第3章 设计资料的程序处理.ppt

第3章设计资料的程序处理 计算机辅助机械设计就是把机械设计过程中能用计算机完成的工作 尽量交给计算机去完成 从而最大限度地使工程设计人员从繁杂的事务性工作中解脱出来 使他们有充足的时间和精力去从事创造性的设计工作 随着计算机硬件和软件的发展 越来越多的设计工作可以由计算机来完成 在工程设计中 设计人员经常需要从手册中查取所需数据 工程设计手册表格中的数据 根据他们彼此之间有无函数关系可以分为两类 一类是有函数关系的 例如三角函数表和对数表等 另一类则是没有函数关系的 例如齿轮模数系列等 对于有函数关系和无函数关系的数据在计算机中的处理一般是不一样的 有明显函数关系 且函数关系可以用显式表达出来的 一般采用直接在程序中引用该公式的方法来处理 这种方法简单 在这里我们就不介绍了 我们主要讲一讲没有函数关系或虽然有函数关系 但难以从理论上得到其函数关系 而只能通过实验方式得到他们数值间的关系以表格列出的数据表格在程序中的处理方法 3 1机械设计中一元数表的处理如果我们所要处理的数据只和一个变量有关 则称这类数表为一元数表 在机械设计过程中常常会遇到从这类数表中查取数据 下面我们看看一元数表的处理 一 一元数表的输入和查取当我们把一元数表中的数据存入计算机中时 首先要考虑检索时是否方便 应当使数据的存入便于计算机自动检索 一般的做法是将数据按一定规则排列 然后再存入数组中 查取时采用顺序或其他搜索方法 选择出我们所需要的数据 由于原始表格形式不同 它们可能是一维数组 二维数组或三维数组等 1 齿轮模数系列的输入和查取国标GB1357 78中规定了渐开线齿轮模数系列 设计中计算出模数值之后 再从标准模数系列中选取等于或大于计算值的标准模数 假设程序适用的模数范围为2毫米至10毫米 为了方便查取可采用数组形式 并从小到大排列 现存入一维数组ZM 共15个数组元素 用数据初值语句 DATA语句 给数组赋值 形式如下 DIMENSIONZM 15 DATAZM 2 0 2 25 2 5 2 75 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 7 0 8 0 9 0 10 0 如果强度计算后所得模数值ZMC 3 8 显然应选取4 则流程图如下 为了保证查取的正确性 应先检查计算值ZMC是否在程序工作的范围内 不在则给出信息 在范围内再进行查取工作 在上例中 我们是把计算出的模数与标准模数相比 并选取成标准值 但有时我们却不能这样做 例如三角胶带传动中影响传动能力的包角系数K 与小带轮包角的的关系如表所示 由于包角系数K 与小带轮包角的的关系是通过实验测定得出的 当包角 95 时 如果我们取K 0 68或者K 0 73 则会有较大的误差 这时我们就要用到一元函数的插值了 二 一元函数的插值设有一函数其对应关系如图所示 为使用方便 用表格形式给出 见下表 由于表格只能给出节点x1 x2 xn处的函数值y1 y2 y3 yn 因此把原先连续的函数关系 变成了离散的对应关系 当自变量为节点的中间值时 就要用插值法来求取其函数值 插值法的基本方法就是在插值点附近选取几个适合的节点 利用这些节点构造一个函数g x 使g x 经过选取的点 在此小段上用g x 代替原有的函数 中间点的函数值就用g x 的值来代替 因此插值的实质问题 是如何构造一个既简单又具有足够精度的函数g x 有多种插值方法 我们看一看线性插值和抛物线插值 1 线性插值线性插值就是构造一个线性函数g x 代替原先的函数f x 其原理如图所示 其步骤如下 1 从表格中选取两个邻近的自变量xa及xb 并满足下列条件xa xi xb 2 用过A B点的直线g x 代替原有函数f x 则yi为 这样的取代存在一定的误差 误差值与原函数f x 有关 但当表格中的自变量值间隔很小时 线性插值的精度是完全可以满足使用要求 用线性函数g x 代替f x 时未考虑f x 的曲率半径及方向 为了减少误差可以采用抛物线插值 2 抛物线插值抛物线插值的原理就是在f x 上取三点 过此三点作一条抛物线g x 来代替f x 这样一般可以获得比线性插值精度高的结果 过三点 x1 y1 x2 y2 x3 y3 作抛物线方程 在一个用表格表示的函数f xi yi i 1 2 n中如何选取合适的三个点是关键所在 其步骤如下 设已知插值点xd 求yd a 从已知函数表格中选取两点xi及xi 1 它们满足下列条件xi xd xi 1b 比较 xd xi 和 xi 1 xd 的值 取其值小者作为取点延伸方向 从表格中选取第三点 c 把xd带入方程求出yd 3 2机械设计中二元数表的处理在机械设计中我们经常遇到的另一种数表与曲线是二元列表函数 例如在三角胶带传动设计中的长度系数kl 它和三角胶带的截面型号和胶带内周长度这两个变量有关 又例如 渐开线齿轮的齿形系数YF 它取决于齿数Z和变位系数X 由于他们取决于两个自变量的值 是两个变量的函数 所以我们称之为二元数表 或二元线图 下面就介绍二元数表在计算机中常用的存取方法 一 二元数表函数的存取方法我们以三角胶带传动设计中长度系数Kl为例 说明二元列表函数的存取方法 为了把这类数表输入计算机中 首先我们要将资料名称 胶带截面型号与内周长度 置换成序号 如我们对内周长度加注序号I 1 32 对胶带截面型号加注序号J 1 7 这样以来 胶带长度系数Kl的二元数表就可以用一个二维数组来存储于计算机中 当我们需要查询A型截面 内周长为560mm的胶带其长度系数Kl时 只要对I J赋值 计算机就可查得Kl 0 80 二 二元列表函数的插值法我们在上面所讲的三角胶带长度系数Kl的二元数表中 胶带截面和内周长度均为标准值 这样在查取系数Kl时 就无需进行插值计算 但在机械设计资料中有不少二元列表函数需要用插值法来检索数据 对于一元函数的插值 它的几何意义就是对二维空间某一段中的几个指定点 构造一条曲线g x 用g x 近似表示原先离散点表示的f x 这样在这一小段内的任一点的函数值 便可以近似地用g x 的函数值来代替 对于具有两个自变量的二元函数来说 它的插值的几何意义就是在三维空间中 通过几个选定的点来构造一个曲面g x y 用g x y 来近似表示在这一区间内原有曲面f x y 对于二元函数来说 它的插值方法有许多种 其中常用的有1 直线 直线插值2 抛物线 直线插值3 抛物线 抛物线插值 线图的数表化处理 即表格化处理1 即将曲线离散化取点 获取坐标值 形成数据表格2 单根曲线 用一维表格 一组曲线则用二维表格3 曲线均匀变化 则均匀离散取值 否则非均匀离散取值4 复杂曲线 分段处理5 生成表格后按前述方法进行表格计算机处理 线图的公式化处理 3 3数据文件的建立和应用前面我们介绍了机械设计中表格及线图的存取方法 数据是采用数组或变量赋值的形式直接存放在计算机的内存中 但由于在进行计算机辅助设计作业时 有时会用到大量数表 如果都采用上述方法 就会占用许多内存 以至于无法运行程序 解决这一问题有效的办法就是建立数据文件 将数据与应用程序分开 实现内外存之间的交换 所谓文件是指一些信息的集合 建立数据文件除了节省内存之外 还有一个功能 就是作为各种高级语言之间交换信息的手段 使用FORTRAN语言建立数据文件时 主要用到以下两个语句 1 open语句语句功能 打开内 外存之间的交换通道 格式 open u file test dat status new form formatted 2 close语句语句功能 关闭通道号 即把数据文件及其中的数据清除出内存 格式 close u status keepordelete 一 数据文件的建立 二 数据文件的应用 特别需要指出的是 数据文件的建立和应用 其命令格式随计算机不同而不同 有时差别较大 必要时应查阅有关计算机的操作使用说明书 3 4人机交互式程序的编制技术当我们在编制机械设计程序时 为了方便推广使用 对所编制的应用软件 主要有以下几点基本要求 1 人机交互方式输入设计原始数据首先我们先来解释一下什么是人机对话方式 人机交互方式 所谓人机对话格式 人机交互方式 就是指使用者 用户 和计算机是对话的双方 在操作过程中充分利用计算机的屏幕显示及键盘操作 由计算机和用户交互作用 计算机不断地按照使用者的指示进行信息加工 同时又反馈给用户以新的提示 或显示当时的工作进程或指出错误 引导用户了解下一步该做的工作 采用人机交互方式输入设计原始数据就是完成一项设计任务所需的原始数据 都采用屏幕显示的提问方式 逐个向用户索取 在现实的提问中应有简洁的说明 如要求输入数据的名称 符号 单位 数据类型 整型 实型 字符 等 2 屏幕上及时显示出必要的参考数据及表格在设计过程中 可以由计算机自动处理的表格及线图可以安排使计算机自动处理 不宜由计算机自动查取的数据 这时应将供用户选取参数或系数时参考的表格或数据范围 及时在屏幕上显示出来供用户参考 这样用户在使用应用软件进行设计计算时就不必再从设计手册中去寻找参考资料 3 软件在运行过程中应能对用户做出必要的提示比如 如果在计算机设计计算时 构件强度不能满足要求 这时不仅将设计结果输出给用户 还能对用户做出建议 在屏幕上显示出应如何改变设计参数 或应采取什么措施等 4 输出设计结果要便于用户阅读应用软件设计计算的结果 应采用便于阅读的格式输出 对每项输出内容均有文字说明 如术语 名称 符号 单位等 便于用户及时了解设计结果 下面我们以三角胶带设计软件为例 来说明一下人机交互式程序的编制方法 例 三角胶带设计软件的应用已知 设计的三角胶带传动用在螺旋输送机上 原动机为三项交流异步电动机 传递功率3kw 主动带轮转速n1 1430r min 从动带轮的转速n2 466 84r min 两班制工作 应用人机交互三角胶带软件的设计过程如下 显示 welcomeusetheprogramdesignorchecktrianglebelt 显示 givemethedataP0 Kw inputpower 键入 3 0显示 N1 R P M speedofthedrivepulley 键入 1430 0显示 N2 R P M speedofthedrivepulley 键入 466 84显示 KS factorofworkingcondition select KS fromtable 显示 modelnumberofthetrianglebelt Modelnumber 键入 A显示 D1 mm diameterofdrivepully select D1 fromthetable键入 112 0 从上述运行过程可以看出 有三处对用户给了提示 选择工作状况系数ks时 选择小带轮直径D1时 初步确定中心距A0时 另外该软件还有个特点就是当设计