本书面向机械工程计算和分析需求，首先从理论、方法到实例分析，由浅入深较全面地介绍现代工程数学计算方法、结构力学分析的有限元法、机械结构系统多体动力学、机械振动分析等，形成机械工程计算与分析的主要理论技术体系；然后介绍 MATLAB、ANSYS、ADAMS、Isight 等几种常用工程软件，并给出详细的算例；最后介绍起重机、旋转机械等典型结构系统的机械工程计算分析应用案例，为读者运用现代计算与分析方法解决机械工程领域的实际问题奠定了基础。
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第1章 常用计算方法 1
1.1矩阵及其运算 1
1.1.1矩阵的定义 1
1.1.2数值矩阵的创建 4
1.1.3特殊矩阵的创建 4
1.1.4矩阵的数据处理 7
1.1.5数值矩阵的运算 8
1.1.6单元数组 11
1.2插值与拟合 12
1.2.1插值与拟合的基本概念 12
1.2.2拉格朗日插值 13
1.2.3牛顿插值 15
1.2.4埃尔米特插值 22
1.2.5 维插值 24
1.2.6二维插值 26
1.2.7三维插值 28
1.2.8三次样条插值 28
1.2.9 B样条插值 30
1.2.10曲线拟合的最小二乘法 31
第2章 数值微分和积分算法 34
2.1函数的极限 34
2.2函数的导数 35
2.3函数的积分 37
2.4积分变换 39
2.4.1 Fourier变换及其逆变换 39
2.4.2快速Fourier变换 40
2.4.3 Laplace变换 42
2.4.4 Z变换及其逆变换 43
2.5级数展开与求和 44
2.5.1Taylor级数展开 44
2.5.2Fourier级数展开 45
2.5.3级数求和 46
2.6数值积分 47
第3章 优化算法 51
3.1线性规划 51
3.1.1线性规划的概念 51
3.1.2线性规划的MATLAB实现 52
3.1.3线性规划的单纯算法 57
3.2无约束优化 62
3.2.1解析解法与图解法 63
3.2.2数值解法 64
3.3约束优化 65
3.3.1单变量约束优化 66
3.3.2多元约束优化 67
3.3.3最大最小化问题 70
3.4二次规划 72
第4章 弹性力学基础 74
4.1弹性力学的几个基本概念74
4.1.1弹性力学及其基本假设 74
4.1.2外力与内力 75
4.1.3应力 76
4.1.4应变 77
4.2应力状态的描述 78
4.2.1任意截面上的应力分解 78
4.2.2主应力及其求解方法 80
4.3应力平衡微分方程 82
4.4凡何方程 84
4.5应变状态的描述 86
4.6相容性条件 88
4.7物理方程 89
4.7.1广义胡克定律 89
4.7.2线弹性结构的物理方程 90
4.8边界条件 92
4.8.1应力边界条件 92
4.8.2位移边界条件 93
4.9弹性力学平面问题 93
4.10弹性力学空间轴对称问题 95
4.11弹性力学板壳问题 97
4.12弹性力学问题的一般解法100
4.12.1位移法 101
4.12.2应力法 102
4.12.3用应力函数求解平面问题 103
4.13弹性力学分析的能量法 105
4.13.1能量法的基本原理 106
4.13.2弹性力学问题的虚位移原理 108
4.14机械结构的强度失效准则109
4.14.1材料的失效应力 109
4.14.2最大主应力准则 110
4.14.3最大剪应力准则 110
4.14.4最大变形能准则 111
第5章 有限元法基础 112
5.1平面三角形单元基本理论 112
5.1.1平面三角形单元的单元刚度矩阵推导 112
5.1.2利用平面三角形单元进行结构的整体分析 1 17
5.1.3边界条件的引入119
5.1.4有限元法的求解步骤123
5.1.5平面三角形单元举例125
5.2梁单元分析 131
5.2.1平面悬臂梁问题的解析分析 131
5.2.2乎面梁单元的分析与求解 133
5.2.3平面梁单元分析举例 137
5.3等参元理论 140
5.3.1等参元的基本概念 140
5.3.2四节点四边形等参元分析 144
5.3.3高斯积分法简介147
5.3.4四节点矩形等参元分析举例 147
5.4机械结构的动力有限元法 155
5.4.1单元动力学方程的建立 155
5.4.2机械结构整体动力学方程的建立 158
5.4.3机械结构的动态有限元分析 159
5.4.4应用举例 167
第6章 多体系统动力学基础 171
6.1多体系统运动学原理 171
6 I.I多体系统的运动描述方法 171
6.1.2正向运动学分析 174
6.1.3机械臂运动学分析的逆问题 175
6.2多体系统动力学原理 178
6.2.1牛顿 欧拉方法179
6.2.2拉格朗日方法 180
6.2.3机械臂多刚体系统动力学方程的一般形式 180
6.3两自由度机械臂动力学分析 181
6.3.1基于牛顿 欧拉方法的两自由度机械臂功力学分析181
6.3.2基于拉格朗日方法的两自由度机械臂动力学分析183
6.3.3平面两自由度机械臂动力学数值仿真 185
第7章 机械振动基础 187
7.1机械振动学的基本概念 187
7.1.1动力学系统的自由度187
7.1.2单自由度系统的动力学分析 187
7.2多自由度振动系统分析 190
7.2.1多自由度振动系统的运动方程 190
7.2.2固有频率、主振型和方程解耦 191
7.2.3多自由度系统的受迫振动 193
7.2.4多自由度振动系统分析举例 194
7.3连续体的振动分析 197
7.3.1杆的自由振动 197
7.3.2杆的强迫振动 200
第8章 有限元分析软件ANSYS 202
8.1杆件结构力学分析 202
8.1.1桁架结构 203
8.1.2梁结构 207
8.2平面结构力学分析 209
8.2.1平面应力问题 210
8.2.2平面应变问题 215
8.2.3轴对称问题 219
8.3三维实体结构力学分析 222
8.4薄壳结构力学分析 226
8.5结构动力学分析 235
8.6其他常用单元介绍 238
8.6.1MPC184单元 238
8.6.2MASS21结构质量单元 242
8.6.3COMBIN14弹簧 阻尼器单元 242
第9章 机械动力学仿真分析软件ADAMS 244
9.1ADAMS软件简介 244
9.1.1ADAMS软件的操作流程 244
9.1.2ADAMS软件的主要功能模块 245
9.2 ADAMS建模方法 246
9.2.1ADAMS模型创建与仿真的基本步骤 246
9.2.2举升机构的建模与仿真 255
9.3柔性体建模 266
9.3.1离散柔性连接件 267
9.3.2刚体转换成柔性体方式建模 270
9.3.3ADAMS/Flex柔性分析模块 274
9.3.4ADAMS/Line分析模块 279
9.4参数化设计与优化计算 282
9.4.1爹数化设计与优化分析的基本步骤 283
9.4.2参数化设计与优化分析实例 284
第10章 集成优化计算平台lsight及应用 303
10.1 Isight简介 303
10.2 Isight组件 303
10.3DOE实验技术 308
10.3.1拉丁超立方体技术 309
10.3.2中央组合设计技术 309
10.3.3实例说明 309
10.4近似逼近技术 314
10.4.1克里格模型 314
10.4.2切比雪夫／正交多项式模型 315
10.4.3Ⅱ向应曲面模型 318
10.4.4实例说明 320
10.5蒙特卡罗模拟仿真 325
10.5.1采样技术 325
10.5.2方差减少技术 326
10.5.3实例说明 327
10.6优化技术 331
10.6.1多岛遗传算法 331
10.6.2多岛遗传算法计算实例 332
10.6.3自适应模拟退火技术 334
10.6.4自适应模拟退火算例 335
第11章 基于ANSYS的起重机结构力学分析 339
11.1屐带式起重机的有限元模型建立 340
II.I.I问题描述 340
11.1.2建模过程 340
11.2有限元分析工况及边界条件 344
11.2.1臂架计算工况及边界条件 344
11.2.2转台、车架、履带架计算工况及约束条件 345
11.3履带式起重机关键部件结构力学计算分析 346
11.3.1臂架结构分析 346
11.3.2转台结构分析 351
11.3.3车架结构分析 353
11.3.4履带架结构分析 355
11.3.5计算结果分析 356
第12章 旋转机械动力学计算与分析 358
12.1叶片动力学的计算与分析 358
12 I.I薄板力学基本理论 358
12.1.2四边简支边界条件下薄板崮有特性 360
12.1.3悬臂边界条件下薄板的固有特性 362
12.1.4悬臂薄板动力学分析解析算例 365
12.1.5悬臂薄板模态分析有限元算例 367
12.1.6叶片模态分析有限元算例 369
12.2轮盘动力学计算与分析 370
12.2.1薄盘动力学特性 370
12.2.2圆盘振动的行波现象 372
12.2.3薄盘振动的数值分析算例 374
12.2.4轮盘模态分析的有限元算例 374
12.3转子系统动力学计算与分析 376
12.3.1转子系统的涡动运动特性 377
12.3.2不平衡激励下的转子系统振动响应 378
12.3.3阻尼对转子系统不平衡振动响应的影响 380
12.3.4转子系统动力学分析的有限元法 382
12.3.5二支点转子系统动力学解析分析案例 386
12.3.6基于ANSYS的二支点转子系统动力学分析案例 393
12.3.7基于ADAMS的转子系统动力学分析算例 397
参考文献 400
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