材料力學(xué)課程設(shè)計曲柄軸的強(qiáng)度設(shè)計、疲勞強(qiáng)度校核及剛度計算

1、材料力學(xué)課程設(shè)計設(shè)計計算說明書序號：160圖號及數(shù)據(jù)號：7716設(shè)計題目：曲柄軸的強(qiáng)度設(shè)計、疲勞強(qiáng)度校核及剛度計算學(xué)生學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： 2011年10月12日目錄一、材料力學(xué)課程設(shè)計的目的2二、材料力學(xué)課程設(shè)計的任務(wù)和要求2三、設(shè)計題目41、設(shè)計題目42、曲柄軸力學(xué)模型43、設(shè)計數(shù)據(jù)(表7-12中第16組數(shù)據(jù))5四、設(shè)計內(nèi)容41、曲柄軸內(nèi)力圖42、按強(qiáng)度條件設(shè)計主軸頸D和曲柄頸的直徑d53、校核曲柄臂的強(qiáng)度74、校核主軸頸的疲勞強(qiáng)度95、用能量法計算A端截面轉(zhuǎn)角,9五、改進(jìn)措施10六、設(shè)計體會11七、參考文獻(xiàn)11八、附件（編程與運算結(jié)果）11附錄：力和支座反力求解11一、材料力學(xué)課程

2、設(shè)計的目的本課程設(shè)計的目的是在于系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)之后，能結(jié)合工程中的實際問題，運用材料力學(xué)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(dá)到綜合運用材料力學(xué)的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使學(xué)生將材料力學(xué)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；既把以前所學(xué)的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機(jī)和材料力學(xué)等）綜合運用，又為后繼課程（機(jī)械設(shè)計、專業(yè)課等）打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程中的設(shè)計思想和設(shè)計方法，對實際工作能力有所提高。具體的有以下六項：1、使學(xué)生的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化、完整化；2、在系統(tǒng)全面

3、復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運用材料力學(xué)知識解決工程中的實際問題；3、由于選題力求結(jié)合專業(yè)實際，因而課程設(shè)計可以把材料力學(xué)知識和專業(yè)需要結(jié)合起來；4、綜合運用了以前所學(xué)的個門課程的知識（高數(shù)、制圖、理力、算法語言、計算機(jī)等等）使相關(guān)學(xué)科的知識有機(jī)地聯(lián)系起來；5、初步了解和掌握工程實踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法；6、為后繼課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。二、材料力學(xué)課程設(shè)計的任務(wù)和要求要求參加設(shè)計者，要系統(tǒng)地復(fù)習(xí)材料力學(xué)的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷、設(shè)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)和導(dǎo)出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機(jī)給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。1、設(shè)計計算說明書

4、的要求 設(shè)計計算說明書是該題目設(shè)計思想、設(shè)計方法和設(shè)計結(jié)果的說明。要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：（1）設(shè)計題目的已知條件、所求及零件圖；（2）畫出構(gòu)件的受力分析計算簡圖，按比例標(biāo)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(yīng)的全部求解過程；（4）畫出全部內(nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險截面；（5）危險截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點處應(yīng)力狀態(tài)圖；（6）各危險點的主應(yīng)力大小及主平面位置；（7）選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件；（8）列出全部計算過程的理論根據(jù)、公式推導(dǎo)過程以及必要的說明；（9）對變形及剛度分析要寫明所用的能量法計算過

5、程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖；（10）疲勞強(qiáng)度計算部分要說明循環(huán)特征，的計算，所查各系數(shù)的依據(jù)，并繪出構(gòu)件的持久極限曲線，疲勞強(qiáng)度校核過程及結(jié)果。2、分析討論及說明部分的要求（1）分析計算結(jié)果是否合理，并分析其原因，改進(jìn)措施；（2）提出改進(jìn)設(shè)計的初步方案及設(shè)想；（3）提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。3、材料力學(xué)課程設(shè)計中的體會和收獲、希望、要求、建議等4、程序計算部分的要求（1）程序框圖；（2）計算機(jī)程序（含必要的語言說明及標(biāo)識符說明）；（3）打印結(jié)果（結(jié)果數(shù)據(jù)要填寫到設(shè)計計算說明書上）。5、材料力學(xué)課程設(shè)計的一般過程材料力學(xué)課程設(shè)計與工程中一般設(shè)計過程相似。從分析設(shè)計方案開始到進(jìn)行必要的計

6、算和對結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行分析，最后的結(jié)論，希望同學(xué)們計劃好時間，避免前松后緊甚至不能按時完成設(shè)計任務(wù)。材料力學(xué)課程設(shè)計可大致分為以下幾個階段：（1）設(shè)計準(zhǔn)備階段認(rèn)真閱讀材料力學(xué)課程設(shè)計指導(dǎo)書。明確設(shè)計要求、結(jié)合設(shè)計題目復(fù)習(xí)材料力學(xué)的有關(guān)理論知識，制定設(shè)計的步驟、方法和時間分配等；（2）外力及變形分析入手，分析計算內(nèi)力、應(yīng)力及變形、繪制各種內(nèi)力圖及位移、轉(zhuǎn)角曲線；（3）建立強(qiáng)度、剛度條件并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計計算必要的公式推導(dǎo)；（4）編制計算機(jī)程序并調(diào)通程序；（5）上機(jī)計算機(jī)并打印出結(jié)果；（6）整理數(shù)據(jù)結(jié)果并書寫設(shè)計計算說明書；（7）分析討論設(shè)計和計算的合理性、優(yōu)缺點及改進(jìn)意見和措施；（8）課程設(shè)計總結(jié)

7、、準(zhǔn)備答辯。三、設(shè)計題目1、設(shè)計題目某曲柄軸材料為球墨鑄鐵（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, =1.5l, (1) 畫出曲柄軸的內(nèi)力圖。(2)按強(qiáng)度條件設(shè)計主軸頸D和曲柄頸的直徑d。(3)校核曲柄臂的強(qiáng)度。(4)安裝飛輪處為鍵槽，校核主軸頸的疲勞強(qiáng)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，=160MPa, =0.05, =0.76.(5）用能量法計算A端截面轉(zhuǎn)角, 2、設(shè)計數(shù)據(jù)(表7-12中第16組數(shù)據(jù))F/kNW/kN/mm/mm/mme/mm()206.8360230130801

8、2四、設(shè)計內(nèi)容1、曲柄軸的內(nèi)力圖由圖可以看出，外力F作用于yoz平面，將外力F分解成沿y軸，z軸的力，并進(jìn)行受力分析2、軸的彎矩圖和扭矩圖其中F=20kN,W=6.8 kN，L=120mm, L4 =60mm；Fy=Fsin=4158N，F(xiàn)z=Fcos=19563N；FAy=3119N, FBy =5761N ；FAz =7626N, FBz =11937N；MX=1568N·m；首先計算xoy平面內(nèi)的力和力矩MA=0, L1* Fy + (L1+ L2 )FBy -( L1+ L2 + L3 ) W =0； MB=0, - (L1+ L2 ) * FAy + (L1- L4 )Fy

9、 + L3 *W=0；F=0；Fy+FBy=FAy+W；解得FAy =3119N, FBy =5761N；計算XOZ平面內(nèi)的力 F=0，F(xiàn)z= FBz +FAz；解得：=7626N, =11937N；根據(jù)受力情況畫出彎矩圖和扭矩圖：按強(qiáng)度條件設(shè)計主軸頸D和曲柄頸的直徑d由彎矩圖和扭矩圖可以看出來，主軸頸的危險截面是D處，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲。D截面處：曲柄軸中間截面處最危險， 受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲：因為主軸受到彎和扭，因此屬于彎扭組合問題，可以采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行計算： 解得同理，曲柄頸的強(qiáng)度計算，仍用第三強(qiáng)度理論 解得因此選取D為70mm,d為65mm.所以h=1.2D=84mm,b=56mm.3、

10、曲柄臂的強(qiáng)度計算曲柄臂的危險截面為矩形截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎矩及軸力作用（不計剪力）。為確定危險點的位置，畫出曲柄臂上截面的應(yīng)力分布圖。根據(jù)應(yīng)力分布圖，可以判定處可能的危險點有D1 、D2 、D3 三點。圖一：圖二：對D1 點進(jìn)行應(yīng)力分析。由于D1 處于單向壓縮，所以為正應(yīng)力的代數(shù)疊加。即 所以D1 安全。對D2 點進(jìn)行應(yīng)力分析。D2 點有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，查表31得， D2 點的正應(yīng)力為軸力和繞z軸的彎矩共同引起的，即由于D2 點處于二向應(yīng)力狀態(tài)，故選第三強(qiáng)度理論計算D3 點與D2 點相似，正應(yīng)力為軸力和繞x軸的彎矩共同引起的，即代入，因為D3 點的切應(yīng)力和正應(yīng)力均比D2 點小，故曲柄臂滿足強(qiáng)度條件

11、。4、對主軸頸進(jìn)行疲勞校核安裝飛輪處為鍵槽，校核主軸頸的疲勞強(qiáng)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，=160MPa, =0.05, =0.76.由零件圖可知，鍵槽處有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力無彎曲正應(yīng)力。由于機(jī)器時開時停，或正傳或反轉(zhuǎn)，所以（扭轉(zhuǎn)）切應(yīng)力時有時無，可以視為脈動循環(huán)變化。 ，；切應(yīng)力是脈動循環(huán)，故用以下公式進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的校核：n=根據(jù)題意，查表得，, , 代入數(shù)據(jù)計算得安全5、用能量法計算轉(zhuǎn)角在計算撓度的時候采用圖形互乘法。Y,Z軸上的轉(zhuǎn)角， ，= 五、改進(jìn)措施 根據(jù)疲勞破壞的分析，裂紋源通常是在有應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生，而且構(gòu)件持久極限的降低，很大程度是由于各種影響因素帶

12、來的應(yīng)力集中影響。因此設(shè)法避免或減弱應(yīng)力集中，可以有效提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度?？梢詮囊韵聨讉€方面來提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度：1、構(gòu)件截面改變越激烈，應(yīng)力集中系數(shù)就越大。因此工程上常采用改變構(gòu)件外形尺寸的方法來減小應(yīng)力集中。如采用較大的過渡圓角半徑，使截面的改變盡量緩慢，如果圓角半徑太大而影響裝配時，可采用間隔環(huán)。設(shè)計構(gòu)件外形時，應(yīng)盡量避免帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然變化處（階梯軸），當(dāng)結(jié)構(gòu)需要直角時，可在直徑較大的軸段上開卸載槽或退刀槽減小應(yīng)力集中；當(dāng)軸與輪轂采用靜配合時，可在輪轂上開減荷槽或增大配合部分軸的直徑，并采用圓角過渡，從而可縮小輪轂與軸的剛度差距，減緩配合面邊緣處的應(yīng)力集中。2、一般說，

13、構(gòu)件表層的應(yīng)力都很大，例如在承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件中，其最大應(yīng)力均發(fā)生在構(gòu)件的表層。同時由于加工的原因，構(gòu)件表層的刀痕或損傷處，又將引起應(yīng)力集中。因此，對疲勞強(qiáng)度要求高的構(gòu)件，應(yīng)采用精加工方法，以獲得較高的表面質(zhì)量。特別是對高強(qiáng)度鋼這類對應(yīng)力集中比較敏感的材料，其加工更需要精細(xì)。3、增加表層強(qiáng)度：常用的方法有表面熱處理和表面機(jī)械強(qiáng)化兩種方法?？刹捎酶哳l淬火等熱處理，滲碳、氮化等化學(xué)處理和機(jī)械方法（如噴丸等）強(qiáng)化表層，以提高疲勞強(qiáng)度。六、設(shè)計體會1、課程設(shè)計開始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學(xué)習(xí)不夠扎實的我深感“書到用時方恨少”。于是重拾教材，對知識系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，終于熟練掌握了基本理論

14、知識，而且領(lǐng)悟諸多平時學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識，學(xué)會了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計的靈感。 2、在對理論知識梳理掌握之后，茅塞頓開，仔細(xì)閱讀教材，更發(fā)現(xiàn)有類似例題，對自己的解題思路有很大的幫助。 3、“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，自從耳聞以來，便一直是馬克思主義中國化生成的教條。時至今日，課程設(shè)計告成，才切身領(lǐng)悟“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，才明曉實踐出真知。因為在教材上，我們運用材料力學(xué)不過是算算題，掌握掌握基礎(chǔ)知識；在自己動手設(shè)計時，就出現(xiàn)了諸多問題，譬如計算的困難、定理的運用等等。不為則不知，無為則無知，實踐出真知。 4、創(chuàng)新與探索?！皠?chuàng)新”目前在我國已經(jīng)提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略地位，足見

15、“創(chuàng)新”的舉足輕重。我國在大飛機(jī)和航空母艦問題上，由于核心技術(shù)無法突破，因此沒有實質(zhì)性的進(jìn)展。因此，我們要從小處著手，順應(yīng)時代發(fā)展潮流，在課程設(shè)計中不忘探索。未必成功，只要實現(xiàn)創(chuàng)新思維培育和探索即可。 七、參考文獻(xiàn)1聶毓秦，孟廣偉.材料力學(xué)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20042聶毓秦，吳宏.材料力學(xué)實驗與課程設(shè)計.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20063譚浩強(qiáng)，C程序設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，2006八、附件（編程與運算結(jié)果）附錄：力和支座反力求解using System;using System.Collections.Generic;using System.ComponentModel;usin

16、g System.Data;using System.Drawing;using System.Text;using System.Windows.Forms;namespace MechanicsOfMaterials public partial class Form1 : Form public Form1() InitializeComponent(); private void groupBox1_Enter(object sender, EventArgs e) private void 查看計算公式ToolStripMenuItem_Click(object sender, Ev

17、entArgs e) Form2 f2 = new Form2(); f2.ShowDialog(); private void button2_Click(object sender, EventArgs e) textBox5.Text = "" textBox6.Text = "" private void button1_Click(object sender, EventArgs e) #region 數(shù)據(jù)初始化 double paramF = Convert.ToDouble(this.F_box.Text); double paramW =

18、 Convert.ToDouble(this.W_box.Text); double paramL1 = Convert.ToDouble(this.L1_box.Text); double paramL2 = Convert.ToDouble(this.L2_box.Text); double paramL3 = Convert.ToDouble(this.L3_box.Text); double paramAlpha = Convert.ToDouble(this.alpha_box.Text); double paramE = Convert.ToDouble(this.e_box.Text); double paramL = 1.5*paramE; double paramL4 = 0.5*paramL; #endreg