吉林大学材料力学课程设计7.2 数据

...wd......wd......wd...吉林大学材料力学课程设计设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核数据号：7.2I16学号：4212XXXX姓名：学长只能帮你到这了指导教师：魏媛2014年9月9日目录：设计目的设计任务及要求2.1设计计算说明书的要求2.2分析讨论及说明局部的要求2.3程序计算局部的要求3.设计题目及设计内容4.设计的改进意见及措施4.1提高曲轴的弯曲强度4.2提高曲轴的弯曲刚度4.3提高曲轴的疲劳强度设计体会参考文献附录7.1通用程序框图7.2C语言程序7.3计算输出结果7.4标识符1.设计目的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，以到达综合利用材料力学知识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；既是对以前所学知识〔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〕的综合运用，又为后续课程的学习打下根基，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有以下六项：1.使所学的材料力学知识系统化、完整化。2.在系统全面复习的根基上，运用材料力学知识解决工程实际中的问题。3.由于选题力求结合专业实际，课程设计可把材料力学与专业需要结合起来。4.综合运用以前所学的各门课程的知识〔高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等〕，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际中的设计思路和设计方法。6.为后续课程的教学打下根基。2.设计任务和要求参加设计者要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的条件和所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并到处计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。2.1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.静不定构造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，并标明可能的各不安全截面。5.不安全截面上各种应力的分布规律图及由此判定各不安全点处应力状态图。6.各不安全点的主应力大小及主平面位置。7.选择强度理论并建设强度条件。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.疲劳强度计算局部要说明循环特征，σmax，σmin，r，σm，σa的计算，所查k，ε，β各系数的依据，并列出疲劳强度校核过程及结果。2.2分析讨论及说明局部的要求1.分析计算结果是否合理，并讨论其原因、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。2.3程序计算局部的要求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〔数据结果要填写到设计计算说明书上〕。3.设计题目及设计内容单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核某柴油机曲轴可以简化为以以下图所示的构造，材料为球墨铸铁〔QT450-5〕弹性常数为E、μ，许用应力[σ]，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。曲柄臂简化为矩形截面，且满足：，，有关数据见表1，表2。表1固定数据[σ]/MPa0.110.181500.271201800.050.78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D。〔3〕校核曲柄臂的强度。〔4〕校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度，取疲劳强度系数n=2。键槽为端铣加工，主轴颈外表为车削加工。用能量法计算A-A截面的转角θy，θz。解：Fr〔1〕FtyxzFAzFFzMeFAyFFyMe=9549=481.27N/mFt==8021.16NFr=4010.58NFAy==2489.32NFFy==1521.25NFAz==4978.65NFFz==3042.51N内力图如下：MXM1=FAz·r=298.72N/mMyM2=FAz·〔L1-〕=368.42N/mM3=FAz·L1=547.65N/mM4=FFz(L2-)=438.12N/mM5=FAy·(L1-)=184.21N/mM6=FAy·L1=273.83N/mM7=FFy·(L2-)=219.06N/mFN1=FAy=2489.32NFN2=FFy=1521.25N确定主轴直径D:不安全截面在E处，受弯矩和扭矩组合变形，由第三强度理论得σr3=≦[σ]D≧=38.8mm所以D=40mm确定曲柄颈直径d：曲柄颈不安全点在CD中点处，受弯矩和扭矩组合变形，由第三强度理论得：σr3=≦[σ]d≧=38.67mm所以曲柄颈直径为d=40mm校核曲柄臂曲柄臂不安全截面为E截面，截面受正压力，弯矩和扭矩：不安全点为D1,D2,D3D1点为纯压力：σ=≦[σ]W1=W2=D2点：τ2=σ2=由第三强度理论得σr3=≦[σ]D3点：τ3=vτ2σ3=由第三强度理论得σr3’=≦[σ]其中α，v与h/b有关。查表3.12.53.04.0α0.2580.2670.282v0.7670.7530.745由插入法得当2.5≦≦3.0时解得当3.0≦≦4.0时同理得尽量减小横截面积s=hb，同时满足以上条件，c程序中hb()子程序，用穷举法求出h，b的最正确值得h=57.55mm,b=23.01mm所以α=0.258,v=0.767所以D1点σ==82.19MPa<120MPa安全D2点τ2==55.74MPaσ2==44.29MPaσr3==119.95MPa<[σ]=120MPa安全D3点τ3=vτ2=42.75MPaσ3==39.04MPaσr3’==93.99MPa<120MPa安全所以曲柄臂足够强度。疲劳强度校核τ-1=180MPa,Ψτ=0.05ετ=0.78查书可知σb=450MPaKτ=1.29,插入法算得β=0.94H-H截面在工作时只受扭转力Me产生的切应力τ，不工作时受力为0所以r=0，为脉冲载荷。τmax==38.30MPaτmin=0τa==19.15MPa=19.15MPa=5.19>2安全〔5〕用能量法计算A-A截面转角θy，θz如以以下图，在A-A处XOZ面内加一单位力偶，再用叠加法计算θy支座反力为FAz2和FFz2，其中FAz2=FFz2==3.45N曲柄臂EId=EID=GI=θy==+++=0.005069rad同理在XOY面内在Ａ处加单位力偶其中FAｙ2=FFｙ2＝其中EI2=EA=Ehbθz==++++++=0.002787rad4.设计的改进意见及措施4.1提高曲轴的弯曲强度提高弯曲强度的主要措施有，合理安排构件的受力情况及设计合理的截面。也可以在构造允许的情况下将集中载荷适当分散让在和尽量靠近支座。4.2提高曲轴的弯曲刚度提高弯曲刚度的主要措施有，改善构造形式，减少弯矩的数值、选择合理的截面及合理选材等。对于该曲轴可以通过改善构造形式，尽量减小跨度，选择合理的截面形状，减少弯矩的数值并且合理选材等形式提高曲轴的弯曲刚度。4.3提高曲轴的疲劳强度提高疲劳强度主要有减缓应力集中和提高构件外表强度两种方式。为了消除和缓解应力集中，再设计曲轴时，应尽量防止出现方形直角或带有尖角的孔和槽，即在主轴颈和曲柄臂相连处应采用半径较大的过度圆角。提高曲轴外表的强度可通过两方面实现，一是从加工入手提高外表加工质量，可采用精细加工，降低外表粗糙度，尤其对高强度钢更重要；二是增加表层强度，对曲轴中应力集中的部位如键槽处应采取某些工艺措施，即外表热处理或化学处理，如外表高频淬火、渗碳等或表层用滚压等冷加工方法。设计体会材料力学是一门被各个工程广泛应用的学科，通过定量的计算设计轴直径等相关数据，可以提高材料的利用率，降低不必要的成本。也可以防止材料强度不够等危害。对我而言，知识上的收获重要，了解到实际情况和理想情况的差距，只有考虑到各种情况才能充分设计。对于本次课程设计中的缺乏之处，还希望教师批评指正。谢谢教师长期以来的辛勤教导与帮助。参考文献?材料力学实验与课程设计?------------聂毓琴吴宏?材料力学?第二版--------------------聂毓琴孟广伟?C语言程序设计教程?-----------------张玉春孙大元7.附录7.1通用程序框图7.2C语言程序#include<stdio.h>#include<math.h>#definePI3.1415926doubleMe,FAy,FAz,FFy,FFz,M1,M2,M3,M4,M5,M6,FN1,FN2,M7;doubleh,b,S=120e6,S1,S2,S3,E=150e9,u=0.27,r;doubleL1,L2,L3;intD,d;intmain()//主函数{doublehb();//确定h,bdoublejhqbb();//校核曲柄臂doublejhplqd();//校核疲劳强度doublezhuanjiao();//计算转角doubleP,n,Ft,Fr;doubleDD,dd,Sigemar3,BB;printf("enterthedata:P,n,r\n");scanf("%lf,%lf,%lf",&P,&n,&r);L1=0.11,L2=0.18;L3=1.2*r;printf("L1=%lf,L2=%lf,L3=%lf,P=%lf,n=%lf,r=%lf\n",L1,L2,L3,P,n,r);Me=9549*P/n;Ft=Me/r;Fr=Ft/2;FAy=Fr*L2/(L1+L2);FAz=Ft*L2/(L1+L2);FFy=Fr*L1/(L1+L2);FFz=Ft*L1/(L1+L2);M1=FAz*r;M2=FAz*(L1-L3/2);M3=FAz*L1;M4=FFz*(L2-L3/2);M5=FAy*(L1-L3/2);M6=FAy*L1;M7=FFy*(L2-L3/2);FN1=FAy;FN2=FFy;printf("Me=%.2lfN·m,Ft=%.2lfN,Fr=%.2lfN\n",Me,Ft,Fr);printf("FAy=%.1lfN,FAz=%.1lfN,FFy=%.1lfN,FFz=%.1lfN\n",FAy,FAz,FFy,FFz);printf("M1=%.2lfN·m,M2=%.1lfN·m,M3=%.1lfN·m\n",M1,M2,M3);printf("M4=%.2lfN·m,M5=%.1lfN·m,M6=%.1lfN·m,M7=%.1lfN·m,FN1=%.1lfN,FN2=%.1lfN\n",M4,M5,M6,M7,FN1,FN2);Sigemar3=sqrt(M1*M1+M3*M3+M6*M6);BB=32*Sigemar3/(PI*S);dd=pow(BB,1.0/3.0);Sigemar3=sqrt(Me*Me+M4*M4+M7*M7);BB=32*Sigemar3/(PI*S);DD=pow(BB,1.0/3.0);printf("D=%.4lfm,d=%.4lfm\n",DD,dd);D=(int)(1000*DD);d=(int)(1000*dd);if(d%2==0)d=d+2;elsed=d+1;if(D%2==0)D=D+2;elseD=D+1;printf("故D取%dmm,d取%dmm\n",D,d);hb();//调用求解h，b子函数jhqbb();//调用校核曲柄臂子函数jhplqd();//调用校核疲劳强度子函数zhuanjiao();//调用求转角子函数return0;}doublehb()//求解h，b子函数{doubleX1,X2,X3,Y2,Y3;doubleh1,b1;doublea,v;doubles,m=(1.6*D)*(0.4*1.6*D);for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h+=0.01)for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b+=0.01){if(h/b>=2.5&&h/b<=3)//查表3-1，利用插入法确定a,r{a=0.213+0.018*h/b;v=0.837-0.028*h/b;}else{a=0.222+0.015*h/b;v=0.777-0.008*h/b;}X1=1e6*FN2/(b*h)+6e9*Me/(b*h*h)+6e9*M7/(b*b*h);X2=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M7/(b*b*h);X3=1e6*FN2/(b*h)+6e9*Me/(b*h*h);Y2=1e9*M4/(b*b*h*a);Y3=v*Y2;S1=X1;S2=sqrt(X2*X2+4*Y2*Y2);//应用第三强度理论S3=sqrt(X3*X3+4*Y3*Y3);if(S1<S&&S2<S&&S3<S){s=b*h;if(s<m)//选取使截面积S最小的h,b{m=s;h1=h;b1=b;}}}h=h1,b=b1;printf("故h和b值为:\n");printf("h=%.2lfmm\nb=%.2lfmm\n",h,b);return0;}doublejhqbb()//校核曲柄臂子函数{doubleX1,X2,X3,Y2,Y3,S2,S3;doublea,v;if(h/b>=2.5&&h/b<=3){a=0.213+0.018*h/b;v=0.837-0.028*h/b;}else{a=0.222+0.015*h/b;v=0.777-0.008*h/b;}X1=FN2/(b*h)+6e3*Me/(b*h*h)+6e3*M7/(b*b*h);X2=FN2/(b*h)+6e3*M7/(b*b*h);X3=FN2/(b*h)+6e3*Me/(b*h*h);Y2=1e3*M4/(b*b*h*a);Y3=v*Y2;S1=X1;S2=sqrt(X2*X2+4*Y2*Y2);S3=sqrt(X3*X3+4*Y3*Y3);printf("X1=%.2lfMPa,X2=%.2lfMPa,X3=%.2lfMPa,Y2=%.2lfMPa,Y3=%.2lfMPa\n",X1,X2,X3,Y2,Y3);S1=X1;S2=(sqrt(X2*X2+4*Y2*Y2));S3=(sqrt(X3*X3+4*Y3*Y3));printf("S1=%.2lfMPa,",S1);if(S1<S)printf("所以D1点安全\n");printf("S2=%.2lfMPa，",S2);if(S2<S)printf("所以D2点安全\n");printf("S3=%.2lfMPa，",S3);if(S3<S)printf("所以D3点安全\n");if(S1<S&&S2<S&&S3<S)printf("故曲柄臂强度是足够的\n");elseprintf("曲柄臂强度不符合要求\n");return0;}doublejhplqd()//校核疲劳强度子函数{doubleKt=1.29,B=0.94,Wp,Tmin,Tmax,Ta,Tm,n;doublet_1=180e6,Fai=0.05,Et=0.78;Wp=PI*D*D*D/16e9;Tmax=(1e-6)*Me/Wp;Tmin=0;Ta=(Tmax-Tmin)/2;Tm=(Tmax+Tmin)/2;n=t_1/(Kt*Ta*1e6/(Et*B)+Fai*Tm*1e6);printf("Tmin=%.1lfMPa,Tmax=%.1lfMPa,Ta=%.1lfMPa,Tm=%.1lfMPa,n=%.2lf\n",Tmin,Tmax,Ta,Tm,n);if(n>2)printf("H-H截面疲劳强度是足够的\n");elseprintf("H-H截面疲劳强度缺乏够\n");return0;}doublezhuanjiao()//求转角子函数{doubleFAz2,FFz2,FAy2,FFy2,EId,EID,EI2,GI,EA,B,Jy,Jz;FAz2=1/(L1+L2);FFz2=FAz2;if(h/b>2.5&&h/b<3){B=0.179+0.028*h/b;}else{B=0.209+0.018*h/b;}EId=1e-12*E*PI*d*d*d*d/64;EID=1e-12*E*PI*D*D*D*D/64;GI=1e-12*E*B*h*b*b*b/(2*(1+u));Jy=1/EID*(FFz2*(L2-L3/2)*