課程設(shè)計應(yīng)用范文
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目前，工科類的高職院校在完成機(jī)械制圖、工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計等專業(yè)課程后，為了加強(qiáng)學(xué)生對基礎(chǔ)理論課程的深入理解,綜合檢測學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，總要安排1~2周的課程設(shè)計[1]。而在課程設(shè)計中所進(jìn)行的課題大多是圍繞傳動系統(tǒng)中軸的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度設(shè)計展開，由于時間短，工作量大，使得學(xué)生產(chǎn)生畏懼感、厭倦感，東拼西湊、東抄西抄，應(yīng)付了事，失去了搞課程設(shè)計的真正意義。
近年來，計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在機(jī)械設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，使得機(jī)械設(shè)計越來越方便、快捷。針對高職教育的特點，筆者認(rèn)為在機(jī)械課程設(shè)計中應(yīng)該盡可能多的利用計算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計，一是讓學(xué)生掌握現(xiàn)代化的設(shè)計理念，適應(yīng)新形式下的職業(yè)需求；二是通過引入相對較容易上手的軟件，引起學(xué)生的興趣，讓學(xué)生自主地去學(xué)習(xí)[2][3]。經(jīng)過詳細(xì)的比較研究，筆者選擇了功能全面且界面友好、人機(jī)交互的軟件——MATLAB[4]。
1MATLAB軟件的特點
MATLAB是“矩陣實驗室（MatrixLaboratory）”的縮寫，它是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，是專門針對科學(xué)和工程中計算和繪圖的需求而開發(fā)的一種科學(xué)計算軟件。與其它計算機(jī)語言相比，其特點是使用方便，輸入簡捷，運(yùn)算高效，內(nèi)容豐富，并且很容易由用戶自行擴(kuò)展。
2應(yīng)用研究
機(jī)械課程設(shè)計中的軸類零件大部分受空間力系作用，發(fā)生彎扭組合變形，而解決彎扭組合變形的軸強(qiáng)度設(shè)計問題對高職學(xué)生來說，相對復(fù)雜，其原因是計算量和作圖量都極大。下面就以減速箱傳動軸零件的強(qiáng)度設(shè)計問題為例，來探討MATLAB在機(jī)械課程設(shè)計中的應(yīng)用方法和技巧。
2.1基于Matlab分析工程實際問題的基本步驟
2.1.1根據(jù)工程實際問題進(jìn)行建模①為工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件選擇合適的簡化平面，畫出其平面簡圖；②確定研究對象，取分離體，畫其受力簡圖；③列平衡方程。
2.1.2編寫Matlab程序①Matlab程序編制方式：Matlab程序編制的方式有兩種方式：第一種是行命令方式，這就是在命令窗中一行一行地輸入程序，計算機(jī)每次對一行命令作出反應(yīng)，像計算器那樣。這只能編簡單的程序，在入門時可以用這種方式。第二種是M文件方式，當(dāng)程序稍復(fù)雜一些時，就把程序?qū)懗梢粋€由多行語句組成的文件，通過在Matlab的命令窗中輸入文件名回車來執(zhí)行這個文件。②Matlab程序編制框架：Matlab程序編制的框架分三部分：a已知數(shù)據(jù)輸入程序段。一般采用input函數(shù)輸入數(shù)據(jù)。其格式是z＝input（’屏幕上顯示的提示信息’）。當(dāng)執(zhí)行該函數(shù)時，系統(tǒng)等待從鍵盤輸入數(shù)據(jù)后按回車鍵，輸入的數(shù)據(jù)就存入變量z中。b相關(guān)表達(dá)式編制程序段。把建模中的表達(dá)式按Matlab規(guī)定格式進(jìn)行編制。此時的程序語句基本上與其數(shù)學(xué)表達(dá)式一致。c結(jié)果數(shù)據(jù)輸出程序段。一般采用fprintf函數(shù)輸出數(shù)據(jù)微。其格式是fprintf(''''屏幕上顯示的提示信息變量名=%數(shù)據(jù)輸出格式單位\n'''',變量名)。在編寫程序時，在程序開始處先輸入已知條件（給已知參數(shù)賦值），這樣得出的程序具有一定的普遍性，若需要修改參數(shù)，只需修改頭幾行的數(shù)據(jù)即可。③Matlab程序運(yùn)行。
2.2應(yīng)用舉例例：設(shè)計帶式輸送機(jī)減速器的輸出軸直徑。已知該軸傳遞功率為P=5kM，轉(zhuǎn)速n=140r/min，齒輪分度圓直徑d=280mm，螺旋角β=14°，法向壓力角an=20°。作用在右端聯(lián)軸器上的力F=380N，方向未定。L1=200mm，L2=150mm，載荷平穩(wěn)，單向運(yùn)轉(zhuǎn)。軸的材料為45鋼調(diào)質(zhì)處理。
2.2.1建模首先，根據(jù)力學(xué)概念確定軸為研究對象。其次，畫出軸的空間受力圖，根據(jù)空間力系的平面解析法，畫出各平面及F支反力受力圖以及軸上作用力偶的受力圖；最后，根據(jù)各平面受力圖，通過靜力平衡方程，列出各參數(shù)的表達(dá)式。
圓周力
徑向力
軸向力
水平面支反力
水平面彎矩
……
2.2.2編程
%軸的設(shè)計計算（彎扭組合）
%輸入?yún)?shù)
sigmab=input(‘σb='''');%材料的強(qiáng)度極限值
sigmabb=input(‘[σ-1]bb='''');
%材料的對稱循環(huán)狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力
P=input(''''P='''');%軸傳遞的功率（Kw）
……
%進(jìn)行計算——將前面對應(yīng)的建模表達(dá)式輸入
%齒輪上作用力的計算
T=9.55*10^6*P/n;%齒輪所受的轉(zhuǎn)矩——T=9.55×106
Ft=2*T/d;%齒輪上作用的圓周力——
Fr=Ft*tan(alphan*hd)/cos(beita*hd);%齒輪上作用的徑向力――——
Fa=Ft*tan(beita*hd);%齒輪上作用的軸向力——
……
%輸出計算結(jié)果
fprintf(''''軸的直徑dD=%3.3fmm\n'''',dD)%輸出軸的直徑dD
fprintf(''''水平面彎矩MCy=%3.3fNmm\n'''',MCy)%輸出軸C處的水平彎矩
fprintf(''''垂直面彎矩MCz1=%3.3fNmm\n'''',MCz1)%輸出軸C處左側(cè)的垂直彎矩
fprintf(''''垂直面彎矩MCz2=%3.3fNmm\n'''',MCz2)%輸出軸C處右側(cè)的垂直彎矩
……
%軸的彎扭強(qiáng)度設(shè)計作圖
%畫水平彎矩圖
title(''''水平彎矩圖'''')%確定圖形的標(biāo)題
xlabel(''''x'''')%確定x軸的標(biāo)簽
ylabel(''''My'''')%確定y軸的標(biāo)簽
x=[0100200350];%給出x軸的坐標(biāo)值
y=[0MCy00];%給出y軸的坐標(biāo)值
figure(1);%圖形排序
plot(x,y,''''*'''',x,y,''''-b'''')%繪制曲線是實線，藍(lán)色
holdon%保持當(dāng)前圖形
……
2.2.3運(yùn)行結(jié)果matlab輸出的計算結(jié)果和如圖3matlab輸出的水平彎矩圖、垂直彎矩圖、F力作用下的彎矩圖、扭矩圖及合成彎矩圖。
通過上述編制的程序段和相應(yīng)的程序語句的說明，我們可以看出matlab編程特點，只要掌握的輸入輸出語句的固定格式，對于中間的表達(dá)式的輸入，形式基本上類似于數(shù)學(xué)符號的直接應(yīng)用。不用過多的去記憶大量程序指令，使編程易于上手完成。
3結(jié)論
MATLAB軟件具有強(qiáng)大的計算、繪圖及仿真功能，把它應(yīng)用于工科機(jī)械課程設(shè)計中，不但可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考問題的能力，還能真正讓學(xué)生掌握一些現(xiàn)代化的設(shè)計手段。MATLAB軟件簡單易學(xué)、方便快捷，希望它能在職業(yè)院校中也真正地廣泛開展起來，促進(jìn)現(xiàn)代高職教育的教學(xué)思想和教學(xué)模式的改革創(chuàng)新。
參考文獻(xiàn)：
[1]柴鵬飛.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.203～206.
[2]朱艷英，陳月娥等.理論力學(xué)課程教學(xué)中的MATLAB應(yīng)用研究[J].教學(xué)研究.2006.5：258～260.
[3]梁蘭菊.MATLAB在力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.長春師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版).2008年4月120～122.
[4]陳懷琛.MATLAB及其在理工課程中的應(yīng)用指南[M].西安電子科技大學(xué)出版社.2007.160～163.