材料力学课程设计单缸柴油机曲轴强度设计及刚度计算、疲劳强度校核

1、答辩成绩设计成绩材料力学课程设计说明书设计题目单缸柴油机曲轴强度设计及刚度计算、疲劳强度校核题 号7.2数据II-8学 号作业编号姓 名指导教师前言>>>材料力学课程设计的目的<<<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>&g

2、t;>材料力学课程设计的任务和要求<<<>>>材料力学课程设计的一般过程<<<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;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;目录设计题目 单缸柴油机曲轴强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 .1设计过程 .2 1.外力分析 .2 2.内力分析 .2 3.设计d和D .4 4.设计h和b并校核曲柄臂强度 .4 5.H-H截面处疲劳强度校核 .5

3、 6.能量法计算A-A截面转角y和z .6 7.改进措施 .8设计体会与总结 .8附录 计算机程序设计 .9参考文献 .12设计题目 单缸柴油机曲轴强度设计及刚度计算、疲劳强度校核某柴油机曲轴可简化为如图1所示的结构.材料为球墨铸铁(牌号QT450-5. s=324MPa. b=450MPa. =5%).弹性常数为E和.许用应力为.G处输入转距为Me.曲轴颈中点受切向力Ft和径向力Fr的作用.且Ft=2Fr.曲柄臂简化为矩形截面. 1.4h/D1.6. 2.5h/b4. l3=1.2r.有关数据见表1l1/ml2/mE/GPa/MPa-1/MPaP/kWn/(r/min)r/m0.110.18

4、1500.271201800.780.0515.73200.06表11-曲轴颈 2-曲柄臂 3-主轴颈图1 单缸柴油发动机曲轴简化图要求:1.画出曲轴的内力图;2.设计d和D;3.设计h和b,校核曲柄臂强度;4.校核主轴H-H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;5.用能量法计算A-A截面的转角y、z.设计过程>>>1.外力分析<<<曲轴所受外力图如图2所示.求主动力力矩又平面内,求支反力>>>2.内力分析<<<分别分析AB,BC,CD,DE段的受力,得各段所受的轴力和弯矩,综合得曲

5、轴所受弯矩图如图3所示,轴力图如图4所示.图3-a Mx图图3-b My图 图3-c Mz图图3 曲轴所受弯矩分布图(单位均为N·m)图4 曲轴所受轴力分布图(单位为N)>>>3.设计d和D <<<由图3和图4知,主轴颈上E处截面为危险截面;曲轴颈上CD中点处截面为危险截面.两个危险截面的危险点均受两向弯曲和扭转.球墨铸铁为塑性材料.根据第三强度理论,对于受弯扭组合变形的圆形截面轴.强度条件为:代入图4中的数据,得:取>>>4.设计h和b并校核曲柄臂强度<<<由图4知,曲柄臂上E点所在截面为危险截面,受两向弯曲、

6、扭转和轴向压缩(剪力FQ的影响不计).危险截面的应力分布如图5所示.由图5知可能的危险点为D1,D2 ,D3.图5 曲柄臂上危险截面的应力分布参照材料力学图8-25所作;这部分的解题过程参照材料力学例8-7对D1点进行应力分析.由图5知D1点只受压应力作用.对D2点进行应力分析.由图5知D2点受压应力和切应力共同作用.对D3点进行应力分析.由图5知D3点受压应力和切应力共同作用.由第三强度理论,强度条件为根据题目要求和强度条件编写程序(见附录).由程序得得合适的h、b的值为对应的系数分别为校核曲柄臂强度:将程序算得的值代回得由此得出结论:曲柄臂满足强度条件>>>5.H-H截面

7、处疲劳强度校核<<<由图4知,H-H截面处危险点的最大工作应力键槽为端铣加工,主轴颈表面为车削加工.由材料力学图13-10估得,由材料力学表13-3得在最危险的对称循环工况下,安全系数由此得出结论:H-H截面的疲劳强度足够.>>>6.能量法计算A-A截面转角y和z<<<利用图形互乘法求解忽略剪力和轴力的影响.1)求y:在A点处施加一绕y轴的单位力偶,得该单位力偶作用下的弯矩图如图6所示.图6 单位力偶作用下曲轴所受弯矩分布图图6和图3-b互乘,得其中代入得2)求z:在A点处施加一绕z轴的单位力偶,得弯矩和轴力分别如图7和图8所示.图7 单位

8、力偶作用下曲轴所受弯矩分布图图7和图3-c互乘,得其中(b)(h)代入(a)解得>>>7.改进措施<<<· 合理安排施加在曲轴让的载荷,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.材料力学§6-5· 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/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.· 增大构件的表层强度,以提高构

9、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.材料力学§13-9设计体会与总结经过长时间的努力,我在力学老师的指导和课本的参考下,完成了全部设计过程.通过此次课程设计,我加深了对材料力学知识的理解和实际运用能力,巩固了之前学习的课程知识;熟练掌握了对办公软件LibreOffice 、三维CAD软件CATIA、二维CAD软件DraftSight和C语言的应用

10、;了解了论文的标准格式;学习了答辩的相关知识及技巧.为日后的学习工作打下了基础.附录 计算机程序设计根据材料力学表3-1,由线性插值法得出、关于h/b的大致函数关系式:由强度条件和题目要求,设计程序框图如下由Structorizer生成:关于变量符号的说明:题目中的符号程序中的符号alphabetanusigma_D1sigma_D2sigma_D3题目中的符号程序中的符号tau_D2tau_D3sigma_safesigma2sigma3程序如下:#include <stdio.h>#include <math.h>/*本程序只用于在其它所需值已经算出的情况下计算h和

11、b*/void main()void calculate(double,double,double *,double *,double *);/*声明计算,的函数*/double convert_integer(double);/*声明将h,b化整的函数*/double D,sigma_safe,F_N,M_x,M_y,M_z;/*所需的值*/double h,b,alpha,beta,nu,sigma_D1,sigma_D2,sigma_D3,tau_D2,tau_D3,sigma2,sigma3;double S,h1,b1,alpha1,beta1,nu1,S_min;double *_

12、alpha=&alpha,*_beta=&beta,*_nu=&nu;double *_alpha1=&alpha1,*_beta1=&beta1,*_nu1=&nu1;char i;doprintf("请输入计算所需要的数据n");printf("主轴颈直径D(单位mm)tt");scanf("%lf",&D);printf("许用应力(单位MPa)tt");scanf("%lf",&sigma_safe);printf(&quo

13、t;危险截面处的轴力F_N(单位N)t");scanf("%lf",&F_N);printf("危险截面处的弯矩M_x(单位N·m)t");scanf("%lf",&M_x);printf("危险截面处的弯矩M_y(单位N·m)t");scanf("%lf",&M_y);printf("危险截面处的弯矩M_z(单位N·m)t");scanf("%lf",&M_z);printf(&qu

14、ot;nD=%.0fmm,=%.1fMPa,F_N=%.1fN,M_x=%.1fN·m,M_y=%.1fN·m,M_z=%.1fN·mn",D,sigma_safe,F_N,M_x,M_y,M_z);printf("确认输入无误？Y/Ntt");scanf("%s",&i);printf("n*n");while(!(i='Y'|i='y');D=D/1000;sigma_safe=sigma_safe*1000000;/*计算过程中的所有物理量都化为标准

15、单位(N,N·m,m,Pa).*/h=1.4*D;b=h/4;S_min=h*b;/*给S_min存入一个初值*/for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h+=0.0001)/*精确到0.1mm*/for(b=h/4;b<=h/2.5;b+=0.0001) calculate(h,b,_alpha,_beta,_nu); sigma_D1=F_N/(b*h)+6*M_z/(b*b*h)+6*M_x/(b*h*h) ;sigma_D2=F_N/(b*h)+6*M_z/(b*b*h); sigma_D3=F_N/(b*h)+6*M_x/(b*h*h) ; tau_D2=M_

16、y/(b*b*h*alpha) ; tau_D3=nu*tau_D2;sigma2=sqrt(sigma_D2*sigma_D2+4*tau_D2*tau_D2);sigma3=sqrt(sigma_D3*sigma_D3+4*tau_D3*tau_D3);if(sigma_D1<=sigma_safe&&sigma2<=sigma_safe&&sigma3<=sigma_safe)S=h*b;/*double型可以保证小数点后14位准确*/if(S<S_min) S_min=S; h1=convert_integer(h);b1=con

17、vert_integer(b);/*h,b化整*/ calculate(h1,b1,_alpha1,_beta1,_nu1); printf("合适的h,b取值分别为:nth=%.0fmmtb=%.0fmmn对应的尺寸系数分别为:ntalpha=%.5ftbeta=%.5ftnu=%.5fn",h1*1000,b1*1000,alpha1,beta1,nu1);void calculate(double h,double b,double *_alpha,double *_beta,double *_nu)/*计算alpha,beta,nu的子程序*/if(h/b<=3) *_alpha=0.213+0.018*h/b;*_beta=0.179+0.028*h/b;*_nu=0.837-0.028*h/b; else *_alpha=0.222+0.015*h/b;*_beta=0.209+0.018*h/b;*_nu=0.777-0.008*h/