材料力学课程设计报告

1、左侧装订，封皮标题居中）材料力学课程设计报告课设题目： 曲柄轴强度设计与变形计算 单 位：理学院 专业 /班级：工程力学1、材料力学课程设计的目的意义本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，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知识解决 工程实际问题的目的。与此同时，进一步加强对以前所学知识（高等数学、工程图学、理论 力学、计算机等）的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思想和 设计方法，使实际工作能力有所提高。2、工程背景柴油机自十九世纪发明以来，经过一百多年的不断研究和改进，已经发展到了比较完善 的

2、程度。它以热效率高功率和转速范围宽广，比重量较小的优点，在动力机械中占有及其重 要的地位，广泛应用于国民经济和国防的各个领域中，尤其在船舶领域。曲轴是柴油发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴 输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和 往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚 度。3、课程设计主要任务及要求（1）查阅相关文献，介绍课程设计选题的工程背景（2）根据设计题目建立课程设计选题计算简图（3）绘制选题结构的内力图(4) 列出理论依据和导出的计算公式(5) 进行强度分析、变形计算(6

3、) 完成设计说明书。二、力学模型建立与内力分析1、设计题目简介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(QT450-5)弹性常数为E、，许用应力c ,G处输入传矩为Me，曲轴颈中点受切向力Ft、径向力Fr的作用，且f =5r 2曲柄臂简化为矩形截面，且满足：h=1.4D, h/b=3/2 ，l1.2r有关数据见表1，表2。表1固定数据li / m12 / mE/GPa&/MPa0.150.201800.27140表2设计计算数据I3P/kWn /(r/mi n)r/ m192900.07题目要求：(1) 画出曲轴的内力图。(2)设计曲轴颈直径d,主轴颈直径Do(3)校核曲柄

4、臂的强度(4)用能量法计算A-A截面的转角9 y，92、模型简化11匸計 H-Hb）力学模型图1单缸柴油机曲轴简化图1 曲轴颈2 曲柄臂3 主轴颈3、内力分析1）外力分析图:图2外力分析图2）外力分析：1. 画出曲轴的计算简图（上图），计算外力偶矩。M=9549P/N=625.6N/m2. 计算切向力、径向力Ft=M/r=8937.5NFr二F/2=4468.7N3. 平衡条件计算反力。(1) 在XOY平面内:' F = 0 FAy Fyy -Fr = 0V Mk=O -FAyh FFyl2 =0解得：FBy=1915.2NF Ay=2553.5N(2) 在XOZ平面内:' F

5、 = 0 Faz Ffz _Ft =0、Mk = 0-Fa1 FfzJ =0解得：Ffz=3830.4NF az=5107.1N内力分析：1)内力图：内力图如图3所示，不计弯曲切应力，弯矩图画在纤维受压侧，根据内力图确定危截面。 (单位：力-N力矩n m337.10p37.10(1/543.1054319152图3内力图2）内力计算（1）主轴颈的EF左端（1-1为危险截面，受扭转和两向弯曲（2）曲柄臂DE段下端（2-2 ）为危险截面，受扭转、两向弯曲和压缩（3）曲轴颈CD段中间截面（3-3）为危险截面，受扭转和两向弯曲三、杆件设计与强度分析一.设计曲轴颈直径d1. 在XOY平面内弯矩：Mz -

6、 -FRAy 11 =383.0N.m2. 在平面内弯矩：My =-Fraz |1=766.1N.m3. My和Mz合成弯矩：M 二 Mz My =856.5N.m4. 扭矩：T = Fraz R=357.5N.m5. 如用第四强度理论设计:(m 02) +(02 <13)+(03 CU)兰O'1 2 2W M °.75T 十 八二严2 O"d>40.5 所以取 d=45.0mm二.设计主轴1.Mz=FByX L2=383.0N.m2M=FbzX L2=766.1 N.m3. M=、My2 Mz2 =856.5 N.m4. T=Me=625.6 N.m5

7、. 仍用第四强度理论设计丄 Jm 2 +0.75T2 < k WD3 _ 32 、M 20.75T2n b 1D亠42.6 所以取d=45mm三、校核曲柄臂的强度：曲柄臂的危险截面为矩形截面，受扭转、两向弯曲及轴力的作用。为确定 危险点的位置，画出曲柄臂上（2-2 ）截面应力分布图。图5危险点分布图FnFN = FRBy = = 1915.2NMx =Me -FrbzLD =626.6-3830.4 45, 2 ：一 1000 = 540.4 N.mMZ2N.mb =1915.2 (0.2 0.042 - 2) 423.32T =My =FbzX( L2+b ) =846.5 N.m2F

8、sz = Frbz = 3830.4 NFn 6MX 摯=43.0 MPa 八 b h正应力二 23.6 MPa点因扭矩My引起切应力 计T =33.0 MPa:hb2点与Fsz对应切应力T 22 =2.2 MPa2bh点总切应力.D =计*辽=35.2MPa用第四强度理论.J2 * 3 d2 = 65.4 MPaw l；1满足强度条件四、变形计算1 用能量法计算a-a截面的转角e y, e z。采用图乘法分别求解截面的转角e y, e z。求e y：在截面A加一单位力偶矩忆图6受力分析图由平衡方程得：厂一厂代r机0=2环B点的弯矩为:Ms = 1寸 I 12.86x 0.151A0.0764

9、E点的弯矩为 r If1 2 0 07 M e = Faz L2 1 = 2.86 0.20丨=045N ml2丿i2丿单位力偶矩作用下的内力图 皿与外载荷作用下的内力图My如下（弯矩画在受压的一侧，单位：n m:0.451*17内力憎当h=63.0mm b=420mrfl寸,h/b=1.5,查材料力学中表知 3=0.1963 4EIE =180 10964 :45 1046436232Pa m4_3449 z（45"0 ）4EI2 =E180 1036232Pa m64杆件的抗扭刚度：Gi=ElW /。佔心唇盼4込 1°2 =6483lPamP 2 1 口21 0.27则

10、"" Oj 'Ma *=2.62x 10A-3rad方向与单位力偶相同单位力偶矩Mz单位力偶矩作用下的内力图与外载荷作用下的内力图如下（弯矩画在受压的一侧）为力用2553.51915.2B *2.86EA 二 Ebh =180x109x42x63x10-6 =4.76x108Pa m2EI3吨= 180x109x63x423x10,212=70013Pa m4x 10A-3rad两周的课程设计结束了,在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识,也培养了则应用能量法可解:=1.38方向与单位力偶相同五、结论我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在

11、设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄,课程设计是我们专业课程知识综合应学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程千里之行始于足下”通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下了坚实的基础。在这次课程设计中我们都受益良多。参考文献：1刘鸿文材料力学I D.北京:高等教育出版社，2010: 210-3322刘鸿文.材料力学U D.北京:高等教育出版社,2010: 26-1032、图的标注方法(注意全文图统一大小，图形不要过大能够看清就可)图1蜂窝板切面备注：1、表的标注方法(表中字体一律为5号)表1模型数据表序号弹性模量泊松比长度a(m)长度b(m)长