浅谈MATALB在机械工程领域的应用

崔渊博 郭佳民 李楷

摘 要：近年来，计算机软件技术的飞速发展极大地推动了机械工程学科的发展，使得这门历史悠久的学科焕发出新的光辉。多种类型的软件的普及着实方便了机械工程领域人员的科研工作，不仅使他们从繁重的计算、尺规作图中解放出来，而且提高了计算结果的准确性和作图的速度、质量。MATLAB作为一款优秀的商业数学软件，在机械工程领域的应用非常广泛，理应成为机械工程专业学生的得力助手。

关键词：MATLAB；机械工程

近年来，计算机软件技术的飞速发展极大地推动了机械工程学科的发展，使得这门历史悠久的学科焕发出新的光辉。多种类型优秀软件的开发、普及着实方便了机械工程领域人员的科研工作，不仅使他们从繁重的计算、尺规作图中解放出来，而且提高了计算结果的准确性和作图的质量。甚至有些数据处理工作没有计算机软件的参与是很难完成的，即使人们能完成这些工作，也要花费大量的时间和精力，比如机械设计中的优化问题，它可以借助计算机软件准确而快速地得到最优值。大量计算机绘图软件的出现也在制图领域掀起了一场革命性的风暴，人们可以不借助画板和图纸，直接在计算机里作图，不仅方便快捷，而且精度有了很大的提高，在这些基础上，很多大型企业实现了机械零件制造无纸化，而是直接由计算机三维零件模型制造出要加工的零件，比如美国飞机制造商波音公司就要求下游零件供应商只能提供零件的三维模型，而不是纸质工程图纸。

MATLAB诞生的初衷就是为了使科技工作者从繁重的数值计算中解放出来。MATLAB是matrix和laboratory两个词前三个字母的组合，意为矩阵工厂（也可称作矩阵实验室），是由美国mathworks公司推出的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、算法开发、矩阵计算、数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的、交互式的视窗环境中，为科学研究、工程计算、自动控制设计、信号处理与通讯、信号检测工程设计、流体力学、机械设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。

MATLAB作为一款优秀的商业数学软件，在机械工程领域的应用非常广泛，并且随着人们对二者应用开发的深入探索，它与机械工程学科的结合有更加紧密的趋势。它可以用来编写用于计算复杂系统的MATLAB程序，比如齿轮、凸轮以及机床传动系统的设计计算程序，并且这些用MATLAB语言编写的程序可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码，同时MATLAB极其强大的可移植性、可拓展性允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。它内嵌的Simulinks模块可以用来进行机构的仿真计算，这部分的功能和MSC. ADAMS等其它机构仿真软件相似，但是MATLAB具有后者无法相比的强大数据计算、处理能力，可以进行更加复杂的数据分析计算。MATLAB在机械控制技术领域的应用也非常广泛，它的控制系统工具箱为系统的建模、分析和计算提供了比较完整的设计方案，可以方便地用其自带的函数对线性连续系统的时间响应进行仿真计算，继而求出系统的传递函数、频域特征和时域特征等瞬态性能指标，还可以精确地绘制系统的Nyquist图、Bode图，也可以精确地绘制出传递函数、激励函数以及响应函数的函数图像。MATLAB在机械工程领域的另一个重要应用就是机械优化设计，它可以高效精确地进行有约束优化问题、无约束优化问题、凸规划问题、线性规划问题以及求极值问题的求解计算，从而解决多种机械优化设计问题，如平面连杆机构、齿轮减速器和机床传动系统等的优化设计问题。以上只是介绍了MATLAB众多应用领域的冰山一角，其性能之高由此可见一斑，如果可以熟练、正确地掌握MATLAB应用方法，那么我们不仅可以得到更为准确的结果，而且可以节省大量的计算和绘图时间，从而投入更多的精力去思考更多理论性的问题，而不是在这种体力劳动性质的繁琐工作上浪费时间。

在我国，关于MATLAB与机械工程领域的结合的研究还比较少，远远落后于美欧日等科技强国，对其在高校的教育不够重视是众多原因之一。要成为一名优秀的机械工程学科的学生，不熟练掌握几种建模、仿真、数学计算软件是不可想象的。而问题恰恰出在这里，拿MATLAB来说，国内高校开设MATLAB教学课程的机械工程专业较少，即使开设，也很少有机械工程院系把它当做必选课，这直接导致很少有学生掌握甚至是了解这个优秀科学计算软件。近年来MATLAB在机械工程学科的应用价值日益凸显，以致其重要程度可以和AutoCAD、SolidWorks相提并论，尤其在机械设计、机械仪表和自动控制方向更是如此，因此笔者认为机械工程院系应该给MATLAB的教学以更大程度上的重视，加大对它的教育力度，这样才能为学生的进一步学习奠定良好的基础，才能使学生保持强大的竞争力。

参考文献

[1] 孙靖民，梁迎春. 机械优化设计. 哈尔滨工业大学

[2] 梁叔子. 机械工程控制技术基础. 华中科技大学

[3] 苏中义. MATLAB简介. 上海电机学院学报，2003

[4] 薛建勋. 应用型本科“机械工程控制基础”课程的教学探索，2012