材料力學(xué)課程設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上呂梁學(xué)院材料力學(xué)課程設(shè)計 課題名稱 單杠柴油機曲軸的強度設(shè)計 及剛度計算、疲勞強度校核 院（系） 礦業(yè)工程系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 姓 名 雷震華 學(xué) 號 起訖日期 2015.5.25-2015.6.25 指導(dǎo)教師 李輝 2015年6月25日單杠柴油機曲軸的強度設(shè)計及剛度計算、疲勞強度校核摘要本文是在于系統(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

2、方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；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、計算機和材料力學(xué)等）綜合運用，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導(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。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。關(guān)鍵詞：曲軸彎曲 彎矩 扭矩 強度 剛度專心-專注-專業(yè)目錄第一章、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，以達到綜合運用材料力學(xué)的

3、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

4、（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)。第二章、設(shè)計題目某柴油機曲軸可以簡化為下圖所示結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵（QT450-5），彈性常數(shù)為E、µ，許用應(yīng)力為，G處輸入轉(zhuǎn)矩為Me，曲軸頸中點受切向力Ft、徑向力Fr的作用，且Fr=Ft2。曲柄臂簡化為矩形截面，1.4hD1.6,2.5hb4，l3=1.2r，有關(guān)數(shù)據(jù)如下表：要求：1.畫出曲軸的內(nèi)力圖；2設(shè)計曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D；3校核曲柄臂的強度；4校核主軸頸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

5、頸表面為車削加工；5用能量計算法A-A截面的轉(zhuǎn)角y，z。相關(guān)數(shù)據(jù)l1ml2mEGpaµMpa-1Mpa0.110.181500.27120180Pkwn（rmin）rml30.050.7815.73200.060.06第三章、設(shè)計內(nèi)容3.1 柴油機曲軸的內(nèi)力圖3.1.1受力分析簡圖（如圖一）3.1.2外力分析：(1)計算外力偶矩：Me=9549×pn=9549×15.7320=468.5 Nm(2)計算切向力Ft，徑向力FrFt=Mer=7808.30N Fr=Ft2=3904.15N(3)由平衡條件計算反力：在xOy平面：FAy=Frl2（l1+l2）=2423

6、.3NFFy=Frl1（l1+l2）=1480.90N在xOz平面:FAz=Ftl2l1+l2=4846.55NFFz=Ftl1l1+l2=2961.8N3.14、內(nèi)力分析畫出內(nèi)力圖（如圖二）。不計彎曲切應(yīng)力（故未畫剪力圖），彎矩圖畫在纖維受壓側(cè)。根據(jù)內(nèi)力圖確定危險截面。（單位：力-N，力矩-N·m） 軸頸以EF段的左端（1-1）截面最危險，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲M1x=Me=468.5Nm M1y=FFzl2-l32=444.3 NmM1z=FFyl2-l32=222.1 Nm 柄臂以DE段的下端（2-2）截面最危險，受扭轉(zhuǎn)兩向彎曲及壓縮M2x=Me=468.5 Nm M2y=FFzl2

7、-l32=444.3NmM2z=FFyl2-l32=222.1 Nm FN2=FFy=1480.90N 軸頸以CD段中間（3-3）截面K最危險，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲M3x=FAz×r=290.8NmM3y=FAz×l1=533.1NmM3z=FAy×l1=266.6Nm3.2 設(shè)計曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D(1)曲軸頸CD處于扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲的組合變形，對危險截面（3-3）應(yīng)用第三強度理論計算r3=2+4×2=1wM3x2+M3y2+M3z2 其中1w=32d3帶入數(shù)據(jù)得d38.3mm實際取d=40mm(2)主軸頸EF處于扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲的組合變形，對危險截面（

8、1-1）應(yīng)用第三強度理論計算r3=2+4×2=1wM1x2+M1y2+M1z2其中1w=32D3帶入數(shù)據(jù)得D38.7mm實際取D=40mm綜上，曲軸頸直徑40mm 主軸徑直徑 40mm3.3 校核曲柄臂的強度（1）設(shè)計h，b當(dāng)h和b在題設(shè)范圍內(nèi)變化，求解曲柄臂危險截面滿足強度條件且截面面積h×b最小時的h和b，即為h，b的最佳值。具體求解可通過C程序得到，計算機程序見5.2通過程序可得最佳h=57.81mm b=23.11mm查P70表得=0.258 v=0.767 =0.249（2）求解危險點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（這里不計剪力FQ的作用

9、）。為確定危險點的位置，畫出曲柄臂上的危險截面（2-2）應(yīng)力分布圖（如圖三）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。 D1點進行力分析。由于D1點處于單 向壓縮，所以為正壓力的代數(shù)疊加，即(圖四)=FN2A2+M2xw2x+M2zw2z =FFy（hb）+6×Me（h2b）+6×M2z（hb2）=80.66Mpa<所以D1點安全 對D2點進行應(yīng)力分析。D2點有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，=M2y（hb2）=58.53MpaD2點的正應(yīng)力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的，即=FN2A2+M2zw2z=FFy（hb）+6×M2z（hb2）=44.27Mpa

10、r3=2+4×2=119.98Mpa又125.61-×100%=4.637%<5%所以D2點安全 D3點處于二向應(yīng)力狀態(tài)1=v×max=0.767×58.53=44.27Mpa=FN2A2+M2xw2x=FFy（hb）+6×Me（h2b）=37.50Mpar3=2+4×2=93.39Mpa所以D3點安全綜上，D1,D2,D3三點都安全，即危險截面強度足夠。曲柄臂滿足強度條件。3.4 校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度曲軸材料為球墨鑄鐵（QT450-5）， 即b=450Mpa端銑加工鍵槽車削加工表面，查P369可得 K=1.29 =

11、0.9438已知 -1=180Mpa =0.78 =0.05 n=2FH處只受扭轉(zhuǎn)作用（忽略鍵槽對抗扭系數(shù)的影響wp的影響）min=-M1XWP=16×M1X(D3)=-37.3Mpar=minmax=-即扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)。m=12max+min=-18.6Mpa=12max-min=18.6Mpan=-1(K+m)=5.37>n=2所以H-H截面處的疲勞強度足夠。由=-1-2（-2）解得FH的持久極限-=342.86Mpa構(gòu)件的持久極限曲線（圖五）3.5 運用能量法計算A-A截面處的轉(zhuǎn)角y和zq運用圖解法求解y和z（1）求yq：在截面A-A處施加單位力偶My=1.彎矩圖M

12、y和單位力矩作用下的彎矩圖My如下（見圖六）EI1=ED464=150×109××404×10-1264=18849.56pam4EI3=Ed464=150×109××404×10-1264=18849.56pam4GIP=Ghb3=Ehb3（21+）=150×109×0.249×57.81×23.113×10-12（2（1+0.27）=10496.91pam4y=i=1niMci(EI1)+i=1niFNci（EA）=1EI11M1+8M8+1EI22M2+7M7

13、+1EA-9M9+10M10+1EI33M3+4M5+5M5+6M7=0.565+1.697-0.00032+0.601×103=5.058 ×10-3rad第四章、分析討論計算和設(shè)計4.1 對計算過要說明(1)所有圖線都是由AutoCAD2007軟件繪制。(2) 在畫內(nèi)力圖時，由于不計彎曲切應(yīng)力，故未畫剪力圖。(3) 在設(shè)計D,d和校核強度時，由于材料是球墨鑄鐵（QT450-5），其金屬性與鋼接近，塑性好，強度較高，且處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，故采用第三強度理論校核。(4) 在設(shè)計h、b的實際尺寸時，是通過程序在題設(shè)范圍1.4hD1.6,2.5hb4之間變化取值進行校核強度，直到

14、得出使截面積最 小的最佳結(jié)果。(5) 在校核H-H處的疲勞強度時，忽略了鍵槽對扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力max的影響。因此wp值不變，wp=D216。(6) 發(fā)動機曲軸應(yīng)力屬于脈動循環(huán)振動應(yīng)力，柴油機工作良好的情況下，可認為曲軸受到不變的轉(zhuǎn)動力矩，校核強度時，設(shè)曲軸工作在脈動循環(huán)下。4.2 改進設(shè)計的初步方案及設(shè)想（1）提高曲軸的彎曲強度在機械結(jié)構(gòu)允許的情況下，可改變l1,l2，將集中力盡量靠近支座或?qū)⒓休d荷適當(dāng)分散。另外，選擇合理的截面及合理的材料，可以選擇彈性模量較大的材料。（2）提高曲軸的彎曲剛度改變截面的形狀，鑄造曲軸可以采用空心工藝，不僅可以減小質(zhì)量消除一部分慣性，另外空心結(jié)構(gòu)也有助于提高剛度改善

15、結(jié)構(gòu)形式。其次，主軸頸應(yīng)盡量避免出現(xiàn)方形直角或帶有尖角的孔和槽，即在主軸頸和曲柄臂相連處應(yīng)采用半徑較大的過度圓角，這樣可以消除應(yīng)力集中，相對于帶尖叫孔槽的主軸強度剛度是較高的。（3）提高曲軸的疲勞強度設(shè)置平衡重，平衡發(fā)動機不平衡的離心力和離心力矩，可以減小曲軸工作時不平衡的振動，將脈動循環(huán)轉(zhuǎn)換為對稱循環(huán)，從而提高曲軸的疲勞強度。提高曲軸表面的強度，對曲軸中應(yīng)力集中的部位如鍵槽處應(yīng)采取某些工藝措施，即表面熱處理或化學(xué)處理，如表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等。第五章、設(shè)計體會通過這次的課程設(shè)計，我對材料力學(xué)有了更深一層的認識：材料力學(xué)是一門被各個工程廣泛應(yīng)用的學(xué)科，是通過理論與實驗來進行強度、剛度

16、、穩(wěn)定性以及材料的力學(xué)性能的研究。在保證安全、可靠、經(jīng)濟節(jié)省的前提下，為構(gòu)件選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，確定合理的截面形狀和尺寸，提供基本理論和計算方法。初步了解和掌握工程實踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法。這次的課程設(shè)計讓我深知理論與實際相結(jié)合的重要性，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。此外，我深深地體會到了僅僅掌握課本中的理論和方法是遠遠不夠的，工程實際中的一些問題要比想象的復(fù)雜的多，只有不斷地進行工程問題的分析和研究，從中獲得大量的寶貴經(jīng)驗，才能以最經(jīng)濟的代價、最合理的方法解決遇到的難題。此次課程設(shè)計讓我受益匪淺，設(shè)計中還有很多不足，希望老師批評指正。第六章、計算程序6.1計算機程序C程序核心為求解滿足題設(shè)及強度條

17、件下截面積最小時的b和h#include<math.h>#include<stdio.h>#define G 100 /為消除單位所設(shè)常數(shù)#define D 40 /D為主軸頸直徑#define Y 120 /=120kPamain() float Mz,My,Mx,F; /分別為曲柄臂所受扭矩彎矩和軸力 float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3; /分別 為 點的第三理論強度，點的321max321:DDDDDfloat h,b,h1,b1; float a,r; /即和 float s,m=1.6*D*0.4*1.6*D; /s為截面面積，m為題設(shè)允許最

18、大截面 printf("input Mx,My,Mz,F:n"); scanf("%f%f%f%f",&Mx,&My,&Mz,&F);for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h=h+0.01) /h和b的循環(huán)范圍for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b=b+0.01)if(h/b>=2.5&&h/b<=3) a=0.213+0.018*h/b; r=0.837-0.028*h/b; 和的函數(shù)關(guān)系if(h/b>=3&&h/b<=4) a=0.222+

19、0.015*h/b; r=0.777-0.008*h/b Z1=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h)+6*G*Mx/(b*h*h); Z2=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h); Z3=F/(b*h)+6*G*Mx/(b*h*h);Q2=G*My/(b*b*h*a); Q3=r*Q2; Y2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); Y3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3); if(Z1<=Y&&(Y2-Y)/Y<0.05&&(Y3-Y)/Y<0.05) /循環(huán)條件為強度校核安全 s=h*b; if(s<m) m=s;

20、h1=h;b1=b; /令截面積最小 printf("get the result:n" ); printf("h=%5.2fmmnb=%5.2fmmnm=%7.2fmm",h=h1,b=b1,m);6.2輸出結(jié)果第七章設(shè)計的改進措施及方法7.1 提高曲軸的彎曲強度 合理安排曲軸的受力情況及設(shè)計合理的截面，但對于該曲軸只能采用合理安排曲軸的受力情況。在機械結(jié)構(gòu)允許的情況下，可采取將集中載荷適當(dāng)分散或?qū)⒓辛ΡM量靠近支座。7.2 提高曲軸的彎曲剛度 提高彎曲剛度的主要措施有：改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值，選擇合理的截面及合理選材等。但對于該曲軸只能改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值及合理選材。7.3提高曲軸的疲勞強度 提高疲勞強度的主要措施有：減緩應(yīng)力集中及提高曲軸的表面強度等。為了消除和緩解應(yīng)力集中，再設(shè)計曲軸時，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)方形直角或帶有尖角的孔和槽，即在主軸頸和曲柄臂相連處應(yīng)采用半徑較大的過