材料力学课程设计.doc

目录一、 关于材料力学课程设计 2二、 设计题目 2三、 设计内容 33.1 柴油机曲轴的受力分析 33.2 设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D 63.3 设计h和b,校核曲柄臂强度 63. 4 校核主轴颈HH截面处的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2。键槽为端铣加工，主轴颈表面为车削加工 63.5 用能量法计算AA截面的转角， 73.6对计算过程的几点必要说明 93.7 改进方案 10四、 计算机程序设计 104.1程序框图 104.2计算机程序114.3输出结果12五、 设计体会12六、 参考书目12一、 关于材料力学课程设计1.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，独立地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工程实际问题之目的。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；既把以前所学的知识(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)综合运用，又为后继课程(机械设计、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)在系统全面复习的基础上.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和专业需要结合起来;(4)综合运用了以前所学的多门课程的知识(高数、制图、理力、算法语言、计算机等等)使相关学科的知识有机地联系起来;(5)初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法;(6)为后继课程的教学打下基础2.材料力学课程设计的任务和要求参加设计者要系统地复习材料力学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.列出理论依据和导出计算公式.独立编制计算程序.通过计算机给出计算结果.并完成设计计算说明书.3.材料力学课程设计的一般过程材料力学课程设计与工程中的一般设计过程相似.从分析设计方案开始到进行必要的计算并对结构的合理性进行分析.最后得出结论.材料力学设计过程可大致分为以下几个阶段:(1)设计准备阶段:认真阅读材料力学课程设计指导书.明确设计要求.结合设计题目复习材料力学课程设计的有关理论知识.制定设计步骤、方法以及时间分配方案等;(2)从外力变形分析入手,分析及算内力、应力及变形,绘制各种内力图及位移、转角曲线;(3)建立强度和刚度条件.并进行相应的设计计算及必要的公式推导;(4)编制计算机程序并调试;(5)上机计算,记录计算结果;(6)整理数据,按照要求制作出设计计算说明书;(7)分析讨论设计及计算的合理性和优缺点,以及相应的改进意见和措施;二、设计题目 某柴油机曲轴可以简化为下图所示的结构，材料为球墨铸铁（QT4505），弹性常数为E、，许用应力,G处输入转矩为，曲轴颈中点受切向力、径向力的作用，且。曲柄臂简化为矩形截面，1.41.6，2.54，=1.2r，有关数据如下表：相关数据/m/mE/GPa0.110.181500.27120180P/kWn/(r/min)r/m0.050.7815.03000.06注：P、n、r为独立的一组设计计算数据，与他人不相同。三、设计内容3.1 柴油机曲轴的受力分析（1）外力分析：画出曲轴的计算简图，计算外力偶矩计算切向力、径向力 再由平衡条件计算反力：在xOy平面：，在xOz平面：，（2）内力分析:画出内力图。不计弯曲切应力（故未画剪力图），弯矩图画在纤维受压侧。根据内力图确定危险截面。图图图图 主轴颈以EF段的左端（11）截面最危险，受扭转和两向弯曲 曲柄臂以DE段的下端（22）截面最危险，收扭转、两向弯曲及压缩 曲轴颈以CD段中间（33）截面最危险，受扭转和两向弯曲 3.2设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D（1）曲轴颈CD处于扭转和两向弯曲的组合变形，对危险截面（33）应用第三强度理论计算其中代入数据得d38.57mm实际取d=40mm（2）主轴颈EF处于扭转和两向弯曲的组合变形，对危险截面（11）应用第三强度理论计算其中代入数据得D38.67mm实际取D=40mm综上，曲轴颈直径d=40mm，主轴颈直径D=40mm3.3 设计h和b当h和b在题设范围内变化，求解曲柄臂危险截面满足强度条件且截面面积hb最小时的h和b，即为h和b的最佳值。具体求解可通过C程序得到，计算机程序见5.2通过程序可得最佳h=56.01mm b=22.22mm 查教材P70表31得=0.258 =0.249 =0.7673.4校核主轴颈HH截面处的疲劳强度曲轴材料为球墨铸铁（QT4505），即端铣加工键槽车削加工表面，查教材P369图1310b)和P370表133可得，已知，HH处只受扭转作用（忽略键槽对抗扭系数的影响） 即扭转切应力为脉动循环。所以HH截面处的疲劳强度足够。3.5用能量法计算AA截面处的转角和运用图乘法求解和。（1）求：在截面AA处施加单位力偶。弯矩图和单位力矩作用下的弯矩图如下 (2)求：在截面AA处施加单位力偶。做弯矩图和单位力矩图以及轴力图和如下：和图图和图 3.6对计算过程的几点必要说明（1）所有图线都是由软件制作，数学公式经Mathtype6.9编辑而成。（2）在画内力图时，由于不计弯曲切应力，故未画剪力图。（3）在设计D、d和h、b时，由于材料是球墨铸铁（QT4505），其金属性与钢接近，塑性好，强度较高，且处于复杂应力状态，故采用第三强度理论校核。（4）在设计h、b的实际尺寸时，是通过程序在题设范围1.41.6，2.54之间变化取值进行强度校核，直到得出使截面积最小的最佳结果。（5）在校核HH处的疲劳强度时，忽略了键槽对扭转切应力的影响。因此 值不变，。（6）发动机曲轴应力属于脉动循环振动应力，柴油机工作良好的情况下，可认为曲轴受到不变的转动力矩，校核强度时，设曲轴工作在脉动循环下。3.7 改进方案(1)合理安排施加在曲轴上的载荷，在机械结构允许的情况下，将集中载荷适当分散，或者让集中力尽量靠近支座；改善结构形式，合理设计和布置支座并尽量缩小曲轴的跨度；选择和里的截面形状以及材料，这些都可以提高曲轴的弯曲刚度。(2)减少应力集中，在设计时尽量避免出现带尖角的孔、槽等结构，而应采用圆角过渡。尤其是曲柄臂与主轴颈和曲轴颈的连接处容易发生破坏，所以应当用曲率半径较大的圆角。(3)增大构件的表层强度，以提高构建疲劳强度。这可以从两个方面实现：一是提高加工质量，以降低表面粗糙度，并避免工艺缺陷(夹渣、气孔、裂缝等)引起的严重应力集中；二是对曲轴应力集中的部位如键槽处进行表面热处理或化学处理，如采取表面高频淬火、渗碳、滚压、喷丸等工艺，是构件表层产生残余压应力，减少表面出现裂纹的机会。四、计算程序4.1 程序框图4.2 计算机程序#include#include#define S 1000#define Y 120#define D 40void main() float Mx,My,Mz,F; float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3; float h,b,h1,b1; float a,r;/a为，r为/ float s,m=1.6*40*0.4*1.6*40;/给定面积初值/ printf(请输入:Mx,My,Mz,F:n); scanf(%f,%f,%f,%f,&Mx,&My,&Mz,&F); for(h=1.4*D;h=1.6*D;h=h+0.01) for(b=0.25*h;b=2.5&h/b=3&h/b=4) a=0.222+0.015*h/b;/为程序计算需要，此式由教材表3-1由插值法推出,计算矩形长边最大切应力相关系数/r=0.777-0.008*h/b;/为程序计算需要，此式由教材表3-1由插值法推出，计算矩形短边最大切应力相关系数/ Z1=F/(b*h)+6*S*Mz/(b*b*h)+6*S*Mx/(b*h*h);/计算最大正应力/ Z2=F/(b*h)+6*S*Mz/(b*b*h);/计算z轴方向弯曲正应力/ Z3=F/(b*h)+6*S*Mx/(b*b*h);/计算x轴方向弯曲正应力/Q2=S*My/(b*b*h*a);/计算矩形长边中点切应力，即矩形长边最大切应力/ Q3=r*Q2;/计算矩形短边中点切应力，即矩形长边最大切应力/ Y2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2);/由第三强度理论计算z轴方向最大应力/ Y3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);/由第三强度理论计算x轴方向最大应力/if(Z1=Y&(Y2-Y)/1200.05&(Y3-Y)/Y0.05)/校核最大正应力和最大应力是否小于许用应力/ s=h*b; if(sm) m=s; h1=h; b1=b; printf(结果为:h=%5.2fmmnb=%5.2fmmnm=%7.2fmm*mmn,h=h1,b=b1,m);4.3 输出结果五、设计体会在满足强度、刚度和稳定性的要求下，以最经济的代价，为构件确定合理的形状和尺寸，选择适宜的材料，为构件设计提供必