材料力學(xué)課程設(shè)計單缸柴油機曲軸強度設(shè)計及剛度計算、疲勞強度校核

1、答辯成績設(shè)計成績材料力學(xué)課程設(shè)計說明書設(shè)計題目單缸柴油機曲軸強度設(shè)計及剛度計算、疲勞強度校核題 號7.2數(shù)據(jù)II-8學(xué) 號作業(yè)編號姓 名指導(dǎo)教師前言>>>材料力學(xué)課程設(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、

2、計算機和材料力學(xué)等)綜合運用.又為后繼課程(機械設(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、計算機等等)使相關(guān)學(xué)科的知識有機地聯(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)>>>材料力學(xué)課程設(shè)計的任務(wù)和要求<<<

3、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.通過計算機給出計算結(jié)果.并完成設(shè)計計算說明書.>>>材料力學(xué)課程設(shè)計的一般過程<<<材料力學(xué)課程設(shè)計與工程中的一般設(shè)計過程相似.從分析設(shè)計方案開始到進行必要的計算.并對結(jié)構(gòu)的合理性進行分析.最后得出結(jié)論.材料力學(xué)設(shè)計過程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)課程設(shè)計的有關(guān)理論知識.制定設(shè)計步驟、方法以及時間分配方案

4、等;2.從外力變形分析入手,分析及算內(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.建立強度和剛度條件.并進行相應(yīng)的設(shè)計計算及必要的公式推導(dǎo);4.編制計算機程序并調(diào)試;5.上機計算,記錄計算結(jié)果;6.整理數(shù)據(jù),按照要求制作出設(shè)計計算說明書;7.分析討論設(shè)計及計算的合理性和優(yōu)缺點,以及相應(yīng)的改進意見和措施;目錄設(shè)計題目 單缸柴油機曲軸強度設(shè)計及剛度計算、疲勞強度校核 .1設(shè)計過程 .2 1.外力分析 .2 2.內(nèi)力分析 .2 3.設(shè)計d和D .4 4.設(shè)計h和b并校核曲柄臂強度 .4 5.H-H截面處疲勞強度校核 .5 6.能量法計算A-A截面轉(zhuǎn)角y和z .6 7.改進措施 .8設(shè)計體會與

5、總結(jié) .8附錄 計算機程序設(shè)計 .9參考文獻 .12設(shè)計題目單缸柴油機曲軸強度設(shè)計及剛度計算、疲勞強度校核某柴油機曲軸可簡化為如圖1所示的結(jié)構(gòu).材料為球墨鑄鐵(牌號QT450-5. s=324MPa. b=450MPa. =5%).彈性常數(shù)為E和.許用應(yīng)力為.G處輸入轉(zhuǎn)距為Me.曲軸頸中點受切向力Ft和徑向力Fr的作用.且Ft=2Fr.曲柄臂簡化為矩形截面. 1.4h/D1.6. 2.5h/b4. l3=1.2r.有關(guān)數(shù)據(jù)見表1l1/ml2/mE/GPa/MPa-1/MPaP/kWn/(r/min)r/m0.110.181500.271201800.780.0515.73200.06表11-曲

6、軸頸 2-曲柄臂 3-主軸頸圖1 單缸柴油發(fā)動機曲軸簡化圖要求:1.畫出曲軸的內(nèi)力圖;2.設(shè)計d和D;3.設(shè)計h和b,校核曲柄臂強度;4.校核主軸H-H截面處的疲勞強度.取疲勞安全系數(shù)n=2.鍵槽為端銑加工.主軸頸表面為車削加工;5.用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角y、z.設(shè)計過程>>>1.外力分析<<<曲軸所受外力圖如圖2所示.求主動力力矩又平面內(nèi),求支反力>>>2.內(nèi)力分析<<<分別分析AB,BC,CD,DE段的受力,得各段所受的軸力和彎矩,綜合得曲軸所受彎矩圖如圖3所示,軸力圖如圖4所示.圖3-a Mx圖圖3-b My圖

7、圖3-c Mz圖圖3 曲軸所受彎矩分布圖(單位均為N·m)圖4 曲軸所受軸力分布圖(單位為N)>>>3.設(shè)計d和D <<<由圖3和圖4知,主軸頸上E處截面為危險截面;曲軸頸上CD中點處截面為危險截面.兩個危險截面的危險點均受兩向彎曲和扭轉(zhuǎn).球墨鑄鐵為塑性材料.根據(jù)第三強度理論,對于受彎扭組合變形的圓形截面軸.強度條件為:代入圖4中的數(shù)據(jù),得:取>>>4.設(shè)計h和b并校核曲柄臂強度<<<由圖4知,曲柄臂上E點所在截面為危險截面,受兩向彎曲、扭轉(zhuǎn)和軸向壓縮(剪力FQ的影響不計).危險截面的應(yīng)力分布如圖5所示.由圖5知

8、可能的危險點為D1,D2 ,D3.圖5 曲柄臂上危險截面的應(yīng)力分布參照材料力學(xué)圖8-25所作;這部分的解題過程參照材料力學(xué)例8-7對D1點進行應(yīng)力分析.由圖5知D1點只受壓應(yīng)力作用.對D2點進行應(yīng)力分析.由圖5知D2點受壓應(yīng)力和切應(yīng)力共同作用.對D3點進行應(yīng)力分析.由圖5知D3點受壓應(yīng)力和切應(yīng)力共同作用.由第三強度理論,強度條件為根據(jù)題目要求和強度條件編寫程序(見附錄).由程序得得合適的h、b的值為對應(yīng)的系數(shù)分別為校核曲柄臂強度:將程序算得的值代回得由此得出結(jié)論:曲柄臂滿足強度條件>>>5.H-H截面處疲勞強度校核<<<由圖4知,H-H截面處危險點的最大工作

9、應(yīng)力鍵槽為端銑加工,主軸頸表面為車削加工.由材料力學(xué)圖13-10估得,由材料力學(xué)表13-3得在最危險的對稱循環(huán)工況下,安全系數(shù)由此得出結(jié)論:H-H截面的疲勞強度足夠.>>>6.能量法計算A-A截面轉(zhuǎn)角y和z<<<利用圖形互乘法求解忽略剪力和軸力的影響.1)求y:在A點處施加一繞y軸的單位力偶,得該單位力偶作用下的彎矩圖如圖6所示.圖6 單位力偶作用下曲軸所受彎矩分布圖圖6和圖3-b互乘,得其中代入得2)求z:在A點處施加一繞z軸的單位力偶,得彎矩和軸力分別如圖7和圖8所示.圖7 單位力偶作用下曲軸所受彎矩分布圖圖7和圖3-c互乘,得其中(b)(h)代入(a)

10、解得>>>7.改進措施<<<· 合理安排施加在曲軸讓的載荷,在機械結(jié)構(gòu)允許的情況下,將集中載荷適當(dāng)分散,或者讓集中力盡量靠近支座;改善結(jié)構(gòu)形式,合理設(shè)計和布置支座并盡量縮小曲軸的跨度;選擇和里的截面形狀以及材料.這些都可以提高曲軸的彎曲剛度.材料力學(xué)§6-5· 減少應(yīng)力集中,在設(shè)計時盡量避免出現(xiàn)帶尖角的孔、槽等結(jié)構(gòu),而應(yīng)采用圓角過渡.尤其是曲柄臂與主軸頸/曲軸頸的連接處容易發(fā)生破壞,所以應(yīng)當(dāng)用曲率半徑較大的圓角.· 增大構(gòu)件的表層強度,以提高構(gòu)建疲勞強度.這可以從兩個方面實現(xiàn):一是提高加工質(zhì)量,以降低表面粗糙度,并避免

11、工藝缺陷(夾渣、氣孔、裂縫等)引起的嚴(yán)重應(yīng)力集中;二是對曲軸應(yīng)力集中的部位如鍵槽處進行表面熱處理或化學(xué)處理,如采取表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等工藝,是構(gòu)件表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,減少表面出現(xiàn)裂紋的機會.材料力學(xué)§13-9設(shè)計體會與總結(jié)經(jīng)過長時間的努力,我在力學(xué)老師的指導(dǎo)和課本的參考下,完成了全部設(shè)計過程.通過此次課程設(shè)計,我加深了對材料力學(xué)知識的理解和實際運用能力,鞏固了之前學(xué)習(xí)的課程知識;熟練掌握了對辦公軟件LibreOffice 、三維CAD軟件CATIA、二維CAD軟件DraftSight和C語言的應(yīng)用;了解了論文的標(biāo)準(zhǔn)格式;學(xué)習(xí)了答辯的相關(guān)知識及技巧.為日后的學(xué)習(xí)工作打下了基

12、礎(chǔ).附錄 計算機程序設(shè)計根據(jù)材料力學(xué)表3-1,由線性插值法得出、關(guān)于h/b的大致函數(shù)關(guān)系式:由強度條件和題目要求,設(shè)計程序框圖如下由Structorizer生成:關(guān)于變量符號的說明:題目中的符號程序中的符號alphabetanusigma_D1sigma_D2sigma_D3題目中的符號程序中的符號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經(jīng)算出的情況下計算h和b*/void main()void calculate(double,do

13、uble,double *,double *,double *);/*聲明計算,的函數(shù)*/double convert_integer(double);/*聲明將h,b化整的函數(shù)*/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 *_alpha=&alpha,*_beta=&beta,*_nu

14、=&nu;double *_alpha1=&alpha1,*_beta1=&beta1,*_nu1=&nu1;char i;doprintf("請輸入計算所需要的數(shù)據(jù)n");printf("主軸頸直徑D(單位mm)tt");scanf("%lf",&D);printf("許用應(yīng)力(單位MPa)tt");scanf("%lf",&sigma_safe);printf("危險截面處的軸力F_N(單位N)t");scanf("

15、;%lf",&F_N);printf("危險截面處的彎矩M_x(單位N·m)t");scanf("%lf",&M_x);printf("危險截面處的彎矩M_y(單位N·m)t");scanf("%lf",&M_y);printf("危險截面處的彎矩M_z(單位N·m)t");scanf("%lf",&M_z);printf("nD=%.0fmm,=%.1fMPa,F_N=%.1fN,M_x=%.

16、1fN·m,M_y=%.1fN·m,M_z=%.1fN·mn",D,sigma_safe,F_N,M_x,M_y,M_z);printf("確認(rèn)輸入無誤？Y/Ntt");scanf("%s",&i);printf("n*n");while(!(i='Y'|i='y');D=D/1000;sigma_safe=sigma_safe*1000000;/*計算過程中的所有物理量都化為標(biāo)準(zhǔn)單位(N,N·m,m,Pa).*/h=1.4*D;b=h/4;S_

17、min=h*b;/*給S_min存入一個初值*/for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h+=0.0001)/*精確到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_y/(b*b*h*alpha) ; tau_D3=nu*tau_D2;sig

18、ma2=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型可以保證小數(shù)點后14位準(zhǔn)確*/if(S<S_min) S_min=S; h1=convert_integer(h);b1=convert_integer(b);/*h,b化整*/ calculate(h1,b1,_alpha1,_beta1,_nu1); printf("合適的h,b取值分別為:nth=%.0fmmtb=%.0fmmn對