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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NR239

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Rw268

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△Kth415

5.2.3裂纹扩展速率da/dN417

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 Studio745

5.3.2 Geomagic Qualify745

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