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米等于1公斤力作用于物体上使物体移动1米的距离。
Forexample,ifaworktaskinvolvesliftinga300-kilogrammachinetwoandone-halfmetersintoatruck,then750meter-kilogramsofworkisrequired.例如,一项工作需要提升一台300公斤重的设备到两米半高的卡车上,那么就需要750公斤·
米的功。
Sincenohumanscanlift300kilogramsdirectly,adevicemustbeemployedtomodifytherequiredeffortintosomethingmanageable.由于没有一个人能直接举升300公斤重,因此必须使用一种装置去调节所需要的可以控制的作用力。
Onecommondeviceisaninclinedplane-inthiscase,aloadingrampthatslopesfromthegroundtothetruck,Iftherampwere10meterslongandfrictionforceswerenegligiblysmall,then75kilogramsofforcewouldberequiredtorollthemachineuptheramp.常见的装置是一个斜面――在这个例子中,一个倾斜在地面和卡车之间承载斜板,如果斜板有10米长,摩擦办忽略,那么就需要75公斤的力将机器滚上斜板。
Thetotalworkisstill750meter-kilograms(10metresmultipliedby75kilograms),buttheefforthasbeenmodifiedsothatthemaximumforcerequiredisonly75kilograms.总功仍然是750公斤·
米(用75公斤乘以10米),但作用力已 经被改变,于是乎其所需要的最大外力仅仅是75公斤。
Adevicethatdecreasesthenecessaryappliedforcewhileincreasingthedistanceoverwhilethesmallerforceactsiscalledaforcemultiplier.使所需的作用力减少,同时这个较小的作用力使所通过的距离增加,这样的装置被称为力放大器。
Machinescanalsomultiplyspeedanddistance.Abroomisanexampleofaspeedanddistancemultiplierbecauseitconvertsinputforceanddistanceatthesweepingendiscoveredinthesametimeastheinputdistance,thenthespeedisalsoincreased.机器装置也可以放大速度和距离。
扫帚就是一个速度和距离放大的器的例子。
因为它把在手柄上输入的力和距离在扫帚的尾部转变成较小的力和较长的距离。
由于与输入距离的同样时间里扫帚的尾部走过较大的距离,因此其速度也就增加了。
Inadditiontomodifyingforcesanddistances,machinescanalsochangethedirectionofmotion.机器装置除了放大力和距离之外,也能改变运动的方向。
Efficiencyandmechanicaladvantageareusedtogaugetheperformanceofmechanicalmachines.效率和机械效益是用来测定机械装置性能的。
Efficiencyisdefiedastheusefulmechanicaloutputwork,expressedasapercentageoftheinputwork.效率定义为输出的相对有用的机械功,它以占输入功的百分比来表示。
Efficiencyisalwayslessthen100percentbecauseoffrictionbetweenmovingparts.效率总是要比100%小,因为运动零件之间有摩擦损失。
Ifsomeoneactuallywheeledthemachineoftheinitialexampleuptheramp,themightdiscoverthatitrequire84kilogram.像刚才所举的那部机器的例子那样,如果某些人把该机器滚上斜板,他们可能发现那需要花84公斤的力。
Thenine-kilogramsdifferenceistheforcerequiretoovercometheresistanceofthewheelsandbearings.这9公斤的差额就是需要去克服滚子和轴承阻力的力。
Undertheseconditionsthemachinewouldhaveanefficiencyof89percent.在这种情况下该机器装置具有89%的效率。
Iftheyslidtherefrigeratoruptherampwithoutwheels,therequiredforcecouldbe215kilogramsormore,whichcorrespondstoanefficiencyoflessthan35percent.如果他们在没有滚子情况下,把冷冻机滑移上斜板所需的力可能是215公斤或更大,那么效率就小于35%。
Idealmechanicaladvantageneglectsfrictionandisequaltothedistancetheinputforcetravelsdividedbytheusefuldistancetheloadtravels.理想机械效益是忽略摩擦损失并等于输入力移动的距离除以负载移动的有效距离。
Forforce-multiplyingmachines,theinputdistanceisgreaterthantheloaddistanceandtheidealmechanicaladvantageisgreaterthan1.作为力的放大装置,输入的距离要比负载的距离大,而理想的机械效益是比1要大的。
Intheloadingrampexample,theidealmechanicaladvantageis4,sincetheinputdistanceis10meters(thelengthoftheramp)andtheusefulloaddistanceistwoandone-halfmeters(theverticaldistancetheloadtravels).在承载斜板的例子中,该理想的机械效益是4,因为该输入距离是10米(斜板长度),而有效负载距离是2.5米(该负载移动的垂直距离)。
Aninclinedplanisalwaysaforcemultiplyingmachine.斜面就是一个力放大装置。
Forspeed-multiplyingmachinestheinputdistanceislessthantheloaddistanceandtheidealmechanicaladvantageislessthan1.作为速度放大装置,输入距离是比负载距离小的,而理想机械效益亦比1要小。
Machinesthatsimplychangethedirectionofmotionhaveanidealmechanicaladvantageequalto1.简易改变运动方向的机械装置具一个等于1的理想机械效益。
Theactualmechanicaladvantageincludesfrictionandisequaltotheactualoutputforcedividedbytheactualinputforce.其实际机械效益包括了摩擦损失并等于实际输出力除以实际输入力。
Theactualmechanicaladvantageintheloadingrampexampleisabout3.6withwheelsandabout1.4withoutwheels.在承载斜板例子中的实际机械效益在有滚子的条件下,大约是3.6,无滚子的条件下,大约是1.4。
Lesson3OptimizationforFiniteElementApplication
第3课 有限元优化的应用
Asengineersworkwithincreasinglycomplexstructures,theyneedrational,reliable,fast,andeconomicaldesigntools.在结构日益复杂的情况下,当工程师们工作时,他们需要合理的、可靠的、快速而经济的设计工具。
Overthepasttwodecades,finiteelementassociatedwiththesecomplicateddesigns.过去二十年里,有限元分析法已经成为判别和解决涉及这些复杂设计课题时的最常用的方法。
Becausemostofthedesigntasksinengineeringarequantifiable,computershaverevolutionizedthehighlyiterativedesignprocess,particularlytheproceduresforquicklyfindingalternativedesigns.因为工程中大多数设计任务都是可定量的,所以实践上,为了快速找到一些可供选择的设计方案,计算机令繁琐的重复设计过程发生了深刻的变革。
Butevennow,manyengineersstillfollowamanualtrial-and-errorapproach.但是,即使是现在,许多工程师仍然使用人工试凑法。
Suchanapproachmakesdesigning-eventorseeminglysimpletasksmoredifficultbecauseitusuallytakeslonger,requiresextensivehuman-machineinteraction,andtendstobebiasedbythedesigngroup'sexperience.这样一种方法使得即使是很简单的设计任务也变得困难,因为通常它要花更长的时间,需要广泛的人-机交互配合,且偏于用设计组的以验来设计。
Designoptimization,whichisbasedonarationalmathematicalapproachtomodifyingdesignstoocomplexfortheengineertomodify,automatesthedesigncycle.优化设计是以理论数学的方法为基础,改进那些对工程师来说过于复杂的设计,使其设计过程自动化。
Ifautomatedoptimizationcanbedoneonadesktopplatform,itcansavealotoftimeandmoney.如果在一部台式计算机平台上能实现自动优化设计,那就可以节省大量的时间和金钱。
Thegoalofoptimizationistominimizeormaximizeanobjective,suchasweightorfundamentalfrequencythatissubjecttoconstraintsonresponseanddesignparameters.优化设计的目的就是要将对象极大化或极小化,例如,重量或基频,主要受频响和设计参数方向的约束。
Thesizeand/orshapeofthedesigndeterminetheoptimizationapproach.尺寸和(或)结构形状决定着优化设计的方法。
Lookingatoptimizationaspartofthedesignprocessmakesiteasiertounderstand.观察一下作为零件优化设计的过程,使它变得更容易理解。
Thefirststepincludespreprocessing,analysis,andpostprocessing,justasincustomaryfiniteelementanalysis(FEA)andcomputer-aidedesign(CAD)programapplications(thedifferentinCADliesinbuildingtheproblem’sgeometryintermsofthedesignparameters).第一步,包括预处理分析和后处理分析,正像惯常使用的有限元分析(FEA)和计算机辅助设计(CAD)设计应用。
(CAD的特点在于根据设计参数建立课题的几何图形)。
Inthesecondstep,theoptimizationobjectiveandresponseconstraintsaredefined.Andinthelaststep,therepetitivetaskofthedesignadjustmentisautomated.第二步,定义优化目标和响应约束。
而最后一步,反复自动调节设计作业。
Optimizationprogramsshouldallowengineerstomonitortheprogressofthedesign,stopitifnecessary,changethedesignconditions,andrestart.优化设计程序将允许工程师们监督该设计的步骤和程度,必要时停止设计,改变设计条件和重新开始。
Thepowerofanoptimizationprogramdependsontheavailablepreprocessingandanalysiscapabilities.一项优化设计程序的功力取决于有效的预处理和分析能力。
Applicationsfor2-Dand3-Dneedbothautomaticandparametricmeshingcapabilities.二维和三维设计的应用既需要自动进行也需要设计参数的结网性能。
Errorestimateandadaptivecontrolmustbeincludedbecausetheproblem’sgeometryandmethmightchangeduringoptimizationloops.因为在优化循环的过程中,课题的几何条件和网格会改变,所以优化程序必须包括误差估计和自适应控制。
Revising,remising,andreevaluatingmodelstoachievespecificdesigngoalsstartwithpreliminarydesigndatainput.修改、重配网格和重新估算模式以期获得特定的设计目标的实现是以输入初始设计数据开始的。
Nextcomesthespecificationofacceptabletolerancesandposedconstrainstoachieveanoptimum,oratleastimprove,solution.接着,是规定合适的公差并形成约束条件以获得最优结果,或最后改进设计,解决问题。
Tooptimizeproductsrangingfromsimpleskeletalstructurestocomplicatedthree-dimensionalsolidmodels,designersneedaccesstoawidevarietyofdesignobjectivesandbehaviorconstraints.为了使产品从简单轮廓图形到三维实体模型系统化、系列化,设计者必须广泛接触设计目标和特性约束条件。
Additionalcapabilitieswillalsobeneededforeasydefinitionanduseofthefollowing:
weights,volumes,displacements,stresses,strains,frequencies,bucklingsafetyfactors,temperatures,temperaturegradients,andheatfluxesasconstraintsandobjectivefunctions.为了利于确定而利用下列参数作为约束和目标函数的附加特性条件,也将是需要的:
重量、体积、位移、应力、应变、频率、翘曲安全系数、温度、温度梯度和热通量。
Moreover,engineersshouldbeabletocombineconstraintsfromdifferenttypesofanalysisinmultidisciplinaryoptimization.此外、工程师们应该能够通过多学科的不同类型的优化分析使多种约束条件结合起来。
Forexample,designerscanperformthermalanalysisandtransfertemperaturesasthermalloadsforstressanalysis,putconstraintsovermaximumtemperature,maximumstress,anddeflection,andthenspecifyarangeforthedesiredfundamentalfrequency.例如设计者为了应力分析,可以进行热力分析和加热以改变温度,也可以改变多种约束条件,诸如最高温度、最大应力和变形联系在一起进行研究,然后规定一个最基本的频率范围。
Theobjectivefunctioncanrepresentthewholemodeloronlypartsofit.Evenmoreimportant,itshouldreflecttheimportanceofthedifferentportionsofthemodelbyspecifyingweightorcostfactors.目标函数代表着整体模式或部分模式。
甚至更重要的是通过说明重量或者成本因素,就应该能反映该模式的各个部分的重要性。
Lesson5MetallicandNonmetallicMaterials
第5课 金属和非金属材料
Perhapsthemostcommonclassificationthatisencounteredinmaterialsselectioniswhetherthematerialismetallicornonmetallic.在材料选择时所遇到的最普通的分类问题,大概是这种是金属材料还是非金属材料。
Thecommonmetallicmaterialsaresuchmetalsasiron,copper,aluminum,magnesium,nickel,titanium,tin,andzincandthealloysofthesemetals,suchassteel,brass,andbronze.最普通的金属材料是铁、铜、铝、镁、钛、铅、锡和锌以及这些材料的合金,例如:
钢、黄铜和青铜。
Theypossesthemetallicpropertiesofluster,thermalconductivity,andelectricalconductivity;
arerelativelyductile;
andsomehavegoodmagneticproperties.它们具有金属特性:
光泽、热传导性和电传导性,有相应的延展性,而某些金属材料还具有良好的磁性。
Thecommonnonmetalsarewood,brick,concrete,glass,rubber,andplastics.较普通的非金属材料有木头、砖、水泥、玻璃、橡胶和塑料。
Theirpropertiesvarywidely,buttheygenerallytendtobelessductile,weaker,andlessdensethanthemetals,andtheyhavenoelectricalconductivityandpoorthermalconductivity.它们性能变化很大,但它们通常几乎没有延展性,脆弱,比金属疏松,而且它们不具有导电性,具有较差的导热性。
Althoughitisli
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