材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書

1、材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書設(shè)計(jì)題目：曲柄軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度校核及剛度計(jì)算 數(shù)據(jù)號(hào)：7.7-6學(xué)號(hào)： 姓名： 指導(dǎo)教師：目錄一、設(shè)計(jì)目的3二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求32.1、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的要求32.2、分析討論及說明書部分的要求42.3、程序計(jì)算部分的要求4三、設(shè)計(jì)題目43.1、數(shù)據(jù)1）畫出曲柄軸的內(nèi)力圖52）設(shè)計(jì)主軸頸D和曲柄頸直徑d83）校核曲柄臂的強(qiáng)度94）校核主軸頸飛輪處的疲勞強(qiáng)度 155）用能量法計(jì)算A端截面的轉(zhuǎn)角 ， 16四、分析討論及必要說明20五、設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施及方法20六、設(shè)計(jì)體會(huì)21七、參考文獻(xiàn)21附錄一.流程圖24二.C語言程序25三 計(jì)算輸出結(jié)果28一、設(shè)計(jì)目的 本課程設(shè)計(jì)

2、是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實(shí)際中的問題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計(jì)算方法，獨(dú)立地計(jì)算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合利用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的目的。同時(shí)，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)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)代計(jì)算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對(duì)以前所學(xué)知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)和材料力學(xué)等）的綜合運(yùn)用，又為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，使實(shí)際工作能力有所提高。具體有一下六項(xiàng)：(1).使所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化、完整化。(2).在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際

3、中的問題。(3).由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，因而課程設(shè)計(jì)可把材料力學(xué)與專業(yè)需要結(jié)合起來。(4).綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門課程的知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來。(5).初步了解和掌握工程實(shí)際中的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。(6).為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求參加設(shè)計(jì)者要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨(dú)立分析、判斷設(shè)計(jì)題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計(jì)算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并到處計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算機(jī)程序，通過計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的要求設(shè)計(jì)計(jì)算說明書是該題目設(shè)計(jì)思路

4、、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：1) 設(shè)計(jì)題目的已知條件、所求及零件圖。2) 畫出結(jié)構(gòu)的受力分析計(jì)算簡圖，按比例標(biāo)明尺寸、載荷及支座等。3) 靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應(yīng)的全部求和過程。4) 畫出全部內(nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險(xiǎn)截面。5) 危險(xiǎn)截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)圖。6) 選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。7) 列出全部計(jì)算過程的理論依據(jù)、公式推導(dǎo)過程以及必要的說明。8) 對(duì)變形及剛度分析要寫明所用的能量法計(jì)算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖。9) 疲勞強(qiáng)度計(jì)算部分要說明循環(huán)特性， ， ，r

5、 ， ， 的計(jì)算，所查，各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強(qiáng)度校核過程及結(jié)果。2.2、分析討論及說明部分的要求1) 分析計(jì)算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。2) 提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的初步方案及設(shè)想。3) 提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。2.3、程序計(jì)算部分的要求1) 計(jì)算機(jī)程序。2) 打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計(jì)計(jì)算說明書上）。三、設(shè)計(jì)題目某曲柄軸材料為球墨鑄鐵（QT40010），=120MPa，曲柄臂抽象為矩形（圖7-12），h=1.2D,b/h=2/3(左、右臂尺寸相同)，l=1.5e,=0.5l,有關(guān)數(shù)據(jù)查下表：要求：F/kNW/kN/mme/mm156.240025012012012（一）畫出曲

6、柄軸的內(nèi)力圖。（二）按強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)主軸頸D和曲軸頸的直徑d。（三）校核曲柄臂的強(qiáng)度。 （四）安裝飛輪處為鍵槽，校核主軸頸的疲勞強(qiáng)度，取疲勞安全系數(shù)n=2。鍵槽為端銑加工，軸頸表面為車削加工，=160MPa，=0.05，=0.76。（五）用能量法計(jì)算A端截面的轉(zhuǎn)角 y , z 。圖7-12（一）、畫出曲軸的內(nèi)力圖（1） . 外力分析畫出曲軸的計(jì)算簡圖（上圖），計(jì)算F分力和扭矩Mx。Fy=F*sinFz=F*cosMx=Fz*e由平衡條件計(jì)算反力9029.06N -5425.43N5643.16N2344.11N（2） 內(nèi)力分析內(nèi)力圖如下，不計(jì)彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫在纖維受壓側(cè)，根據(jù)內(nèi)力圖確定危截面

7、。(單位：力-N 力矩Nm)1）主軸頸c端面為危險(xiǎn)截面，受到兩項(xiàng)彎矩和扭轉(zhuǎn)1768.12Nm867.93Nm1444.65Nm2）右曲柄臂下端面為危險(xiǎn)截面，受到兩項(xiàng)彎矩和扭轉(zhuǎn)和軸力 1768.12Nm 1444.65Nm 867.93Nm 774.57N左曲柄臂上端面為危險(xiǎn)截面，受到兩項(xiàng)彎矩，扭轉(zhuǎn)和軸力677.18Nm1749.38Nm726.67Nm2344.11N3） 曲軸頸中間截面D為危險(xiǎn)截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲677.18Nm2257.26Nm937.64Nm（2） 、設(shè)計(jì)曲軸頸直徑d和主軸頸D（1） 主軸頸的危險(xiǎn)截面為C截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲,可用第三強(qiáng)度理論計(jì)算： 0.0591m故D

8、取60mm。 （2）曲軸頸屬于彎扭組合變形，由第三強(qiáng)度理論可得： 0.0599m故d取60mm。（三）、校核曲柄臂的強(qiáng)度曲柄臂的危險(xiǎn)截面為矩形截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力的作用。為確定危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，畫出曲柄臂上截面應(yīng)力分布圖。左曲柄臂的強(qiáng)度計(jì)算根據(jù)應(yīng)力分布圖可判定出可能的危險(xiǎn)點(diǎn)為，。1） 對(duì)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。點(diǎn)處于單向拉伸和兩項(xiàng)彎曲的拉應(yīng)力，此時(shí)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為零=42612280Pa 2）對(duì)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。由于有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，查材料力學(xué)表3-1，得到，。 正應(yīng)力由軸力、繞Z軸的彎矩共同引起。 由于點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，故選用第三強(qiáng)度理論： 3）對(duì)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。同理可得：應(yīng)用第三強(qiáng)度理論： 故，綜上所

9、述3個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)都是安全的，所以左曲軸臂安全 右曲軸臂的強(qiáng)度計(jì)算 根據(jù)應(yīng)力分布圖可判定出可能的危險(xiǎn)點(diǎn)為，。1)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。點(diǎn)處于單向拉伸，所以正應(yīng)力2）對(duì)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。由于有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，查表3-1，得到，。 正應(yīng)力由軸力、繞Z軸的彎矩共同引起。由于點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，故選用第三強(qiáng)度理論： 2） 對(duì)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析。同理可得應(yīng)用第三強(qiáng)度理論： 故，綜上所述3個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)都是安全的，所以右曲軸臂安全 （四）、 校核主軸頸安裝飛輪的鍵槽處截面的疲勞強(qiáng)度查材料力學(xué)得有效應(yīng)力集中系數(shù)，表面質(zhì)量系數(shù)。已知，n=2。安裝飛輪的鍵槽處只受扭轉(zhuǎn)作用，并且由于曲軸的啟停，可以看做在啟動(dòng)之后正常工作時(shí)是看做為所受扭轉(zhuǎn)

10、帶來的切應(yīng)力是最大值，而停止時(shí)是最小的，可以看作為一種應(yīng)力循環(huán)。忽略鍵槽對(duì)抗扭截面系數(shù)的影響，飛輪處截面抗扭截面系數(shù)曲軸工作時(shí)，在不變扭矩作用下，曲軸不工作時(shí)， 故該循環(huán)為脈動(dòng)循環(huán)。20844817Pa20844818Pa 安全系數(shù)：所以，飛輪處截面的疲勞強(qiáng)度是足夠的。（五）、 用能量法計(jì)算A截面的轉(zhuǎn)角。采用圖乘法分別求解截面的轉(zhuǎn)角。、求：在截面A加一單位力偶矩，并求得支座反力如下圖所示。由平衡方程得：當(dāng)時(shí)，查表可得： 方向與單位力偶矩相同。、求：在截面A加一單位力偶矩，支座反力，彎矩圖和軸力圖如下圖所示。 方向與單位力偶矩相同。4、 分析討論及必要說明在本次設(shè)計(jì)中，做以下幾點(diǎn)說明：l 在外力

11、分析時(shí)，在設(shè)定未知力的時(shí)候，由于已知沒有X方向的外力，故未設(shè)。l 在畫內(nèi)力圖時(shí)，不計(jì)彎曲切應(yīng)力，故未畫剪力圖。l 在強(qiáng)度計(jì)算方面，由于材料是球墨鑄鐵（QT400-10），其物理性質(zhì)與剛相近，用第三強(qiáng)度理論而不用第一或第二強(qiáng)度理論公式。l 在校核曲柄臂時(shí)，畫內(nèi)力分布時(shí)，把曲柄臂的危險(xiǎn)截面看成矩形，l 在疲勞強(qiáng)度校核飛輪截面時(shí)，忽略鍵槽對(duì)的影響。五、設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施及方法1、提高曲軸的彎曲強(qiáng)度 合理安排曲軸的受力情況及設(shè)計(jì)合理的截面，但對(duì)于該曲軸只能采用合理安排曲軸的受力情況。在結(jié)構(gòu)允許的情況下，可采取合理設(shè)計(jì)和布置支座或?qū)⒓休d荷適當(dāng)分散。2、 提高曲軸的彎曲剛度 提高彎曲剛度的主要措施有：改善結(jié)

12、構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值、選擇合理的截面及合理選材等。對(duì)于該曲軸可以改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值并且合理選材，選擇合適的材料。3、 提高曲軸的疲勞強(qiáng)度1） 減緩應(yīng)力集中。為了消除和緩解應(yīng)力集中，再設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)方形直角或帶有尖角的孔和槽，即在主軸頸和曲柄臂相連處應(yīng)采用半徑較大的過度圓角2） 提高構(gòu)件表面強(qiáng)度等。提高曲軸表面的強(qiáng)度可通過兩方面實(shí)現(xiàn),一是從加工入手提高表面加工質(zhì)量。可采用精細(xì)加工，降低表面粗糙度，尤其對(duì)高強(qiáng)度鋼更重要；二是增加表層強(qiáng)度，對(duì)曲軸中應(yīng)力集中的部位如鍵槽處應(yīng)采取某些工藝措施，即表面熱處理或化學(xué)處理，如表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等。六、設(shè)計(jì)體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)讓我

13、深深地體會(huì)到了自身能力的不足，不光是在材力這門課上有很多不足之處，同時(shí)word、C語言等軟件及編程語言也很欠缺；不過能夠發(fā)現(xiàn)問題，也算是很幸運(yùn)了。通過本次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)財(cái)力知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了一定程度的復(fù)習(xí)與鞏固，同時(shí)加強(qiáng)了我的Word操作技能。不過C語言是在太弱。希望在之后的學(xué)習(xí)與生活中，能夠努力學(xué)習(xí)各科知識(shí)，同時(shí)努力提升自己更方面能力！七、參考文獻(xiàn)1、材料力學(xué)/聶毓琴，孟光偉主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社。2、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)/聶毓琴、吳宏主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社。3、C程序設(shè)計(jì)教程/張玉春，孫大元主編，北京：清華大學(xué)出版社。附錄一、流程圖：計(jì)算外力及支座反力確定危險(xiǎn)截面并輸出變量由第三強(qiáng)度

14、理論計(jì)算D，d計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)主應(yīng)力并輸出計(jì)算n，校核疲勞強(qiáng)度圖乘法計(jì)算轉(zhuǎn)角進(jìn)行強(qiáng)度校核并計(jì)算轉(zhuǎn)角定義已知量輸入原始數(shù)據(jù)曲柄臂安全曲柄臂不安全開始n2疲勞強(qiáng)度安全疲勞強(qiáng)度不安全輸出結(jié)果結(jié)束YNYN二、c語言程序#include#include#define Pi 3.1415926#define n 2#define i 120e6#define E 150e9int main() int angle,d,D;double temps,tempc,Fy,Fz,Mx,e,l,l1,l2,l3,l4,F,FAy,FAz,FBy,FBz,W,Mx1,My1,Mz1,Mx2,My2,Mz2,DD,g,f,d

15、d,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,Q1,Q11,Q12,Q13,Q14,Q15,Q16,EI1,EI2,EI3,Q2,Q21,Q22,Q23,Q24,Q25,GI1,B1,u,G;printf(enter the data:F,W,l1,l2,l3,e,anglen);scanf(%lf,%lf,%lf,%lf,%lf,%lf,%d,&F,&W,&l1,&l2,&l3,&e,&angle);temps=sin(angle*Pi/18

16、0);tempc=cos(angle*Pi/180);Fy=F*temps;Fz=F*tempc;Mx=Fz*e;printf(Fy=%lf,Fz=%lf,Mx=%lfn,Fy,Fz,Mx);FBz=Fz*l1/(l1+l2);FBy=(Fy*l1-W*(l1+l2+l3)/(l1+l2);FAz=l2*Fz/(l1+l2);FAy=(Fy*l2+W*l3)/(l1+l2);printf(FAy=%lf,FAz=%lf,FBy=%lf,FBz=%lfn,FAy,FAz,FBy,FBz);l=1.5*e;l4=0.5*l;Mx1=FAz*e+(Fz-FAz)*e;My1=FAz*(l1+l4)-

17、Fz*l4;Mz1=FAy*(l1+l4)-Fy*l4;f=sqrt(Mx1*Mx1+My1*My1+Mz1*Mz1);g=32*f/(Pi*i);DD=pow(g,1.0/3.0); My2=l1*FAz;Mx2=e*FAz;Mz2=FAy*l1;f=sqrt(Mx2*Mx2+My2*My2+Mz2*Mz2);g=32*f/(Pi*i);dd=pow(g,1.0/3.0);printf(D=%.4lfm,d=%.4lfmn,DD,dd);D=(int)(1000*DD);d=(int)(1000*dd);if(d%2=0) d=d+2;else d=d+1;if(D%2=0) D=D+2;e

18、lse D=D+1;printf(故D取%dmm,d取%dmm n,D,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);printf(s1=%.2lfPa,s1);s2=FAy/A+FAy*(l1-l4)*6/(b*b*h);t2=FAz*(l1-l4)/(a*h*b*b);sr2=sqrt(s2*s2+4*t2*t2);printf(sr2=%lfPa,sr2);t3=r*t2;s3=FAy/A+FAz*e*6/(h*h*b);sr3=sq

19、rt(s3*s3+4*t3*t3);printf(sr3=%lfPan,sr3);if(s1=i&sr2=i&sr3=i)printf(左曲軸臂安全n);s11=(W+FBy)/A+Mx1*6/(h*h*b)+(FAy*(l1+l4)-Fy*l4)*6/(h*b*b);printf(s11=%lfPa,s11);s22=(W+FBy)/A+(FAy*(l1+l4)-Fy*l4)*6/(h*b*b);t22=(FAz*(l1+l4)-Fz*l4)/(a*h*b*b);sr22=sqrt(s22*s22+4*t22*t22);printf(sr22=%lfPa,sr22);s33=(W+FBy)/

20、A+Mx1*6/(h*h*b);t33=r*t22;sr33=sqrt(s33*s33+4*t33*t33);printf(sr33=%lfPan,sr33);if(s11=i&sr22=i&sr33=n)printf(安全n);EI1=E*Pi*(double)D/1000)*(double)D/1000)*(double)D/1000)*(double)D/1000)/64;EI2=E*h*b*b*b/12;EI3=E*Pi*(double)d/1000)*(double)d/1000)*(double)d/1000)*(double)d/1000)/64;Q11=(l1-l4)*FAy*(l1-l4)/2*(l1+2*l4+3*l2)/(3*(l1+l2)/EI1;Q12=FAy*(l1-l4)*e*(l2+l4)/(l1+l2)/EI2;Q13=(FAy*l4*l4/2*(3*l2+l4)/(3*(l1+l2)+FAy*(l1-l4)*l4*(2*l2+l4)/(2*(l1+l2)+(Fy-FAy)*l4*l4/2*(3*l2-l4)/(3*(l1+l2)+(FAy*(l1+l4)-Fy*l4)*l4*(2*l2-l4)/(2*(l