淺談MATALB在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用

崔淵博 郭佳民 李楷

摘 要：近年來，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的飛速發(fā)展極大地推動(dòng)了機(jī)械工程學(xué)科的發(fā)展，使得這門歷史悠久的學(xué)科煥發(fā)出新的光輝。多種類型的軟件的普及著實(shí)方便了機(jī)械工程領(lǐng)域人員的科研工作，不僅使他們從繁重的計(jì)算、尺規(guī)作圖中解放出來，而且提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和作圖的速度、質(zhì)量。MATLAB作為一款優(yōu)秀的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，理應(yīng)成為機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的得力助手。

關(guān)鍵詞：MATLAB；機(jī)械工程

近年來，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的飛速發(fā)展極大地推動(dòng)了機(jī)械工程學(xué)科的發(fā)展，使得這門歷史悠久的學(xué)科煥發(fā)出新的光輝。多種類型優(yōu)秀軟件的開發(fā)、普及著實(shí)方便了機(jī)械工程領(lǐng)域人員的科研工作，不僅使他們從繁重的計(jì)算、尺規(guī)作圖中解放出來，而且提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和作圖的質(zhì)量。甚至有些數(shù)據(jù)處理工作沒有計(jì)算機(jī)軟件的參與是很難完成的，即使人們能完成這些工作，也要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，比如機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)化問題，它可以借助計(jì)算機(jī)軟件準(zhǔn)確而快速地得到最優(yōu)值。大量計(jì)算機(jī)繪圖軟件的出現(xiàn)也在制圖領(lǐng)域掀起了一場革命性的風(fēng)暴，人們可以不借助畫板和圖紙，直接在計(jì)算機(jī)里作圖，不僅方便快捷，而且精度有了很大的提高，在這些基礎(chǔ)上，很多大型企業(yè)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械零件制造無紙化，而是直接由計(jì)算機(jī)三維零件模型制造出要加工的零件，比如美國飛機(jī)制造商波音公司就要求下游零件供應(yīng)商只能提供零件的三維模型，而不是紙質(zhì)工程圖紙。

MATLAB誕生的初衷就是為了使科技工作者從繁重的數(shù)值計(jì)算中解放出來。MATLAB是matrix和laboratory兩個(gè)詞前三個(gè)字母的組合，意為矩陣工廠（也可稱作矩陣實(shí)驗(yàn)室），是由美國mathworks公司推出的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、算法開發(fā)、矩陣計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的、交互式的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程計(jì)算、自動(dòng)控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、信號檢測工程設(shè)計(jì)、流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案。

MATLAB作為一款優(yōu)秀的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，并且隨著人們對二者應(yīng)用開發(fā)的深入探索，它與機(jī)械工程學(xué)科的結(jié)合有更加緊密的趨勢。它可以用來編寫用于計(jì)算復(fù)雜系統(tǒng)的MATLAB程序，比如齒輪、凸輪以及機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算程序，并且這些用MATLAB語言編寫的程序可以利用MATLAB編譯器和C/C++數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C++代碼，同時(shí)MATLAB極其強(qiáng)大的可移植性、可拓展性允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C++語言程序。它內(nèi)嵌的Simulinks模塊可以用來進(jìn)行機(jī)構(gòu)的仿真計(jì)算，這部分的功能和MSC. ADAMS等其它機(jī)構(gòu)仿真軟件相似，但是MATLAB具有后者無法相比的強(qiáng)大數(shù)據(jù)計(jì)算、處理能力，可以進(jìn)行更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析計(jì)算。MATLAB在機(jī)械控制技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，它的控制系統(tǒng)工具箱為系統(tǒng)的建模、分析和計(jì)算提供了比較完整的設(shè)計(jì)方案，可以方便地用其自帶的函數(shù)對線性連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算，繼而求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、頻域特征和時(shí)域特征等瞬態(tài)性能指標(biāo)，還可以精確地繪制系統(tǒng)的Nyquist圖、Bode圖，也可以精確地繪制出傳遞函數(shù)、激勵(lì)函數(shù)以及響應(yīng)函數(shù)的函數(shù)圖像。MATLAB在機(jī)械工程領(lǐng)域的另一個(gè)重要應(yīng)用就是機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，它可以高效精確地進(jìn)行有約束優(yōu)化問題、無約束優(yōu)化問題、凸規(guī)劃問題、線性規(guī)劃問題以及求極值問題的求解計(jì)算，從而解決多種機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，如平面連桿機(jī)構(gòu)、齒輪減速器和機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。以上只是介紹了MATLAB眾多應(yīng)用領(lǐng)域的冰山一角，其性能之高由此可見一斑，如果可以熟練、正確地掌握MATLAB應(yīng)用方法，那么我們不僅可以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果，而且可以節(jié)省大量的計(jì)算和繪圖時(shí)間，從而投入更多的精力去思考更多理論性的問題，而不是在這種體力勞動(dòng)性質(zhì)的繁瑣工作上浪費(fèi)時(shí)間。

在我國，關(guān)于MATLAB與機(jī)械工程領(lǐng)域的結(jié)合的研究還比較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美歐日等科技強(qiáng)國，對其在高校的教育不夠重視是眾多原因之一。要成為一名優(yōu)秀的機(jī)械工程學(xué)科的學(xué)生，不熟練掌握幾種建模、仿真、數(shù)學(xué)計(jì)算軟件是不可想象的。而問題恰恰出在這里，拿MATLAB來說，國內(nèi)高校開設(shè)MATLAB教學(xué)課程的機(jī)械工程專業(yè)較少，即使開設(shè)，也很少有機(jī)械工程院系把它當(dāng)做必選課，這直接導(dǎo)致很少有學(xué)生掌握甚至是了解這個(gè)優(yōu)秀科學(xué)計(jì)算軟件。近年來MATLAB在機(jī)械工程學(xué)科的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯，以致其重要程度可以和AutoCAD、SolidWorks相提并論，尤其在機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械儀表和自動(dòng)控制方向更是如此，因此筆者認(rèn)為機(jī)械工程院系應(yīng)該給MATLAB的教學(xué)以更大程度上的重視，加大對它的教育力度，這樣才能為學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)，才能使學(xué)生保持強(qiáng)大的競爭力。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫靖民，梁迎春. 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì). 哈爾濱工業(yè)大學(xué)

[2] 梁叔子. 機(jī)械工程控制技術(shù)基礎(chǔ). 華中科技大學(xué)

[3] 蘇中義. MATLAB簡介. 上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003

[4] 薛建勛. 應(yīng)用型本科“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程的教學(xué)探索，2012