材料力学课程设计说明书完整版

1、 设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算 设计数据：2-a-3 指导老师：xxx 材料力学课程设计说明书 学院：机械科学与工程学院 班级：14xxxx班 姓名：xxxx 学号：1xxxxx10 卡号：2xxxxx722目录一、材料力学课程设计的目的-3二、材料力学课程设计的任务和要求-31、设计说明书的要求2、分析讨论及说明部分的要求3、收获，希望，要求，建议4、程序计算部分的要求5、材料力学课程设计的一般过程三、设计题目-41、2-1设计题目-42、设计内容-5 （1）外力分析 （2）内力分析3、曲柄颈直径，主轴颈直径-7 4、校核曲柄臂的强度-75、校核主轴颈H-H处的疲劳强度-9

2、6、用能量法计算A-A截面的转角-9四、设计的改进措施及方法-11五、计算机程序-12 （1）程序框图-12 （2）C语言程序-12 （3）输出结果-15 （4）标识符-15六、设计体会-16七、参考文献-16一、材料力学课程设计的目的:本课程设计的目的在于系统学完材料力学之后，能结合工程中的实际题，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解决工程实际问题的目的。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、制图、理论力学、算法语

3、言、计算机等）综合运用，又为以后的课程学习打下了基础，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。具体作用有以下：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。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

4、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的应

5、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；（1） 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；（

6、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

7、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、准备答辩。注：对于材料的力学性质，若在设计过程中需要，可查阅材料力学、工程手册或材料力学实验指导书等有关资料，不论从何处查得，均需标明出处三、设计题目:1、2-1设计题目 某柴油机曲轴可以简化伟如图所示的结构，材料为球墨铸铁，弹性强度为E，许用应力，G处输入转矩m,曲轴劲中受切向力,径向力=/2,曲柄臂简化为 矩形截面，1.41.6，2.54，1.2r,有关数据见数据表。固

8、定数据表(m)(m)E(GPa)_b(MPa)0.110.181500.271207001800.050.78设计计算数据表编号N(马力)n(r/min)r(m)=1.2r(m)0313.01000.060.0721) 画出曲柄的内力图；2) 设计曲柄劲直径d，主轴劲直径D；3) 校核曲柄臂的强度；4) 校核主轴劲H-H截面出的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2,键槽为端铣加工，表面为车削；5) 用能量法计算A-A截面的转角，。2、设计内容(1)外力分析1KW=1.3596马力M故切向力，径向力m/r=913.12/0.06=15.218KW =/2=7.609KW在由平衡条件计算反力在XOY平面

9、上 FAY=*L2/(L1+L2)=7609.3*0.18/0.29N=4723N FFY=Pr*L1/(L1+L2)=7609.3*0.11/0.29=2886N在XOZ平面上 FAZ=Pt*L2/(L1+L2)=15218*0.18/0.29=9446N FFZ=Pt*L1/(L1+L2)=15218*0.11/0.29=5772NPtPrFAyFAZFFZFFY(2)内力分析 （1）主轴劲以EF的左端截面（11）最危险，受扭转和两向弯曲。 MX1=m=913N.m MY1=FFZ(L2-L3/2)=831N MZ1=FFY*(L2-L3/2)=416N (2)连杆轴劲以CD段中间（22）

10、截面K最危险，受扭转和两向弯曲 MX2=FAZ*r=566N.m MY2=FAZ*L1=1039N.m MZ2=FAY*L1=520N.m (3)曲柄轴以DE段的下段（33）截面危险，受扭转，两向弯曲及压缩。 MY3=FFZ(L2-L3/2)=831N.m MX3=m=931N.m MZ3=FFY(L2-L3/2)=416N.m FN3=FFY=2886N3、设计曲柄劲直径d，主轴劲直径D; (1)设计曲柄劲直径d 曲柄劲是圆轴，且受弯扭组合变形，因此由第三强度理论 r3=(1/w)* 即r3=32/()得d0.048m 取d=0.048m (2)设计主轴劲直径D 主轴劲是圆轴，且受弯曲组合变

11、形，因此由第三强度理论 r3=(1/w)* 即r3=32/() 得D0.048m D取0.06m4、校核曲柄臂的强度； 曲柄臂的截面为矩形截面，且受扭转，两向弯曲及轴力作用。为确定危险点的位置，画出曲柄臂DE上截面（33）应力分布图。根据应力分布图，可以判断出可能的危险点有 D1,D2,D3三点。 由已知条件 1.4h/D1.6,2.5h/D4 且由设计D=0.06m 取最小值得和 h=0.084,b=0.0336（1） 对D1点进行分析。FN3/A3+M3X/W3X+M3Z/W3Z=FFY/bh+m/(b/6)+M3Z/(h/6) =2886/(33.6*84*)+913.12*6/(33.

12、6*)+6*416/(*84*)pa=50.45MPa120Mpa故D1点安全。（2） 对D2点进行应力分析由于D2点有扭转切应力，且h/b=2.5由表31（P70）得=0.258 =0.767=M3Y/(h)=831/(0.258*84*)=33.9MPaD2点的正应力为轴向力和绕Z轴的弯矩共同引起的，即FN3/A3+M3Z/W3Z=FFY/(bh)+FFY(L2-L3/2)/(b/6)2886/(33.6*84*)+416*6/(33.6*)Pa=11.6Pa 由于D2点处于二向应力状态，由第三强度理论 r3 35.83Pa2故H-H截面得疲劳强度是足够得。6、用能量法计算A-A截面的转角

13、，D=0.06, = =635*; d=0.048m , = =260*;h=0.084m,b=0.0336m, =1659*, =1062*G= 计算A-A截面的转角，在A-A截面加如图所示的单位力矩，并绘制此单位力矩作用下的转矩图.曲柄在外力作用下的弯矩图如图. (1/2*350*0.074*(1+0.74)/3+1/2*416*0.144*2/3*0.5)+ 350*0.036*0.68416*0.036*0.0.58+1/2*（520-350）*0.036*0.66+1/2*(520-416)*0.036*0.70+350*0.06*0.74+416*0.06*0.5 =1.78*ra

14、d 计算A-A截面的转角，在A-A截面加如图所示的单位力矩，并绘制此单位力矩作用下的转矩图.曲柄在外力作用下的弯矩图如图. =(1/2*699*0.74*(0.74+1)/3+1/2*831*0.144*2/3*0.50)+ 699*0.036*0.68+831*0.036*0.58+1/2*(1039-699)*0.036*0.66+1/2*(1039-831)*0.036*0.70+699*0.06*0.74+831*0.06*0.50=1.358*rad四，设计的改进措施及方法。针对曲轴设计的改进及方法主要分三方面；1、 提高曲轴的弯曲强度；提高弯曲强度的主要措施有：合理安排曲轴受力情况

15、及设计合理的截面等。但对于该曲轴只能采用合理安排曲轴的受力情况。在机械结构允许的情况下，可采取将集中载荷适当分散或将集中力尽量靠近支座。2、提高曲轴的疲劳强度； 提高弯曲刚度的主要措施有：减缓应力集中及提高曲轴表面强度等。为了消除和缓解应力集中，在设计曲轴时，应尽量避免出现方形直角或带有尖角的孔和槽，即在主轴劲和曲柄臂相连处应采用半径较大的过渡圆角。提高曲轴表面强度可通过两方面实现。一是从加工入手提高表面加工质量，可采用精细加工，降低表面粗糙度，如果将材料改为高强度钢就尤其要注意；二是增强表面强度，对曲轴中应力集中的部位如键槽处应采取某些工艺措施，即表面热处理或化学处理，如表面高频卒火、渗碳、

16、氮化等或表层用滚压、喷丸等冷加工方法，这种方法的特点是使曲轴表面残余压应力，减少表面出现微裂纹的机会，以提高曲轴的疲劳强度。3、提高曲轴的弯曲刚度；提高弯曲刚度的主要措施有；改善结构形式，减小弯矩数值、选择合理的截面及合理选材等。但对于该曲轴只能采用改善结构形式，减小弯矩的数值及合理选材。在机械结构允许的情况下，可合理设计和布置支座，即带轮可采用卸载装置，也可采用将集中载荷适当分散或尽量减小跨度，也可将材料改为弹性模量E较大的钢材，但这势必会增加费用。5、 计算机程序 略六、设计体会 通过材料力学的学习，使我初步了解材料力学的任务是在满足强度、刚度和稳定性的要求下，以最经济的代价，为构件确定合理的尺寸，选择适宜