6.3.10.3大变形条件下的本构关系 938

6.3.10.4几何非线性问题的求解方法 939

6.4有限元分析算例（以ANSYS为例） 939

6.4.1结构线性静力分析算例 939

6.4.1.1桁架和梁的有限元分析 939

6.4.1.2平面和壳问题的有限元分析 942

6.4.1.3轴对称问题的有限元分析 945

6.4.1.4 3D实体的有限元分析 948

6.4.1.5有限元分析的装配技术 950

6.4.2结构线性动力学分析算例 956

6.4.2.1模态分析 956

6.4.2.2谐响应分析 962

6.4.2.3瞬态动力学分析 966

6.4.2.4谱分析 972

6.4.3非线性分析算例 979

6.4.3.1几何非线性问题 979

6.4.3.2材料非线性问题 980

6.4.3.3状态非线性问题 984

6.4.4结构疲劳分析算例 991

6.4.4.1疲劳分析基础 991

6.4.4.2疲劳分析算例 995

6.4.5结构断裂分析算例 999

6.4.5.1断裂力学 999

6.4.5.2断裂力学求解 1000

6.4.5.3断裂分析算例 1003

6.4.6结构优化设计算例 1005

6.4.6.1优化设计 1005

6.4.6.2拓扑优化 1011

6.4.7基于ANSYS混合问题的有限元分析算例 1016

6.4.7.1装配体的分析基本过程 1016

6.4.7.2装配体的有限元分析实例 1019

第7章 虚拟样机技术 1022

7.1虚拟样机及虚拟样机技术内涵 1022

7.1.1虚拟样机技术基本概念 1022

7.1.1.1虚拟样机 1022

7.1.1.2虚拟样机技术 1024

7.1.1.3虚拟样机技术实现方法 1025

7.1.2虚拟样机技术的优点与局限 1026

7.1.2.1虚拟样机技术的优点 1026

7.1.2.2虚拟样机技术的局限性 1028

7.2虚拟样机技术体系 1029

7.2.1虚拟样机系统的体系结构 1029

7.2.2虚拟样机技术建立的基础 1029

7.2.3系统总体技术 1030

7.2.4建模技术 1030

7.2.4.1虚拟样机建模特点 1030

7.2.4.2虚拟样机建模技术的核心 1030

7.2.4.3虚拟样机建模的实现方法 1032

7.2.4.4虚拟样机建模技术应用实例 1033

7.2.5协同仿真技术 1035

7.2.5.1虚拟样机协同仿真技术的实现 1035

7.2.5.2虚拟样机协同仿真技术存在的问题 1035

7.2.5.3协同仿真实例 1035

7.2.6数据管理技术 1036

7.2.7其他相关技术 1039

7.2.8虚拟样机结构分析实例 1040

7.3虚拟样机技术的工业应用 1042

7.3.1虚拟样机技术在产品全生命周期中的应用 1042

7.3.1.1需求分析及概念设计阶段 1042

7.3.1.2初步设计阶段 1043

7.3.1.3详细设计阶段 1044

7.3.1.4测试评估阶段 1044

7.3.1.5生产制造及使用维护阶段 1045

7.3.2虚拟样机技术的工业应用实例 1045

7.3.2.1德国宝马汽车公司（BMW） 1045

7.3.2.2德国大众汽车公司（Volkswagen） 1046

7.3.2.3 EDO Marine and Aircraft Systems公司（EDO） 1048

参考文献 1049

第32篇 人机工程与产品造型设计 1051

第1章 概述 1053

1.1人机工程学的概念 1053

1.2人机工程学的研究内容与方法 1053

1.2.1人机工程学研究的内容 1053

1.2.2人机工程学研究的方法 1053

1.3产品设计中的人机关系 1055

1.3.1人机系统的概念 1055

1.3.2人机系统的分类 1055

1.3.3人机的特性 1056

1.3.4人机关系 1057

1.3.5人机关系设计的基本原则 1057

1.4产品造型设计的概述 1057

1.4.1产品造型设计概念 1057

1.4.2造型设计的基本要素 1057

1.4.3产品造型设计的基本要求和设计原则 1058

1.5人机工程学与产品造型设计 1058

第2章 人机工程 1060

2.1人体测量 1060

2.1.1人体测量基本术语 1060

2.1.1.1基本姿势 1060

2.1.1.2测量基准面和基准轴 1060

2.1.1.3测量方向 1060

2.1.1.4被测者的衣着和支承面 1060

2.1.2人体尺寸测量分类 1060

2.1.3人体测量基础项目 1061

2.1.4常用的人体测量数据 1064

2.1.4.1人体尺寸百分位数 1064

2.1.4.2人体主要尺寸 1064

2.1.4.3立姿人体尺寸 1065

2.1.4.4坐姿人体尺寸 1066

2.1.4.5人体水平尺寸 1068

2.1.4.6人体头部尺寸 1069

2.1.4.7人体手部尺寸 1071

2.1.4.8人体足部尺寸 1072

2.1.4.9中国六个区域的身高、胸围、体重的均值及标准差 1072

2.1.5人体测量数据的应用 1073

2.1.5.1人体主要尺寸测量数据的应用原则 1073

2.1.5.2人体尺寸测量数据的修正 1076

2.1.5.3正常人着装尺寸修正值 1076

2.1.5.4人体尺寸测量数据在产品尺寸设计中的应用 1077

2.1.5.5人体身高尺寸在设计中的应用 1078

2.1.6人体主要参数的计算 1078

2.1.6.1我国成年人人体尺寸的比例关系 1080

2.1.6.2人体体积V和表面积B与体重W（kg）的关系 1080

2.1.6.3人体生物力学参数的计算 1080

2.1.7人体模板设计 1080

2.1.7.1相关术语 1080

2.1.7.2身高尺寸分级 1080

2.1.7.3模板设计尺寸 1080

2.1.7.4人体模板关节角度的调节范围 1083

2.1.7.5模板的使用要求 1083

2.2作业空间 1084

2.2.1与作业空间有关的中国成年人基本静态姿势人体尺寸 1084

2.2.1.1相关术语 1084

2.2.1.2与作业空间有关的立姿人体尺寸 1084

2.2.1.3与作业空间有关的坐姿人体尺寸 1086

2.2.1.4与作业空间有关的跪姿、俯卧姿、爬姿人体尺寸 1087

2.2.1.5跪姿、俯卧姿、爬姿人体尺寸的推算公式 1087

2.2.2作业空间设计 1087

2.2.2.1相关术语 1087

2.2.2.2成人肢体正常活动范围和舒适姿势的调节范围 1088

2.2.2.3人体在立、坐、跪、卧姿势下手臂自由活动空间 1089

2.2.2.4人体其他姿态最小占用空间 1090

2.2.2.5水平面作业范围 1091

2.2.2.6坐姿作业的垂直面作业范围 1091

2.2.2.7立姿作业的垂直面作业范围 1092

2.2.2.8容膝空间设计 1093

2.2.2.9立姿作业活动余隙设计 1093

2.2.2.10立姿作业垂直方向布局设计 1093

2.2.2.11坐姿作业脚作业空间设计 1093

2.2.2.12立姿作业脚作业空间设计 1094

2.2.2.13人体受限作业空间的最小空间尺寸 1094

2.2.2.14手臂作业出入口的最小尺寸 1096

2.2.2.15单手作业出入口（伸入至腕关节）的最小尺寸 1096

2.2.2.16手指作业出入口（伸入至第一指关节）的最小尺寸 1097

2.2.2.17人身空间 1097

2.2.2.18作业姿势的选定 1098

2.2.3工作岗位设计 1098

2.2.3.1相关术语 1098

2.2.3.2与作业无关的工作岗位尺寸 1099

2.2.3.3与作业有关的工作岗位高度尺寸 1100

2.2.3.4大腿空间高度和小腿空间高度的最小限值 1100

2.2.3.5与作业有关的工作岗位其他尺寸设计 1100

2.2.3.6坐立姿交替工作岗位尺寸设计举例 1101

2.2.4工作座椅设计 1101

2.2.4.1工作座椅相关术语 1102

2.2.4.2工作座椅主要参数 1102

2.3显示器与控制器设计 1103

2.3.1作业空间的视觉设计 1103

2.3.1.1相关术语 1103

2.3.1.2各种视线的特征及应用 1105

2.3.1.3直接视野范