曲柄軸的強度設計疲勞強度校核及剛度計算說明書1

1、 材料力學課程設計設計計算說明書設計題目：曲柄軸的強度設計、疲勞強度校核及剛度計算序號: 160題號: 10 - 16教學號: 專業(yè): 土木工程（路橋）姓名： 指導教師： 目錄一、 材料力學課程設計的目的2二、 材料力學課程設計的任務和要求3三、 設計計算說明書的要求3四、 分析討論及說明部分的要求4五、 程序計算部分的要求4六、 設計題目5七、 設計內(nèi)容6（1） 畫出曲柄軸的內(nèi)力圖- 7 （二）設計曲柄頸直徑d，主軸頸直徑d- 9（三）校核曲柄臂的強度-10（四）校核主軸頸的疲勞強度- 14（五）用能量法計算a截面的轉(zhuǎn)角- 15（六）計算機程序- 17八、設計體會-21九、參考文獻-21一、

2、課程設計的目的 材料力學課程設計的目的是在于系統(tǒng)學習材料力學后，能結(jié)合工程中的實際問題，運用材料力學的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使我們將材料力學的理論和現(xiàn)代計算方法及手段融為一體。既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；既能對以前所學的知識（高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機和材料力學等）的綜合應用，又為后繼課程（機械設計、專業(yè)課等）得學習打下基礎，并初步掌握工程中的設計思想和設計方法，對實際工作能力有所提高。1、 使所學的材料力學知識系統(tǒng)化，完整化。2、 在系

3、統(tǒng)全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程實際問題。3、 由于選課力求綜合專業(yè)實際，因而課程設計可以把材料力學知識與專業(yè)需要結(jié)合起來。4、 綜合運用以前所學的各門課程的知識（高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言等），使相關(guān)學科的知識有機地聯(lián)系起來。二、課程設計的任務和要求 要系統(tǒng)復習材料力學課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判 斷設計題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖， 列出理論依據(jù)并導出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機給出計 算結(jié)果，并完成設計計算說明書。三、設計計算說明書的要求 設計計算說明書是該題目設計思想、設計方法和設計結(jié)果的說明，要求書寫工整，語言簡練

4、，條理清晰、明確，表達完整。具體內(nèi)容應包括：1. 設計題目的已知條件、所求及零件圖。2. 畫出構(gòu)建的受力分析計算簡圖，按比例標明尺寸、載荷及支座等。3. 靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應的全部求解過程。4. 畫出全部內(nèi)力圖，并標明可能的各危險截面。5. 危險截面上各種應力的分布規(guī)律圖及由此判斷各危險點處的應力狀態(tài)圖。6. 各危險點的主應力大小及主平面位置。7. 選擇強度理論并建立強度條件。8. 列出全部計算過程的理論依據(jù)、公式推導過程以及必要的說明。9. 對變形及剛度分析并寫明所用的能量法計算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖。10. 疲勞強度計算部分要說明循環(huán)特性，的計算，所查k，各

5、系數(shù)的依據(jù)，疲勞強度校核過程及結(jié)果，并繪制構(gòu)件的持久極限曲線。四、分析討論及說明部分的要求 1.分析計算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進措施。2.提出改進設計的初步方案及設想。3.提高強度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。五、程序計算部分的要求1. 程序框圖。2. 計算機程序（含必要的語言說明及標示符說明）。3. 打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫在設計說明書上）。六、設計題 某柴油機曲軸材料為球墨鑄鐵（qt400-10），=120mpa，曲柄臂抽象為矩形（如圖），h=1.2d，b/h=2/3（左、右臂尺寸相同），l=1.5e，l4=0.5l。（一）要求：1. 畫出曲軸的內(nèi)力圖。2. 按照強度條件設計主軸頸d

6、和曲軸頸的直徑d。3. 校核曲柄臂的強度。4. 安裝飛輪處為鍵槽，校核主軸頸的疲勞強度，取疲勞安全系數(shù)n=2。鍵槽為端銑加工，軸頸表面為車削加工，-1=160mpa,。5. 用能量法計算a端截面的轉(zhuǎn)角,。（2） 設計數(shù)據(jù)（表7-12中第16組數(shù)據(jù)）f/knw/knl1/mml2/mml3/mme/mm(°)206.8360230130100127、 設計內(nèi)容 外力分析在xoy平面內(nèi)：mb=0 fay =3119n（下）ma=0 fby =5761n（上）在xoz平面內(nèi)： mb=0 faz=7626n（外） ma=0 fbz =11937n（外） （一） 內(nèi)力圖 畫出內(nèi)力圖。不計彎曲切

7、應力（故未畫剪力圖），彎矩圖畫在受壓處。根據(jù)內(nèi)力圖，確定危險截面。1. 對于主軸頸危險點可能是圖中d點，則d點處受彎曲和扭轉(zhuǎn)，有： md1x = = 1565n·m md1y =2030n·m md1z =1061n·m2. 曲柄頸中間截面c最危險，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲,有：mcx = 610 n·m mcy =2898n·m mcz =1123n·m3. 曲柄臂受到軸力作用，危險點可能也是圖中d或e點，有: md2x = 1565n·m mex=610n·m md2y =2030n·m mey=2288n&

8、#183;m md2z =1061n·m mez=936n·m fnd =1039n fne=3119n（二）設計主軸頸直徑d和曲軸頸直徑d 1.校核主軸頸d主軸頸的危險截面為d處，進行校核。根據(jù)主軸頸的受力狀態(tài)用第三強度理論計算= 其中= 120mpa 求得d61.75mm 則d=70mm 2.校核曲軸頸直徑d 在曲軸頸上，危險截面位于中間截面c處，對此處進行分析，受兩向彎曲和扭轉(zhuǎn)作用。根據(jù)受力情況，同樣應用第三強度理論進行校核，有：=m= 其中=求得d63.58mm 即d=64mm 則有d=70mm，d=64mm h=84mm, b=56mm(三)校核曲柄臂的強度 由題

9、可得：h/b=3/2 經(jīng)查表可得，=0.231 =0.196 =0.858曲柄臂的危險截面為矩形截面，且受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力作用（不計剪力），曲柄臂上的危險截面可能為c端或者e端，分別對其進行檢驗。左臂，即檢驗頂端e處。根據(jù)應力分布圖可判定出可能的危險點為，。點： 點處于單向拉伸應力狀態(tài)= = =31.245mpa< 所以點滿足強度條件。 點： 點處于二向應力狀態(tài)，存在扭轉(zhuǎn)切應力 = 37.600mpa 點的正應力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的 = =21.982mpa 由第三強度理論 所以點滿足強度條件。點： 點處于二向應力狀態(tài) = = 9.926 mpa 根據(jù)第三強度理論 =65

10、.281mpa< 所以點滿足強度條件。即e處截面強度滿足條件 右臂，即檢驗底端d處。根據(jù)應力分布圖可判定出可能的危險點為，。點: 處于單向壓縮，正應力為代數(shù)和。 = =28.013mpa < 故點安全點: 點有扭轉(zhuǎn)切應力， = = = 33.360mpa 點的正應力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的 = = 24.387mpa 根據(jù)第三強度理論 =71.870mpa < 故點安全點： 與點相類似，正應力為軸向力和繞 y軸的彎矩共同引起的，即 = =28.623mpa = = 23.985mpa = 62.068mpa < 故點安全。即e處截面強度滿足條件。 綜上，曲柄臂滿

11、足強度條件（四）校核主軸頸的疲勞強度由題意查得球墨鑄鐵 查表得 已知 由零件圖可知，鍵槽處有扭轉(zhuǎn)切應力，無彎曲正應力，工作時切應力基本不變，但機器時開時停，可視為脈動循環(huán)。 = = 23.23mpa = 11.62mpa切應力是動脈循環(huán)，用以下公式進行疲勞強度校核 = 4 > n = 2 故安全（五）用能量法計算a-a截面的轉(zhuǎn)角,采用圖乘法分別求解a-a截面的轉(zhuǎn)角,。 1.求：在截面a加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖 與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受拉一側(cè)）： =0.0096 rad=0.550 2.求： 在截面a加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖。 與外載荷

12、作用下的彎矩圖如下（畫在受壓一側(cè)）： 查表得 =0.0036 rad=0.206（六）計算機程序#include<stdio.h>#include<math.h>#define pi 3.1415926#define n 2#define i 120e6#define e 150e9int main() /主函數(shù)int angle,d,d;double temps,tempc,fy,fz,mx,e,l,l1,l2,l3,l4,f,fay,faz,fby,fbz,w,mcz,mfz,mhz,mcy,mfy,mhy,mdx,mfx,mx1,my1,mz1,mx2,my2,m

13、z2,dd,g,f,dd,h,b,a,s1,s2,s3,t2,t3,a,sr2,sr3,r,s11,s22,s33,t22,t33,sr22,sr33,tmax,tmin,r,tm,ta,nt,t,kt,et,b,pt;printf("請輸入f,alfa,w,l1,l2,l3,en");printf("f單位為kn，f=");scanf("%lf",&f);printf("w單位為kn,w=");scanf("%lf",&w);printf("l1單位為m,l1=&qu

14、ot;);scanf("%lf",&l1);printf("l2單位為m,l2=");scanf("%lf",&l2); /輸入數(shù)據(jù)printf("l3單位為m,l3=");scanf("%lf",&l3);printf("e單位為m,e=");scanf("%lf",&e);printf("alfa單位為度，alfa=");scanf("%d",&angle);temps=s

15、in(12*pi/180); tempc=cos(12*pi/180);fy=f*temps; /求兩個方向分力fz=f*tempc;mx=fz*e;printf("fy=%lfnfz=%lfnmx=%lfn",fy,fz,mx);fbz=fz*l1/(l1+l2);fby=(w*(l1+l2+l3)-fy*l1)/(l1+l2);faz=l2*fz/(l1+l2); /求各點支座反力fay=(fy*l2+w*l3)/(l1+l2);printf("支座反力(單位kn):nfay=%lfnfaz=%lfnfby=%lfnfbz=%lfn",fay,faz

16、,fby,fbz); l=1.5*e;l4=0.5*l;mcz=fay*(l1-l/2);mfz=w*(l2+l3-l/2)-fby*(l2-l/2);mhz=fay*l1;mcy=faz*(l1-l/2);mfy=fbz*(l2-l/2);mhy=faz*l1;mdx=faz*e;mfx=fz*e;printf("力矩(單位kn/m):nmcz=%fnmfz=%fnmhz=%fnmcy=%fnmfy=%fnmhy=%fnmdx=%fnmfx=%fn",mcz,mfz,mhz,mcy,mfy,mhy,mdx,mfx); /輸出各點在各個方向的力矩f=sqrt(mfx*mfx

17、+mfy*mfy+mfz*mfz);g=32*f/(pi*i);dd=pow(g,1.0/3.0); /根據(jù)第三強度理論，計算d的最小值f=sqrt(mdx*mdx+mhy*mhy+mhz*mhz);g=32*f/(pi*i);dd=pow(g,1.0/3.0); /根據(jù)第三強度理論，計算d的最小值printf("d=%.5lfm,d=%.5lfmn",10*dd,10*dd);d=(int)(1000*dd);d=(int)(1000*dd);if(d%2=0) d=d+2; /d取整取偶else d=d+1;if(d%2=0) d=d+2;else d=d+1; /d取

18、整取偶printf("故d取%dmm,d取%dmm n",10*d,10*d);a=0.231;r=0.858;h=1.2*(double)d/1000;b=2*h/3;a=h*b;s1=fay/a+faz*e*6/(h*h*b)+fay*6*(l1-l4)/(b*b*h); /校核左曲軸臂d1點強度 printf("sr1=%.2lfpa,",s1);s2=fay/a+fay*(l1-l4)*6/(b*b*h); t2=faz*(l1-l4)/(a*h*b*b);sr2=sqrt(s2*s2+4*t2*t2); /校核左曲軸臂d2點強度printf(&

19、quot;sr2=%lfpa,",sr2);t3=r*t2;s3=fay/a+faz*e*6/(h*h*b);sr3=sqrt(s3*s3+4*t3*t3); /校核左曲軸臂d3點強度printf("sr3=%lfpan",sr3);if(s1<=i&&sr2<=i&&sr3<=i)printf("左曲軸臂安全n");s11=(w-fby)/a+mfx*6/(h*h*b)+mfz*6/(h*b*b); /校核右曲軸臂d1點強度printf("sr11=%lfpa,",s11)

20、;s22=(w-fby)/a+mfz*6/(h*b*b);t22=mfy/(a*h*b*b);sr22=sqrt(s22*s22+4*t22*t22); /校核右曲軸臂d2點強度printf("sr22=%lfpa,",sr22);s33=(w-fby)/a+mfx*6/(h*h*b);t33=r*t22;sr33=sqrt(s33*s33+4*t33*t33); /校核右曲軸臂d3點強度printf("sr33=%lfpan",sr33);if(s11<=i&&sr22<=i&&sr33<=i)printf("右曲軸臂安全n");kt=1.2;et=0.76;b=0.95;pt=0.05;t=160e6;tmax=mx*16/(pi*(double)d/1000)*(double)d/1000)*(double)d/1000);tmin=0