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第1章 绪论 1

本章学习目标和要点 1

1.1 概述 1

1.2 现代设计方法的特点 2

1.3 现代设计方法应用软件简介 3

1.4 本书内容 4

第2章 有限元法基础 5

本章学习目标和要点 5

2.1 有限元法简介 5

2.1.1 有限元法的产生及基本思想 5

2.1.2 有限元法的分析过程 6

2.1.3 有限元法在工程中的应用 7

2.2 弹性力学基础知识 8

2.2.1 弹性力学平面问题 8

2.2.2 弹性力学基本方程 9

2.3 弹性平面问题的有限元法 13

2.3.1 结构离散及单元划分 13

2.3.2 三角形单元分析 14

2.3.3 整体分析 21

2.3.4 有限元分析应注意的几个问题 26

2.3.5 平面问题应用实例 26

2.4 二维梁单元 36

2.4.1 平面梁单元的刚度矩阵 36

2.4.2 整体坐标的单元刚度矩阵 40

2.4.3 非节点载荷的移置 41

2.4.4 框架问题应用实例 42

2.5 空间问题 47

2.5.1 4节点四面体单元的刚度矩阵 48

2.5.2 空间问题应用实例 50

2.6 薄板、壳问题 53

2.6.1 薄板弯曲的基本概念和基本方程 53

2.6.2 薄板问题的有限元法 54

2.6.3 薄壳问题的有限元法 57

2.6.4 薄板、壳问题应用举例 58

2.7 动力问题 63

2.7.1 结构的动力方程 63

2.7.2 质量矩阵和阻尼矩阵 63

2.7.3 结构的自振频率和振型 65

2.7.4 结构的动力问题分析实例 65

2.8 ANSYS Workbench应用软件应用实例 70

2.8.1 ANSYS Workbench应用软件简介 70

2.8.2 平面支架受力分析——平面问题 77

2.8.3 轴承座受力分析——空间问题 84

2.8.4 组合零件接触面分析——接触问题 93

2.8.5 起重机梁的谐响应分析——动力问题 99

思考题 108

习题 108

第3章 优化设计 113

本章学习目标和要点 113

3.1 概述 113

3.2 优化设计的数学模型 118

3.2.1 设计变量与设计空间 118

3.2.2 约束 119

3.2.3 目标函数 120

3.2.4 数学模型 121

3.3 优化设计基本方法 124

3.4 一维搜索方法 126

3.4.1 确定初始区间的方法 126

3.4.2 0.618法（黄金分割法） 128

3.5 无约束优化设计方法 130

3.5.1 Powell法 131

3.5.2 变尺度法 132

3.6 约束优化设计方法 134

3.6.1 复合形法 135

3.6.2 惩罚函数法 139

3.7 机械优化设计的几个问题 147

3.7.1 尺度变换 147

3.7.2 多目标问题 150

3.7.3 离散优化设计问题 151

3.7.4 机械优化设计的一般步骤 153

3.8 应用举例 153

3.8.1 连杆机构的优化设计 153

3.8.2 机械结构优化设计 155

3.9 ANSYS优化设计介绍 159

思考题 164

习题 165

第4章 可靠性工程 167

本章学习目标和要点 167

4.1 概述 167

4.2 可靠性工程的基础理论 168

4.2.1 可靠度和故障率 168

4.2.2 产品失效模型 170

4.2.3 产品的平均寿命 173

4.3 零件机械强度的可靠性设计 174

4.3.1 应力和强度的干涉模型 174

4.3.2 用分析法进行可靠性预计 175

4.3.3 可靠性工程中搜集数据的方法 176

4.3.4 受拉零件的静强度可靠性设计 177

4.3.5 梁的静强度可靠性设计 179

4.4 机械和电子系统的可靠性工程 181

4.4.1 系统的可靠性模型 181

4.4.2 系统的可靠性预计 183

4.4.3 系统的可靠性分配 185

4.5 机械和电子系统故障分析法 187

4.5.1 故障树的基本概念 187

4.5.2 故障树定性分析 189

4.5.3 故障树的定量分析 189

4.6 疲劳强度可靠性分析 191

4.6.1 疲劳曲线（S-N曲线与P-S-N曲线） 191

4.6.2 P-S-N曲线的制作原理和方法 194

4.6.3 给定寿命条件下的疲劳强度及其可靠度 201

4.6.4 有限寿命脉动条件下零件的疲劳寿命及其可靠度 206

4.7 ANSYS可靠性分析介绍 212

思考题 217

习题 217

第5章 其他现代设计方法简介 219

本章学习目标和要点 219

5.1 计算机辅助设计 219

5.2 模块化设计 220

5.3 并行设计 220

5.4 模糊设计 221

5.5 创新设计 221

5.6 面向制造的设计 221

5.7 绿色设计 222

5.8 虚拟设计技术 222

附录 224

参考文献 228