吉林大學(xué)材料力學(xué)課程設(shè)計

1、材 料 力 學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書設(shè)計題目五種傳動軸的靜強度、變形及疲勞強度的計算機械科學(xué)與工程學(xué)院 機械工程及自動化專業(yè) 411105 班設(shè)計者：李嘉林學(xué)號 41110502 2013 年 8 月 25 日目錄設(shè)計目的1設(shè)計任務(wù)及要求.1設(shè)計題目2傳動軸受力簡圖3彎矩扭矩圖.4設(shè)計等軸的直徑.8計算齒輪處軸的撓度.10階梯傳動軸進(jìn)行疲勞強度計算13數(shù)據(jù)說明20設(shè)計感想.21附：程序計算結(jié)果截圖，計算機程序設(shè)計1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

2、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（

3、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)。2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，通過計算機給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。3材料力學(xué)課程設(shè)計題目傳動軸的強度、變形及疲勞強度計算3-1 設(shè)計題目傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），許用應(yīng)力=80MPa，經(jīng)高頻淬火處理，其, ，,磨削軸的表面，鍵槽均為端銑加工，

4、階梯軸過渡圓弧r均為2，疲勞安全系數(shù)n=2，要求：1) 繪出傳動軸的受力簡圖;2) 作扭矩圖及彎矩圖；3) 根據(jù)強度條件設(shè)計等直軸的直徑；4) 計算齒輪處軸的撓度；（按直徑1的等直桿計算）5) 對階梯傳動軸進(jìn)行疲勞強度計算；（若不滿足，采取改進(jìn)措施使其滿足疲勞強度）；6) 對所取數(shù)據(jù)的理論根據(jù)作必要的說明。說明 ：1) 坐標(biāo)的選取均按下圖61所示；2) 齒輪上的力F與節(jié)圓相切；3) 數(shù)據(jù)表中 為直徑D的皮帶輪傳遞的功率， 為直徑為D1的皮帶輪傳遞的功率。3-2 傳動軸的零件圖1 為靜強度條件所確定的軸徑，尺寸最后一位數(shù)準(zhǔn)確到mm，并取偶數(shù)。設(shè)。本次課程設(shè)計采用第8組數(shù)據(jù)。P/kW/kWn/(r

5、/min)D/mm/mm/mm/N/Na/mm16.110.3440650300200650400400504.材料力學(xué)課程設(shè)計的具體設(shè)計方案4-1繪出傳動軸的受力簡圖首先對如圖所示傳動軸進(jìn)行受力分析，軸共受7個力作用，分別為皮帶輪D對傳動軸的力和，皮帶輪對傳動軸的力和2，齒輪對傳動軸的力F，還有皮帶輪D的重力和皮帶輪的重力，由受力分析可知，支座A，B處受到兩個方向上的約束反力。受力簡圖如下圖所示:4-2作彎矩圖和扭矩圖1.求支反力1)在XOY面上傳動軸受力簡圖如下:由己知條件可以求出: (方向與相反) 根據(jù)扭矩平衡可知: 可得:又有: 求出:根據(jù)受力平衡關(guān)系，可列平衡方程:聯(lián)立兩式，可得:2

6、)在XOZ面上，傳動軸的受力簡圖如下:根據(jù)受力平衡，可列平衡方程:聯(lián)立兩式，可得：，2.彎矩圖和扭矩圖扭矩圖彎矩圖4-3.根據(jù)強度條件設(shè)計等直軸的直徑1.確定危險截面比較截面I、II、III的合成彎矩大小: 由計算可知III截面的合成彎矩最大，根據(jù)扭矩圖可知III截面的扭矩也是最大，所以傳動軸的危險截面在III截面。2.根據(jù)強度條件設(shè)計直徑 此題為圓軸彎扭組合變形，而傳動軸的材料是碳素鋼，是塑性材料，則適用第三強度理論。第三強度理論公式:由上述式子可以得出：。因為必須取整數(shù)，所以半徑,即。3.校核傳動軸不同直徑各段的強度校核的強度：由得則取54mm或56mm。不妨先校核左端最大彎矩為，扭矩為2

7、23.53Nm，則右端最大彎矩為，扭矩為349.41Nm則考慮到實際情況，應(yīng)該取左端。根據(jù)第三強度理論則即 =54mm 滿足強度條件。所以。4-4 計算齒輪處的撓度1.求Y方向的撓度在輪處加一沿Y方向的單位力F，并繪制出單位力F作用下的彎矩圖如下：將上述兩個圖對應(yīng)圖乘:其中，代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計算2.求Z方向的撓度將上述兩個圖對應(yīng)圖乘其中，代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計算3.將Y, Z方向的撓度進(jìn)行合成傳動軸總撓度是:與XOY面得夾角為4-5 階梯傳動軸疲勞強度的計算疲勞強度校核共需校核如圖所示1、2、3、4、5、6、7、8一共八個點，校核的基本方法和原理如下：首先計算軸的工作應(yīng)力，對于本題除去1、8兩點無正應(yīng)力外

8、，其他各點均看作對稱循環(huán)，彎曲正應(yīng)力和循環(huán)特征r計算公式如下:而本題中所涉及的剪切力看作是脈動循環(huán)，計算交變扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力及其循環(huán)特征的計算公式如下:再綜合所計算得的數(shù)值并結(jié)合所給出的數(shù)值通過查表，確定各點有效應(yīng)力集中系數(shù)：，尺寸系數(shù):，表面質(zhì)量系數(shù):，敏感系數(shù)，所查結(jié)果在下表中。接下來就是計算彎曲工作安全系數(shù):計算彎扭組合交變應(yīng)力下軸的工作安全系數(shù)此外還要控制構(gòu)件的靜載荷強度，此時屈服強度條件為:式中按最大剪應(yīng)力強度理論計算得。查表得:如果和均大于n，我們就認(rèn)為軸是安全的。各校核截面參數(shù)（1、4、8為鍵槽處，其他為軸肩）參數(shù)校核點初始應(yīng)力集中系數(shù)尺寸系數(shù)表面質(zhì)量系數(shù)敏感系數(shù)計算所用直徑d(mm)

9、11.821.630.810.762.40.15421.751.430.810.762.40.15431.801.450.810.762.40.16041.821.630.780.742.40.16651.851.470.780.742.40.16461.801.450.810.762.40.16071.751.430.810.762.40.15481.821.630.810.762.40.154各校核截面彎矩校核點(Nm)(Nm)(Nm)(Nm)1223.530002223.53814.120814.123223.531421.4286.451425.054349.411214.60172.

10、901226.845349.41845.95452.21959.236349.41108.651010.821016.647349.41130645.07658.048349.41000根據(jù)以上所列已知數(shù)據(jù)，進(jìn)行校核如下：1. 對鍵槽處進(jìn)行校核： 當(dāng)時，由于此處的彎曲正應(yīng)力為0，所以只需校核扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。鍵槽位置1處：，。，因而，所以，在處的截面滿足疲勞強度要求。鍵槽位置4處：當(dāng)時，查表得，；，。而；，因而，所以，在處的截面滿足疲勞強度要求。鍵槽位置8處：當(dāng)時，由于此處的彎曲正應(yīng)力為0，所以只需校核扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。查表得，。而，所以，在處的截面滿足疲勞強度要求。對軸肩部位進(jìn)行校核：軸肩位置2處：當(dāng)時

11、，查表得，；，。而；，因而，所以，在處的截面滿足疲勞強度要求。軸肩位置3處：當(dāng)時，查表得，；，。而；，因而，所以，在處的截面滿足疲勞強度要求。軸肩位置5處：當(dāng)時，查表得，；，。而；，因而，所以，在處的截面滿足疲勞強度要求。軸肩位置6處：當(dāng)時，查表得，；，。而；，因而，所以，在處的截面滿足疲勞強度要求。軸肩位置7處：當(dāng)時，查表得，；，。而；，因而，所以，在處的截面滿足疲勞強度要求。校核八個點的疲勞強度及其安全系數(shù)所得結(jié)果記錄如下表格所示校核點(MPa)(MPa)107.2343.1343.1324.40252.697.236.3248.486.276.46367.245.284.8265.664

12、.815.19443.496.197.1049.187.027.81537.296.798.1449.208.038.89647.978.246.7542.026.676.96742.5911.317.8331.017.597.328011.3127.5927.5915.61由于各處安全系數(shù)均大于疲勞安全系數(shù)（n=2），所以均符合要求。5.設(shè)計感想：此次設(shè)計使我再次鞏固了大二各方面的所學(xué)知識，對使用的方法開始有了多元化的概念，為以后的學(xué)習(xí)，乃至工作再次夯實基礎(chǔ)，又向上走了一個階梯。材料力學(xué)課程設(shè)計不僅僅限于材料力學(xué)，而是建立在材料力學(xué)上，輔助使用各類知識工具。比如c+編程的應(yīng)用、高等數(shù)學(xué)、工程

13、圖學(xué)及CAD制圖等基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用，在設(shè)計中，還涉及到數(shù)據(jù)的查詢、分析、整理以及電子說明書文檔的排版工作。因而，這次課程設(shè)計相當(dāng)于是工廠里面的一個工件具體設(shè)計的模擬過程。整個設(shè)計，首先審題，分析試題類型。此題涉及受力分析、應(yīng)力分析、強度計算、撓度計算、強度校核、疲勞極限校核等等，需要熟悉運用圖乘法等常見方法；之后根據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行縝密的計算，涉及參數(shù)的過程采用查找材料力學(xué)、機械設(shè)計手冊和上網(wǎng)查詢的方法，補充數(shù)據(jù)；并根據(jù)設(shè)計要求，運用C+語言編程，編制出計算疲勞強度的相應(yīng)程序，大大減小了計算量；然后，運用工程圖學(xué)和CAD，繪出設(shè)計中涉及到的圖；最后，運用office軟件將所有過程匯總整合，完整的

14、制作出電子版的說明書。在這次設(shè)計中，遇到了不少問題，知識的遺忘，數(shù)據(jù)的查詢，以及c+語句的調(diào)試等等，但通過不懈的努力都一一克服，總算有驚無險。總而言之，這次課程設(shè)計讓我體會到了社會工作中一些周密的考慮需要，以及各部分工具的調(diào)用過程。并且，對所學(xué)知識的運用更得到錘煉。附錄：計算程序以及結(jié)果。#define PI 3.14159#include#includefloat main()float I,f,EI;float E=210*pow(10,9);float P,P1,n,D,D1,D2,G2,G1,a,Alpha;float M,M1,M2,F,F1,F2;float F_Ay,F_By,F

15、_Az,F_Bz;float My_0a,My_05a,My_15a,My_2a,My_25a,My_35a,My_45a,My_5a,My_a,My_4a;float Mz_0a,Mz_05a,Mz_15a,Mz_2a,Mz_25a,Mz_35a,Mz_45a,Mz_5a,Mz_a,Mz_4a;float M_I,M_II,M_III,M_max;float d_III,deflect;int Phi_1,Phi_2,d,i,j;float Sigma8;float Tau8;float n_sigma8;float n_tau8;float n_sigtau8;float n_sigtau

16、28;float s=353;float beta=2.4;float phi=0.1;float sigma=300;float tau=155;float K_sigma8=1.82,1.75,1.80,1.82,1.85,1.80,1.75,1.72;float K_tau8=1.63,1.43,1.45,1.63,1.47,1.45,1.43,1.63;float Eps_sigma8=0.81,0.81,0.81,0.78,0.78,0.81,0.81,0.81;float Eps_tau8=0.76,0.76,0.76,0.74,0.74,0.76,0.76,0.76;float

17、Myz8;float f_y,f_z;printf(請輸入 P:_kWn); scanf(%f,&P);printf(請輸入 P1:_kWn);scanf(%f,&P1);printf(請輸入 n:_r/minn);scanf(%f,&n);printf(請輸入 D:_mmn);scanf(%f,&D);printf(請輸入 D1:_mmn);scanf(%f,&D1);printf(請輸入 D2:_mmn);scanf(%f,&D2);printf(請輸入 G2:_Nn);scanf(%f,&G2);printf(請輸入 G1:_Nn);scanf(%f,&G1);printf(請輸入 a:

18、_mmn);scanf(%f,&a);printf(請輸入 Alpha:_degreesn);scanf(%f,&Alpha);Alpha*=PI/180; /*單位轉(zhuǎn)換*/D/=1000;D1/=1000;D2/=1000;a/=1000;I=PI*pow(d,4)/64;M1=9549*P1/n; /*求扭矩和力*/M2=9549*P/n;M=M2-M1;F=2*M/D2;F1=2*M1/D1;F2=2*M2/D;printf(M=%0.3fNm,M1=%0.3fNm,M2=%0.3fNm,F=%0.3fN,F1=%0.3fN,F2=%0.3fNn,M,M1,M2,F,F1,F2);flo

19、at Mx8=M1,M1,M1,M2,M2,M2,M2,M2;F_By=(4*G2+3*F1-G1+F*cos(Alpha)/3; /*求支反力*/F_Ay=3*F1-G1-F*cos(Alpha)-G2+F_By;F_Bz=(F*sin(Alpha)+12*F2)/3;F_Az=F_Bz-F*sin(Alpha)-3*F2;printf(F_Ay=%0.3fN,F_By=%0.3fN,F_Az=%0.3fNm,F_Bz=%0.3fNn,F_Ay,F_By,F_Az,F_Bz);My_0a=0;/*計算各關(guān)鍵位置的彎矩為后面做準(zhǔn)備*/My_05a=(3*F1-G1)*0.5*a; My_15a

20、=(3*F1-G1)*1.5*a-F_Ay*0.5*a;My_2a=(3*F1-G1)*2*a-F_Ay*a;My_25a=(3*F1-G1)*2.5*a-F_Ay*1.5*a-F*cos(Alpha)*0.5*a;My_35a=(3*F1-G1)*3.5*a-F_Ay*2.5*a-F*cos(Alpha)*1.5*a;My_45a=G2*0.5*a;My_5a=0;My_a=(3*F1-G1)*a;My_4a=G2*a;float My10=My_0a,My_05a,My_15a,My_2a,My_25a,My_35a,My_45a,My_5a,My_a,My_4a;Mz_0a=0;Mz_05a=0;Mz_15a=F_Az*0.5*a;Mz_2a=F_Az*a;Mz_25a=3*F2*2.5*a-F_Bz*1.5*a;Mz_35a=3*F2*1.5*a-F_Bz*0.5*a;Mz_45a=3*F2*0.5*a;Mz_5a=0;Mz_a=0;Mz_4a=3*F2*a;float Mz10=Mz_0a,Mz_05a,Mz_15a,Mz_2a,Mz_25a,Mz_35a,Mz_45a,Mz_5a,Mz_a,Mz_4a;for(int q=0;qM_II?M_I:M_II;M_max=M_maxM_