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1、1MATLAB 在机械课程设计中的应用研究 摘要：论文通过 MATLAB 在减速箱传动轴设计中的应用实例，探讨了MATLAB 在机械课程设计中的应用方法和技巧，对运用计算机辅助软件完成工科机械课程设计具有较好的参考价值。关键词：机械设计 MATLAB 应用0 引言目前，工科类的高职院校在完成机械制图、工程力学、机械设计等专业课程后，为了加强学生对基础理论课程的深入理解, 综合检测学生的学习情况，总要安排12 周的课程设计1。而在课程设计中所进行的课题大多是围绕传动系统中轴的结构及强度设计展开，由于时间短，工作量大，使得学生产生畏惧感、厌倦感，东拼西凑、东抄西抄，应付了事，失去了搞课程设计的真正
2、意义。近年来，计算机技术的迅速发展及其在机械设计中的广泛应用，使得机械设计越来越方便、快捷。针对高职教育的特点，笔者认为在机械课程设计中应该尽可能多的利用计算机进行辅助设计，一是让学生掌握现代化的设计理念，适应新形式下的职业需求；二是通过引入相对较容易上手的软件，引起学生的兴趣，让学生自主地去学习2 3。经过详细的比较研究，笔者选择了功能全面且界面友好、人机交互的软件MATLAB4。1 MATLAB 软件的特点MATLAB 是“矩阵实验室（Matrix Laboratory）”的缩写，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，是专门针对科学和工程中计算和绘图的需求而开发的一种科学计算软件。与其
3、它计算机语言相比，其特点是使用方便，输入简捷，运算高效，内容丰富，并且很容易由用户自行扩展。22 应用研究机械课程设计中的轴类零件大部分受空间力系作用，发生弯扭组合变形，而解决弯扭组合变形的轴强度设计问题对高职学生来说，相对复杂，其原因是计算量和作图量都极大。下面就以减速箱传动轴零件的强度设计问题为例，来探讨MATLAB 在机械课程设计中的应用方法和技巧。2.1 基于 Matlab 分析工程实际问题的基本步骤2.1.1 根据工程实际问题进行建模 为工程结构或构件选择合适的简化平面，画出其平面简图；确定研究对象，取分离体，画其受力简图；列平衡方程。2.1.2 编写 Matlab 程序 Matla
4、b 程序编制方式：Matlab 程序编制的方式有两种方式：第一种是行命令方式，这就是在命令窗中一行一行地输入程序，计算机每次对一行命令作出反应，像计算器那样。这只能编简单的程序，在入门时可以用这种方式。第二种是 M 文件方式，当程序稍复杂一些时，就把程序写成一个由多行语句组成的文件，通过在 Matlab 的命令窗中输入文件名回车来执行这个文件。Matlab 程序编制框架：Matlab 程序编制的框架分三部分：a 已知数据输入程序段。一般采用 input 函数输入数据。其格式是 zinput（屏幕上显示的提示信息）。当执行该函数时，系统等待从键盘输入数据后按回车键，输入的数据就存入变量z 中。b
5、 相关表达式编制程序段。把建模中的表达式按 Matlab 规定格式进行编制。此时的程序语句基本上与其数学表达式一致。c 结果数据输出程序段。一般采用fprintf 函数输出数据微。其格式是 fprintf( 屏幕上显示的提示信息 变量名=%数据输出格式单位n,变量名)。在编写程序时，在程序开始处先输入已知条件（给已知参数赋值），这样得出的程序具有一定的普遍性，若需要修改参数，只需修改头几行的数据即可。Matlab 程序运行。2.2 应用举例 例：设计带式输送机减速器的输出轴直径。已知该轴传递功率为3P=5kM，转速 n=140r/min，齿轮分度圆直径 d=280mm，螺旋角 =14，法向压力
6、角an=20。作用在右端联轴器上的力 F=380N，方向未定。L1=200mm，L2=150mm，载荷平稳，单向运转。轴的材料为 45 钢调质处理。 2.2.1 建模 首先，根据力学概念确定轴为研究对象。其次，画出轴的空间受力图，根据空间力系的平面解析法，画出各平面及 F 支反力受力图以及轴上作用力偶的受力图；最后，根据各平面受力图，通过静力平衡方程，列出各参数的表达式。圆周力 径向力轴向力水平面支反力水平面弯矩2.2.2 编程 %轴的设计计算（弯扭组合）%输入参数sigmab=input(b=); %材料的强度极限值sigmabb=input(-1bb=); %材料的对称循环状态下的许用弯曲
7、应力P=input(P=); %轴传递的功率（Kw）%进行计算将前面对应的建模表达式输入%齿轮上作用力的计算T=9.55*106*P/n; %齿轮所受的转矩T=9.55106 Ft=2*T/d; %齿轮上作用的圆周力Fr=Ft*tan(alphan*hd)/cos(beita*hd); %齿轮上作用的径向力4Fa=Ft*tan(beita*hd); %齿轮上作用的轴向力%输出计算结果fprintf( 轴的直径 dD=%3.3fmmn,dD) %输出轴的直径 dDfprintf( 水平面弯矩 MCy=%3.3fNmmn,MCy) %输出轴 C 处的水平弯矩fprintf( 垂直面弯矩 MCz1=
8、%3.3fNmmn,MCz1) %输出轴 C 处左侧的垂直弯矩fprintf( 垂直面弯矩 MCz2=%3.3fNmmn,MCz2) %输出轴 C 处右侧的垂直弯矩%轴的弯扭强度设计作图%画水平弯矩图title(水平弯矩图) %确定图形的标题xlabel(x) %确定 x 轴的标签ylabel(My) %确定 y 轴的标签x=0 100 200 350; %给出 x 轴的坐标值 y=0 MCy 0 0; %给出 y 轴的坐标值figure(1); %图形排序plot(x,y,*,x,y,-b) %绘制曲线是实线，蓝色hold on %保持当前图形2.2.3 运行结果 matlab 输出的计算结
9、果和如图 3 matlab 输出的水平弯矩图、垂直弯矩图、F 力作用下的弯矩图、扭矩图及合成弯矩图。通过上述编制的程序段和相应的程序语句的说明，我们可以看出 matlab 编程特点，只要掌握的输入输出语句的固定格式，对于中间的表达式的输入，形式基本上类似于数学符号的直接应用。不用过多的去记忆大量程序指令，使编程易于上手5完成。3 结论MATLAB 软件具有强大的计算、绘图及仿真功能，把它应用于工科机械课程设计中，不但可以激发学生的学习兴趣，培养学生独立思考问题的能力，还能真正让学生掌握一些现代化的设计手段。MATLAB 软件简单易学、方便快捷，希望它能在职业院校中也真正地广泛开展起来，促进现代高职教育的教学思想和教学模式的改革创新。参考文献：1柴鹏飞.机械设计基础M. 北京：机械工业出版社，2007.203206.2朱艳英，陈月娥等.理论力学课程教学中的 MATLAB 应用研究J.教学研究.2006.5：258260.3梁兰菊.MATLAB 在力学教学中的应用.长春师范学院学报(自然科学版).2008年 4 月 120122.4陈怀琛.MATLAB 及其在理工课程中的应用指南M.西安电子科技大学出版社.2007.160163.
