材力课程设计--HZ140TR2后置旅游车底盘车架的静力学分析及强度刚度计算.doc

材料力学课程设计 材料力学课程设计HZ140TR2后置旅游车底盘车架的静力学分析及强度、刚度计算 学院： 专业： 姓名： 学号： 目录一、 材料力学课程设计的目的1二、 材料力学课程设计的任务和要求1、设计计算说明书的要求12、分析讨论及说明部分的要求13、程序计算部分的要求2三、 设计题目2、求支座反力3、 画出车架的内力图5、画出各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线64、求出车架上特殊点的挠度，其中最大的就是车架最大挠度所在截面。75、按等截面梁重新设定截面尺寸16四、 程序计算171、计算机编程图框172.语言程序173、Mathematics程序18五、 设计体会19参考文献19一、 材料力学课程设计的目的本课程设计的目的是在于系统学习完材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立的计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决实际问题的目的。同时，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体。既从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力，既是为以前所学知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合应用，又为后继课程（零件、专业课等）打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。具体的有以下六项：1.使学生的材料力学知识系统化完整化；2.在全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程中的实际问题；3.由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可以把材料力学知识与专业需要结合起来；4.综合运用以前所学习的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等），使相关学科的只是有机的联系起来；5.初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法；6.为后续课程的教学打下基础。二、 材料力学课程设计的任务和要求参加设计者要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知条件和所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并导出计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果并完成了设计说明书。、设计计算说明书的要求设计计算说明书是该题目设计思想、设计方法和设计结果的说明，要求书写工整，语言简洁，条理清晰、明确，表达完整。具体内容应包括：1设计题目的已知条件、所求及零件图。2画出构件的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。3. 静不定结构要画出所选择的基本静定系统及与之相应的全部求解过程。4. 画出全部内力图，并表面可能的各危险截面。5. 各危险截面上各种应力的分布规律图及由此判定各危险点处的应力状态图。6. 各危险点的主应力大小及主平面的位置。7. 选择强度理论并建立强度条件。8. 列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程及必要的说明。9. 对变形及刚度分析要写明所用的能量法计算过程及必要的内力图和单位力图。10. 疲劳强度计算部分要说明循环特征，max，min，r，m，a的计算，所查各系数的，,，依据，疲劳强度校核过程及结果，并绘出构件的持久曲线。2、分析讨论及说明部分的要求1. 分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。2. 提出改进设计的初步方案及设想。3. 提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。3、程序计算部分的要求1. 程序框图。2. 计算机程序（含必要的说明语言及标识符说明）。3. 打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。三、 设计题目HZ140TR2后置旅游车底盘车架简化后如下图所示。满载时受重力FA作用，后部受重力FB作用，乘客区均布载荷为q（含部分车身重），梁为变截面梁。计算过程中忽略圆角影响，并把梁抽象为等厚闭口薄壁矩形截面的阶梯梁。材料的弹性模量E，许用应力及有关数据有表7-1给出。其他数据选取设计计算数据第一组中的Fb=4400,q=15200N/m表7-1 固定数据 1.1 1.6 3.1 1.6 2.1 0.1 0.06 0.12t /mE/GPa/MPa/N0.08 0.11 0.07 0.005210 160 26801.计算前簧固定端C处，前簧滑板D处、后簧固定端F处、后簧滑板G处的支反力。2.画出车架的内力图。3.画出各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线。4.用能量法求出车架最大挠度的值及所发生的截面，画出车架挠曲线的大致形状。5.若壁厚t不变，取h/b=1.5，按等截面梁重新设计车架截面尺寸。、求支座反力FbFa解：由题得，此连续梁为三次静不定结构，但由于水平方向外力为0，所以此机构可认为是二次静不定结构。这样此结构梁就满足多跨梁及三弯矩方程的条件。左边第一支座为固定绞支座其余均为可动绞支座。图简化后的HZ140TR2后置旅游车底盘车架的力学模型图经过简化的连续梁模型中，标出由于梁的内力解除需要维持与原来系统相当的变形而产生的力矩M1、M2.，其中中间支座之间的力矩M1、M2为多余约束。把F1和F2分别移到支座C和支座G处，则:M0=-2948，M3=-9240取静定基的每个跨度皆为简支梁。这些简支梁在原来的外载荷作用下的弯矩图如下图所示。为了计算时便于利用三弯矩方程进行计算，设CD段为L1=l2=1.6m;DF段为L2=l3=3.1；FG段为L3=l4=1.6。图3 弯矩图由此计算得: 由上图可知，各个部分形心位置：由三弯矩方程：对跨度写出三弯矩方程为： 对跨度写出三弯矩方程为： 且L1=L3由方程和联立解得：M1=-10320.60，M2=-8722.63求的M1和M2后，相当系统的各部分受力如图: 图4 各部分的受力图根据简单的解简单的简支梁的方法，列出竖直方向的受力平衡方程和一个支点处的力矩平衡方程结果可以得到固定端C处，前簧滑板D处，后簧固定端F处、后簧滑板G处的支反力。Nc=10232.12,Nd=40843.35,Nf=34881.17,Ng=16883.36、 画出车架的内力图简化系统中的各部分都可以看成静定梁，而且载荷和端截面上的弯矩都是已知的。对每一跨度都可以求出支反力和弯矩图，这些剪力图和弯矩图与原超静定系统的对应部分的剪力图和弯矩图相同，所以这些剪力图和弯矩图连起来就是连续梁的剪力图和弯矩图。先写出各段的受力，代入数据，从而得到剪力方程组：fx_:=-2680fx_:=7552.12-15200*(x-1.1)fx_:=48395.47-15200*(x-1.1)fx_:=83276.64-15200*(x-1.1)fx_:=4400根据建立方程书写MATLAB程序，使用MATLAB画出剪力图，结果如下图： 图5 剪力图根据各段的剪力方程利用积分写出弯矩方程，再利用mathematics画出弯矩图，结果如下：fx_:=-2680xfx_:=-7600(x-1.1)*(x-1.1)+7552.12x-10232.12*1.1fx_:=-7600(x-1.1)*(x-1.1)+48395.47x-121532.377fx_:=-7600(x-1.1)*(x-1.1)+83276.64x-323843.163fx_:=4400x-41800使用mathematics精确画出弯矩图的形状，主要是可以观察弯矩图的形状，以此对车架模型的受力情况做出正确的判断。 图6 弯矩图图6 弯矩图为了使读图方便，使用列表方式把关键的支点剪力发生突变的位置和弯矩的最值点和弯矩的拐点列表写出。关键点上的剪力和弯矩大小列表：点/m01.11.59692.74.2839剪力/N-26807552.12024075.470弯矩/ Nm0-2948-1071.86-10320.618746.11点/m5.86.57877.49.5剪力/N11836.640-12483.364100弯矩/ Nm-8722.65-4113.90-9240.030、画出各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线根据公式： 可以求出各段的惯性矩的值：Lz1=1.9625*10-6m3 Lz2=3.775833*10-6m3Lz3=2.764167*10-6m3 根据上一题的弯矩方程和公式求出各段的最大弯曲正应力方程，有MATLAB画出弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线。 图7 最大正应力图特殊点位置m01.1-1.1+1.59692.74.2839应力值N/m207.514.711.7116.4913.97特殊点位置m5.86.57877.4-7.4+9.5应力值N/m213.936.5714.7618.390特殊点最大正应力值列表：4、求出车架上特殊点的挠度，其中最大的就是车架最大挠度所在截面。为了便于计算，作出每一个载荷作用下的弯矩图，然后利用图乘法和叠加原理求其总和。根据上图，作出每个载荷单独作用时的弯矩图：Fa单独作用时Fb单独作用时Nc单独作用时Ng单独作用CD部分均布载荷单独作用时DF段均布载荷单独作用时FG段单独作用时（1） 求A点挠度在A端加单位力，弯矩图如上图所示。由图乘法可知：Fa单独作用下A点挠度：Fb单独作用下A点挠度：Nc单独作用下A点挠度：Ng单独作用下A点挠度：CD部分均布载荷单独作用时A点挠度：DF段均布载荷单独作用时A点挠度：FG段均布载荷单独作用时A点挠度：综上得：fA=4.06（2）求CD中点E挠度，在E处加单位力1。Fa单独作用下CD中点挠度：Fb单独作用下CD中点挠度：Nc单独作用下CD中点挠度：Ng单独作用下CD中点挠度CD部分均布载荷单独作用时CD中点挠度：, 为便于计算，将CD部分一分为二，分别画出其弯矩图。然后图乘。DF段均布载荷单独作用时CD中点挠度：FG段均布载荷单独作用时CD中点挠度：综上得：fe=-16.51（3）求DF中点O挠度，在O处加单位力1。Fa单独作用下DF中点挠度：Fb单独作用下DF中点挠度：Nc单独作用下DF中点挠度：Ng单独作用下DF中点挠度CD部分均布载荷单独作用时DF中点挠度：DF段均布载荷单独作用时DF中点挠度：FG段均布载荷单独作用时DF中点挠度：综上得：Fo=8.66（4）求FG中点K挠度，在K处加单位力1。Fb单独作用下DF中点挠度：Fa单独作用下DF中点挠度：Nc单独作用下DF中点挠度：Ng单独作用下DF中点挠度CD部分均布载荷单独作用时DF中点挠度：DF段均布载荷单独作用时DF中点挠度：FG段均布载荷单独作用时DF中点挠度综上得：Fk=-28.25（5）求B端挠度，在B处加单位力1。Fa单独作用下B点挠度：Fb单独作用下B点挠度：Nc单独作用下B点挠度：Ng单独作用下B点挠度CD部分均布载荷单独作用时B点挠度：DF段均布载荷单独作用时B点挠度FG段均布载荷单独作用时B点挠度：综上得：fB=49.73由以上计算，可以得到车架在B端得挠度最大fB=49.73车架挠曲线如下图所示，单位mm.5、按等截面梁重新设定截面尺寸重新设计截面梁的截面尺寸时的主要判断依据是判断截面上的最大弯曲正应力是否小于许用应力。根据弯矩图可以判断最大弯矩发生的截面即危险截面，从而得到最大弯矩值，想要改变最大正应力的大小，就需要根据重新设计截面的尺寸。解：根据弯曲正应力的强度条件由弯矩图可知，该车架的最大弯矩即D点处的弯矩Mmax=10.5507kN*m，重新设计的截面系数为由弯曲正应力强度校核条件可得：由mathematics求出结果（b0）：b=0.32m所以若壁厚不变，取h/b=1.5，按等截面梁重新设计重新设计车架尺寸为：h=0.48,b=0.32四、 程序计算1、计算机编程图框2.语言程序#include#define PA 2680void main()double l0=1.1,l1=1.6,l2=3.1,l3=1.6,l4=2.1;double A1=l1/2,A2=l2/2,B2=l2/2,B3=l3/2;double M0,M1,M2,M3,w1,w2,w3,H,G;double NC,ND,NF,ND1,ND2,NF1,NF2,NG,PB,q;double lz1,lz2,lz3;double b1=0.06,h1=0.1,b2=0.08,h2=0.12,b3=0.07,h3=0.11,t=0.005;int n;lz1=(b1*h1*h1*h1-(b1-2*t)*(h1-2*t)*(h1-2*t)*(h1-2*t)/12;lz2=(b2*h2*h2*h2-(b2-2*t)*(h2-2*t)*(h2-2*t)*(h2-2*t)/12;lz3=(b3*h3*h3*h3-(b3-2*t)*(h3-2*t)*(h3-2*t)*(h3-2*t)/12;printf(姓名：李杨 学号:45110518 学院：生物学院n);printf(lz1=%enlz2=%enlz3=%en,lz1,lz2,lz3);for(n=1;n=10;n+)printf(Enter q,PB:n);scanf(%lf,%lf,&q,&PB);printf(q=%e,PB=%en,q,PB);w1=q*l1*l1*l1/12;w2=q*l2*l2*l2/12;w3=q*l3*l3*l3/12;M0=-PA*l0;M3=-PB*l4;H=-6*(w2*A2/l2+w3*B3/l3)-M3*l3;G=-6*(w1*A1/l1+w2*B2/l2)-M0*l1;M1=(H*l2-G*2*(l1+l2)/(l2*l2-4*(l1+l2)*(l1+l2);M2=(H-M1*l2)/(2*(l1+l2);ND1=-(-M0-q*l1*l1/2+M1)/l1;NC=PA+q*l1-ND1;NF1=-(-M3-q*l3*l3/2+M2)/l3;NG=PB+q*l3-NF1;ND2=-(-q*l2*l2/2+M1-M2)/l2;NF2=q*l2-ND2;ND=ND1+ND2;NF=NF1+NF2;printf(The result is:n);printf(M1=%enM2=%en,M1,M2);printf(NC=%enND=%enNF=%enNG=%en,NC,ND,NF,NG);C语言运行结果：3、Mathematics程序、图5 剪力图的mathematics程序：fx_:=-2680/;0x1.1;fx_:=7552.12-15200*(x-1.1)/;1.1x2.7;fx_:=48395.47-15200*(x-1.1)/;2.7x5.8;fx_:=83276.64-15200*(x-1.1)/;5.8x7.4;fx_:=4400/;7.4x9.5;fx_:=0/;x=9.5;Plotfx,x,0,10、图六 弯矩图的mathematics程序： fx_:=-2680x/;0x1.1;fx_:=-7600(x-1.1)*(x-1.1)+7552.12x-10232.12*1.1/;1.1x2.7;fx_:=-7600(x-1.1)*(x-1.1)+48395.47x-121532.377/;2.7x5.8;fx_:=-7600(x-1.1)*(x-1.1)+83276.64x-323843.163/;5.8x7.4;fx_:=4400x-41800/;7.4x9.5;fx_:=0/;x=9.5;Plotfx,x,0,10、图7 最大正应力图的mathematics程序： fx_:=(-2680x)*0.05/(1.9625*10-6)/;0x1.1;fx_:=(-7600(x-1.1)*(x-1.1)+7552.12x-10232.12*1.1)*0.06/(3.775833*10-6)