吉大版材料力學課程設計77 曲柄軸的強度設計疲勞強度校核及剛度計算

1、材料力學課程設計設計計算說明書設計題目：曲柄軸的強度設計、疲勞強度校核及剛度計算 題號：7.7 數(shù)據(jù)號：3 學號： 姓名： 指導教師： 目錄1、 設計目的····································22、 設計任

2、務和要求······························22.1、設計計算說明書的要求·················

3、;·····················22.2、分析討論及說明書部分的要求··························

4、;······32.3、程序計算部分的要求········································33、 設計題目&

5、#183;···································43.1、畫出曲軸的內力圖············

6、······························53.2、設計主軸頸D和曲軸頸直徑d·················

7、················83.3、校核曲柄臂的強度································

8、;··········83.4、校核主軸頸的疲勞強度····································· 1

9、13.5、用能量法計算A端面的轉角 ，························· 114、 分析討論及說明···················

10、3;··········165、 參考文獻····································166、 設計體會

11、3;···································167、 附錄：計算機程序及結果············

12、··········17一、設計目的本課程設計的目的是在于系統(tǒng)學完材料力學之后，能結合工程中的實際問題，運用材料力學的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使學生將材料力學的理論和現(xiàn)代計算方法及手段融為一體。既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；既把以前所學的知識（高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機和材料力學等）綜合運用，又為后繼課程（機械設計、專業(yè)課等）打下基礎，并初步掌

13、握工程中的設計思想和設計方法，對實際工作能力有所提高。具體的有以下六項：1、使學生的材料力學知識系統(tǒng)化、完整化；2、在系統(tǒng)全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程中的實際問題；3、由于選題力求結合專業(yè)實際，因而課程設計可以把材料力學知識和專業(yè)需要結合起來；4、綜合運用了以前所學的個門課程的知識（高數(shù)、制圖、理力、算法語言、計算機等等）使相關學科的知識有機地聯(lián)系起來；5、初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法；6、為后繼課程的教學打下基礎。二、材料力學課程設計的任務和要求要求參加設計者，要系統(tǒng)地復習材料力學的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷、設計題目的已知條件和所求問題。畫出受力分析計

14、算簡圖和內力圖，列出理論依據(jù)和導出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機給出計算結果，并完成設計計算說明書。1、設計計算說明書的要求 設計計算說明書是該題目設計思想、設計方法和設計結果的說明。要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達完整。具體內容應包括：（1）設計題目的已知條件、所求及零件圖；（2）畫出構件的受力分析計算簡圖，按比例標明尺寸，載荷及支座等；（3）靜不定結構要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應的全部求解過程；（4）畫出全部內力圖，并標明可能的各危險截面；（5）危險截面上各種應力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點處的應力狀態(tài)圖；（6）各危險點的主應力大小及主平面位置；（7）選擇強度

15、理論并建立強度條件；（8）列出全部計算過程的理論根據(jù)、公式推導過程以及必要的說明；（9）對變形及剛度分析要寫明所用的能量法計算過程及必要的內力圖和單位力圖；（10）疲勞強度計算部分要說明循環(huán)特征，的計算，所查各系數(shù)的依據(jù)，并繪出構件的持久極限曲線，疲勞強度校核過程及結果。2、分析討論及說明部分的要求（1）分析計算結果是否合理，并分析其原因，改進措施；（2）提出改進設計的初步方案及設想；（3）提高強度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。3、程序計算部分的要求（1）程序框圖；（2）計算機程序（含必要的語言說明及標識符說明）；（3）打印結果（結果數(shù)據(jù)要填寫到設計計算說明書上）。4、材料力學課程設計的一般過程

16、材料力學課程設計與工程中一般設計過程相似。從分析設計方案開始到進行必要的計算和對結構的合理性進行分析，最后的結論，希望同學們計劃好時間，避免前松后緊甚至不能按時完成設計任務。材料力學課程設計可大致分為以下幾個階段：（1）設計準備階段認真閱讀材料力學課程設計指導書。明確設計要求、結合設計題目復習材料力學的有關理論知識，制定設計的步驟、方法和時間分配等；（2）外力及變形分析入手，分析計算內力、應力及變形、繪制各種內力圖及位移、轉角曲線；（3）建立強度、剛度條件并進行相應的設計計算必要的公式推導；（4）編制計算機程序并調通程序；（5）上機計算機并打印出結果；（6）整理數(shù)據(jù)結果并書寫設計計算說明書；（

17、7）分析討論設計和計算的合理性、優(yōu)缺點及改進意見和措施；（8）課程設計總結、準備答辯。三、設計題目設計數(shù)據(jù)：（表7-12中第3組數(shù)據(jù)）F/kNW/kN/mm/mm/mme/mm(°)157.3400200110120121 畫出曲柄軸的內力圖（1） 外力分析： = = 1 = 0 解得： 2 解得： （2）內力分析 1 主軸頸FB段左端11截面為危險截面，受扭轉和兩向彎曲 2 曲柄頸CD段中間22截面為危險截面，受扭轉和兩向彎曲 3 曲柄臂以DF段的下端33截面為危險截面，受扭轉、兩向彎曲及拉伸 2. 按強度條件設計主軸頸D和曲柄軸頸的直徑d 因主軸頸處于兩向彎曲與扭轉的組合變形，可

18、用第三強度理論計算 解得： 取同理，曲柄頸的曲度計算也可以用第三強度理論 解得： 取 3. 曲柄臂的強度計算 曲柄臂的危險截面為矩形截面，且受扭轉、兩向彎曲及軸力作用（不計剪力） 曲柄臂33截面的應力分布圖如下根據(jù)應力分布圖，可以判斷出可能的危險點有對點進行應力分析由于處于單向拉伸，所以為正應力的代數(shù)疊加即 所以安全對進行應力分析由于點有扭轉切應力 查表得： 點的正應力為軸力和繞z軸的彎矩共同引起，即 由于點處于二向應力狀態(tài)，故選擇第三強度理論計算 所以點安全對點進行應力分析 所以點安全4. 校核主軸頸的疲勞強度 有零件圖可知，鍵槽處有扭轉切應力，無彎曲正應力。 由于機器時開時停，可以視作脈動

19、循環(huán)變化。 由于切應力是脈動循環(huán)，因此用以下公式進行疲勞強度校核： 其中 查表得： 主軸頸的疲勞強度符合要求5. 用能量法計算A端界面的轉角（1） 求在截面A加以單位力偶矩，并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖 點彎矩為 點彎矩為 由圖乘法： 查表得： 桿件的抗彎剛度為 桿件的剛扭剛度為 由公式 （2） 求在截面A加一單位力偶矩，并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖 點彎矩為 點彎矩為 由公式 4、 分析討論及說明對本次設計，有以下幾點說明：1、在畫內力圖時，不計彎曲切應力，故未畫剪力圖。2、在強度計算方面，由于材料是球墨鑄鐵，其物理性質與剛相近，用第三強度理論而不用第一或第二強度理論公式。3、在校核曲柄

20、臂時，畫內力分布時，把曲柄臂的危險截面看成矩形，忽略了圓孔對其的影響。改進措施： 根據(jù)疲勞破壞的分析，裂紋源通常是在有應力集中的部位產生，而且構件持久極限的降低，很大程度是由于各種影響因素帶來的應力集中影響。因此設法避免或減弱應力集中，可以有效提高構件的疲勞強度?？梢詮囊韵聨讉€方面來提高構件的疲勞強度：1、 一般來說，構件表層的應力都很大，例如在承受彎曲和扭轉的構件中，其最大應力均發(fā)生在構件的表層。同時由于加工的原因，構件表層的刀痕或損傷處，又將引起應力集中。因此，對疲勞強度要求高的構件，應采用精加工方法，以獲得較高的表面質量。2、 增加表層強度：常用的方法有表面熱處理和表面機械強化兩種方法。

21、可采用高頻淬火等熱處理，滲碳、氮化等化學處理和機械方法強化表層，以提高疲勞強度。5、 參考文獻1、材料力學 聶毓琴、孟廣偉主編，機械工業(yè)出版社，2004.2。2、材料力學實驗與課程設計 聶毓琴、吳宏主編，機械工業(yè)出版社，2006.8。3、C程序設計 第三版 譚浩強主編，清華大學出版社，2005.7。6、 設計體會假期過后，面對材料力學的課程設計，有一瞬間的茫然。雖然題目都是自己熟悉的、曾是期末考試重點的問題，但是細細想來，設計過程中確有一些內容是課堂上一帶而過，有些是課堂上不曾提及而要求自己閱讀，有些甚至是書本上并未介紹過的。我重新閱讀了和自己設計題目有關的書中內容，力求不放過一句話以保證設計

22、過程不出現(xiàn)理論錯誤。而對于書本上未曾提及的內容，通過網(wǎng)絡也可快速找出。在設計過程中，我深深體會到理論學習與實踐之間的巨大差距，僅僅掌握課本中的理論和方法是遠遠不夠的。應付考試所學的知識是不夠完成這樣的設計的。這次的課程設計讓我深知理論與實際相結合的重要性。同時，我學會了自己查找相關數(shù)據(jù)，了解了工程中一般設計的過程。此次課程設計讓我受益匪淺，盡管設計中還有很多缺陷不足，但從中獲得了大量的寶貴經驗，為日后學習打下基礎。七、附錄：程序：#include<stdio.h>#include<math.h>#define Pi 3.1415926#define n 2#define

23、 i 120e6#define E 150e9int main() /主函數(shù)int angle,d,D;double temps,tempc,Fy,Fz,Mx,e,l,l1,l2,l3,l4,F,FAy,FAz,FBy,FBz,W,Mcz,Mfz,Mhz,Mcy,Mfy,Mhy,Mdx,Mfx,Mx1,My1,Mz1,Mx2,My2,Mz2,DD,g,f,dd,h,b,A,s1,s2,s3,t2,t3,a,sr2,sr3,r,s11,s22,s33,t22,t33,sr22,sr33,tmax,tmin,R,tm,ta,nt,T,Kt,Et,B,pt;printf("請輸入F,alf

24、a,W,L1,L2,L3,en");printf("F單位為KN，F(xiàn)=");scanf("%lf",&F);printf("W單位為KN,W=");scanf("%lf",&W);printf("L1單位為m,L1=");scanf("%lf",&l1);printf("L2單位為m,L2=");scanf("%lf",&l2); /輸入數(shù)據(jù)printf("L3單位為m,L3=&quo

25、t;);scanf("%lf",&l3);printf("e單位為m,e=");scanf("%lf",&e);printf("alfa單位為度，alfa=");scanf("%d",&angle);temps=sin(12*Pi/180); tempc=cos(12*Pi/180);Fy=F*temps; /求兩個方向分力Fz=F*tempc;Mx=Fz*e;printf("Fy=%lfnFz=%lfnMx=%lfn",Fy,Fz,Mx);FBz=F

26、z*l1/(l1+l2);FBy=(W*(l1+l2+l3)-Fy*l1)/(l1+l2);FAz=l2*Fz/(l1+l2); /求各點支座反力FAy=(Fy*l2+W*l3)/(l1+l2);printf("支座反力(單位KN):nFAy=%lfnFAz=%lfnFBy=%lfnFBz=%lfn",FAy,FAz,FBy,FBz); l=1.5*e;l4=0.5*l;Mcz=FAy*(l1-l/2);Mfz=W*(l2+l3-l/2)-FBy*(l2-l/2);Mhz=FAy*l1;Mcy=FAz*(l1-l/2);Mfy=FBz*(l2-l/2);Mhy=FAz*l1

27、;Mdx=FAz*e;Mfx=Fz*e;printf("力矩(單位KN/m):nMcz=%fnMfz=%fnMhz=%fnMcy=%fnMfy=%fnMhy=%fnMdx=%fnMfx=%fn",Mcz,Mfz,Mhz,Mcy,Mfy,Mhy,Mdx,Mfx); /輸出各點在各個方向的力矩f=sqrt(Mfx*Mfx+Mfy*Mfy+Mfz*Mfz);g=32*f/(Pi*i);DD=pow(g,1.0/3.0); /根據(jù)第三強度理論，計算D的最小值f=sqrt(Mdx*Mdx+Mhy*Mhy+Mhz*Mhz);g=32*f/(Pi*i);dd=pow(g,1.0/3.0)

28、; /根據(jù)第三強度理論，計算d的最小值printf("D=%.5lfm,d=%.5lfmn",10*DD,10*dd);D=(int)(1000*DD);d=(int)(1000*dd);if(d%2=0) d=d+2; /d取整取偶else d=d+1;if(D%2=0) D=D+2;else D=D+1; /D取整取偶printf("故D取%dmm,d取%dmm n",10*D,10*d);a=0.231;r=0.858;h=1.2*(double)D/1000;b=2*h/3;A=h*b;s1=FAy/A+FAz*e*6/(h*h*b)+FAy*6*(l1-l4)/(b*b*h); /校核左曲軸臂D1點強度 printf("sr1=%.2lfPa,",s1);s2=FAy/A+FAy*(l1-l4)*6/(b*b*h); t2=FAz*(l1-l4)/(a*