材料力学课程设计曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算

1、材料力学课程设计设计计算说明书序号：160图号及数据号：7716设计题目：曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算学生学号：学生姓名：指导教师： 2011年10月12日目录一、材料力学课程设计的目的2二、材料力学课程设计的任务和要求2三、设计题目41、设计题目42、曲柄轴力学模型43、设计数据(表7-12中第16组数据)5四、设计内容41、曲柄轴内力图42、按强度条件设计主轴颈D和曲柄颈的直径d53、校核曲柄臂的强度74、校核主轴颈的疲劳强度95、用能量法计算A端截面转角,9五、改进措施10六、设计体会11七、参考文献11八、附件（编程与运算结果）11附录：力和支座反力求解11一、材料力学课程

2、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

3、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个门课程的知识（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。二、材料力学课程设计的任务和要求要求参加设计者，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。1、设计计算说明书

4、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，语言简练，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，并标明可能的各危险截面；（5）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应力状态图；（6）各危险点的主应力大小及主平面位置；（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根据、公式推导过程以及必要的说明；（9）对变形及刚度分析要写明所用的能量法计算过

5、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，的计算，所查各系数的依据，并绘出构件的持久极限曲线，疲劳强度校核过程及结果。2、分析讨论及说明部分的要求（1）分析计算结果是否合理，并分析其原因，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、材料力学课程设计中的体会和收获、希望、要求、建议等4、程序计算部分的要求（1）程序框图；（2）计算机程序（含必要的语言说明及标识符说明）；（3）打印结果（结果数据要填写到设计计算说明书上）。5、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一般设计过程相似。从分析设计方案开始到进行必要的计

6、算和对结构的合理性进行分析，最后的结论，希望同学们计划好时间，避免前松后紧甚至不能按时完成设计任务。材料力学课程设计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的有关理论知识，制定设计的步骤、方法和时间分配等；（2）外力及变形分析入手，分析计算内力、应力及变形、绘制各种内力图及位移、转角曲线；（3）建立强度、刚度条件并进行相应的设计计算必要的公式推导；（4）编制计算机程序并调通程序；（5）上机计算机并打印出结果；（6）整理数据结果并书写设计计算说明书；（7）分析讨论设计和计算的合理性、优缺点及改进意见和措施；（8）课程设计总结

7、、准备答辩。三、设计题目1、设计题目某曲柄轴材料为球墨铸铁（QT400-10）, 120MPa,曲柄臂抽象为矩形（如图），h=1.2D，b/h=2/3(左右臂尺寸相同)，l=1.5e, =1.5l, (1) 画出曲柄轴的内力图。(2)按强度条件设计主轴颈D和曲柄颈的直径d。(3)校核曲柄臂的强度。(4)安装飞轮处为键槽，校核主轴颈的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2.键槽为端铣加工，轴颈表面为车削加工，=160MPa, =0.05, =0.76.(5）用能量法计算A端截面转角, 2、设计数据(表7-12中第16组数据)F/kNW/kN/mm/mm/mme/mm()206.8360230130801

8、2四、设计内容1、曲柄轴的内力图由图可以看出，外力F作用于yoz平面，将外力F分解成沿y轴，z轴的力，并进行受力分析2、轴的弯矩图和扭矩图其中F=20kN,W=6.8 kN，L=120mm, L4 =60mm；Fy=Fsin=4158N，Fz=Fcos=19563N；FAy=3119N, FBy =5761N ；FAz =7626N, FBz =11937N；MX=1568Nm；首先计算xoy平面内的力和力矩MA=0, L1* Fy + (L1+ L2 )FBy -( L1+ L2 + L3 ) W =0； MB=0, - (L1+ L2 ) * FAy + (L1- L4 )Fy + L3

9、*W=0；F=0；Fy+FBy=FAy+W；解得FAy =3119N, FBy =5761N；计算XOZ平面内的力 F=0，Fz= FBz +FAz；解得：=7626N, =11937N；根据受力情况画出弯矩图和扭矩图：按强度条件设计主轴颈D和曲柄颈的直径d由弯矩图和扭矩图可以看出来，主轴颈的危险截面是D处，受扭转和两向弯曲。D截面处：曲柄轴中间截面处最危险， 受扭转和两向弯曲：因为主轴受到弯和扭，因此属于弯扭组合问题，可以采用第三强度理论进行计算： 解得同理，曲柄颈的强度计算，仍用第三强度理论 解得因此选取D为70mm,d为65mm.所以h=1.2D=84mm,b=56mm.3、曲柄臂的强度

10、计算曲柄臂的危险截面为矩形截面，受扭转、两向弯矩及轴力作用（不计剪力）。为确定危险点的位置，画出曲柄臂上截面的应力分布图。根据应力分布图，可以判定处可能的危险点有D1 、D2 、D3 三点。图一：图二：对D1 点进行应力分析。由于D1 处于单向压缩，所以为正应力的代数叠加。即 所以D1 安全。对D2 点进行应力分析。D2 点有扭转切应力，查表31得， D2 点的正应力为轴力和绕z轴的弯矩共同引起的，即由于D2 点处于二向应力状态，故选第三强度理论计算D3 点与D2 点相似，正应力为轴力和绕x轴的弯矩共同引起的，即代入，因为D3 点的切应力和正应力均比D2 点小，故曲柄臂满足强度条件。4、对主轴

11、颈进行疲劳校核安装飞轮处为键槽，校核主轴颈的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2.键槽为端铣加工，轴颈表面为车削加工，=160MPa, =0.05, =0.76.由零件图可知，键槽处有扭转切应力无弯曲正应力。由于机器时开时停，或正传或反转，所以（扭转）切应力时有时无，可以视为脉动循环变化。 ，；切应力是脉动循环，故用以下公式进行疲劳强度的校核：n=根据题意，查表得，, , 代入数据计算得安全5、用能量法计算转角在计算挠度的时候采用图形互乘法。Y,Z轴上的转角， ，= 五、改进措施 根据疲劳破坏的分析，裂纹源通常是在有应力集中的部位产生，而且构件持久极限的降低，很大程度是由于各种影响因素带来的应力集中

12、影响。因此设法避免或减弱应力集中，可以有效提高构件的疲劳强度。可以从以下几个方面来提高构件的疲劳强度：1、构件截面改变越激烈，应力集中系数就越大。因此工程上常采用改变构件外形尺寸的方法来减小应力集中。如采用较大的过渡圆角半径，使截面的改变尽量缓慢，如果圆角半径太大而影响装配时，可采用间隔环。设计构件外形时，应尽量避免带有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然变化处（阶梯轴），当结构需要直角时，可在直径较大的轴段上开卸载槽或退刀槽减小应力集中；当轴与轮毂采用静配合时，可在轮毂上开减荷槽或增大配合部分轴的直径，并采用圆角过渡，从而可缩小轮毂与轴的刚度差距，减缓配合面边缘处的应力集中。2、一般说，构件表层的应

13、力都很大，例如在承受弯曲和扭转的构件中，其最大应力均发生在构件的表层。同时由于加工的原因，构件表层的刀痕或损伤处，又将引起应力集中。因此，对疲劳强度要求高的构件，应采用精加工方法，以获得较高的表面质量。特别是对高强度钢这类对应力集中比较敏感的材料，其加工更需要精细。3、增加表层强度：常用的方法有表面热处理和表面机械强化两种方法。可采用高频淬火等热处理，渗碳、氮化等化学处理和机械方法（如喷丸等）强化表层，以提高疲劳强度。六、设计体会1、课程设计开始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”。于是重拾教材，对知识系统而全面进行了梳理，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领

14、悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。 2、在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，仔细阅读教材，更发现有类似例题，对自己的解题思路有很大的帮助。 3、“实践是检验真理的唯一标准”，自从耳闻以来，便一直是马克思主义中国化生成的教条。时至今日，课程设计告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。因为在教材上，我们运用材料力学不过是算算题，掌握掌握基础知识；在自己动手设计时，就出现了诸多问题，譬如计算的困难、定理的运用等等。不为则不知，无为则无知，实践出真知。 4、创新与探索。“创新”目前在我国已经提升到国家发展战略地位，足见“创新”的举

15、足轻重。我国在大飞机和航空母舰问题上，由于核心技术无法突破，因此没有实质性的进展。因此，我们要从小处着手，顺应时代发展潮流，在课程设计中不忘探索。未必成功，只要实现创新思维培育和探索即可。 七、参考文献1聂毓秦，孟广伟.材料力学M.北京：机械工业出版社，20042聂毓秦，吴宏.材料力学实验与课程设计.北京：机械工业出版社，20063谭浩强，C程序设计.北京：清华大学出版社，2006八、附件（编程与运算结果）附录：力和支座反力求解using System;using System.Collections.Generic;using System.ComponentModel;using Syst

16、em.Data;using System.Drawing;using System.Text;using System.Windows.Forms;namespace MechanicsOfMaterials public partial class Form1 : Form public Form1() InitializeComponent(); private void groupBox1_Enter(object sender, EventArgs e) private void 查看计算公式ToolStripMenuItem_Click(object sender, EventArg

17、s e) Form2 f2 = new Form2(); f2.ShowDialog(); private void button2_Click(object sender, EventArgs e) textBox5.Text = ; textBox6.Text = ; private void button1_Click(object sender, EventArgs e) #region 数据初始化 double paramF = Convert.ToDouble(this.F_box.Text); double paramW = Convert.ToDouble(this.W_box

18、.Text); double paramL1 = Convert.ToDouble(this.L1_box.Text); double paramL2 = Convert.ToDouble(this.L2_box.Text); double paramL3 = Convert.ToDouble(this.L3_box.Text); double paramAlpha = Convert.ToDouble(this.alpha_box.Text); double paramE = Convert.ToDouble(this.e_box.Text); double paramL = 1.5*paramE; double paramL4