吉林大學(xué)材料力學(xué)課程設(shè)計(jì) 五種傳動(dòng)軸的靜強(qiáng)度、變形及疲勞強(qiáng)度的計(jì)算

材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)-20-1．材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的本課程設(shè)計(jì)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(shí)際問(wèn)題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計(jì)算方法，獨(dú)立地計(jì)算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合運(yùn)用材料力學(xué)的知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題之目的。同時(shí)，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)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(jì)算方法，又提高了分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力；既把以前所學(xué)的知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)和材料力學(xué)等）綜合運(yùn)用，又為后繼課程（機(jī)械設(shè)計(jì)、專業(yè)課等）打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，對(duì)實(shí)際工作能力有所提高。具體的有以下六項(xiàng)：1．使學(xué)生的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化、完整化；2．在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程中的實(shí)際問(wèn)題；3．由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，因而課程設(shè)計(jì)可以把材料力學(xué)知識(shí)和專業(yè)需要結(jié)合起來(lái)；4．綜合運(yùn)用了以前所學(xué)的個(gè)門課程的知識(shí)（高數(shù)、制圖、理力、算法語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)等等）使相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)；5．初步了解和掌握工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)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(jì)的任務(wù)和要求要求參加設(shè)計(jì)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(dú)立分析、判斷、設(shè)計(jì)題目的已知條件和所求問(wèn)題。畫(huà)出受力分析計(jì)算簡(jiǎn)圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)和導(dǎo)出計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。3．材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)題目傳動(dòng)軸的強(qiáng)度、變形及疲勞強(qiáng)度計(jì)算3-1設(shè)計(jì)題目傳動(dòng)軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號(hào)45），許用應(yīng)力[σ]=80MPa，經(jīng)高頻淬火處理，其σb=650MPa,σ-1=300MPa,繪出傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖;作扭矩圖及彎矩圖；根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)等直軸的直徑；計(jì)算齒輪處軸的撓度；（按直徑Φ1的等直桿計(jì)算）對(duì)階梯傳動(dòng)軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算；（若不滿足，采取改進(jìn)措施使其滿足疲勞強(qiáng)度）；對(duì)所取數(shù)據(jù)的理論根據(jù)作必要的說(shuō)明。說(shuō)明：坐標(biāo)的選取均按下圖6—1所示；齒輪上的力F與節(jié)圓相切；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(dòng)軸的零件圖Φ1為靜強(qiáng)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(jì)采用第8組數(shù)據(jù)。PkWPkWnr/minDmmDmmDmmGNGNammα°16.110.3440650300200650400400504.材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)方案4-1繪出傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖首先對(duì)如圖所示傳動(dòng)軸進(jìn)行受力分析，軸共受7個(gè)力作用，分別為皮帶輪D對(duì)傳動(dòng)軸的力F2和2F2，皮帶輪D1對(duì)傳動(dòng)軸的力F1和2F1，齒輪D2對(duì)傳動(dòng)軸的力F，還有皮帶輪D的重力G2和皮帶輪D14-2作彎矩圖和扭矩圖1.求支反力1)在XOY面上傳動(dòng)軸受力簡(jiǎn)圖如下:由己知條件可以求出:M2=9549Pn=9549×16.1440M1=9549Pn=9549×10.3440=223.53N·根據(jù)扭矩平衡可知:M+M1+M可得:M=125.88N·m又有:M2=MM求出:F1=1490.2NF2=1075.11NF=根據(jù)受力平衡關(guān)系，可列平衡方程:∑M-3∑3聯(lián)立兩式，可得:FAY=5104.71NFBY2)在XOZ面上，傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖如下:根據(jù)受力平衡，可列平衡方程:∑M-F∑-F聯(lián)立兩式，可得：FAZ=432.24N，F(xiàn)BZ=2.彎矩圖和扭矩圖4-3.根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)等直軸的直徑1.確定危險(xiǎn)截面比較截而I、II、III的合成彎矩大小:MI=1628.24N·MII=1214.62+172.92MIII=2602+1290.132由計(jì)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(dòng)軸的危險(xiǎn)截面在III截面。2.根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)直徑此題為圓軸彎扭組合變形，而傳動(dòng)軸的材料是碳素鋼，是塑性材料，則適用第三強(qiáng)度理論。σ第三強(qiáng)度理論公式：W=?MX=349.41N·mMY=1290.13N·mMZ=260由上述子式可以得出：?III因?yàn)?1必須取整數(shù)，所以半徑?III=60mm,即3.校核傳動(dòng)軸不同直徑各段的強(qiáng)度;校核?2由1.1得?2=54.45mm則?2左端最大彎矩為1628.24N?m2=814.12N·m，扭矩為223.53N·m則MX2+MY右端最大彎矩為1290.1322+26022N?m=658.04N·則MX2+MY∴取左端根據(jù)第三強(qiáng)度理論σW=則σ即?2=54mm滿足強(qiáng)度條件。所以，?1=60mm，?24-4計(jì)算D2齒輪處的撓度1.求Y方向的撓度在D2輪處加一沿Y方向的單位力F，并繪制出單位力F將上述兩個(gè)圖對(duì)應(yīng)圖乘:ΔI=E=210×10代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算f=[(1628.24-1214.60)×a2×=1.11mm2.求Z方向的撓度將上述兩個(gè)圖對(duì)應(yīng)圖乘I=E=210×10代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算f=-[172.9?12a?4929=-0.48mm3.將Y,Z方向的撓度進(jìn)行合成Δ=傳動(dòng)軸總撓度是:Δ=1.21mm與XOY面得夾角為α=arctan4-5階梯傳動(dòng)軸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算疲勞強(qiáng)度校核共需校核如圖所示1、2、3、4、5、6、7、8一共八個(gè)點(diǎn)，校核的基本方法和原理如下：首先計(jì)算軸的工作應(yīng)力，對(duì)于本題除去1、8兩點(diǎn)無(wú)正應(yīng)力外，其他各點(diǎn)均看作對(duì)稱循環(huán)，彎曲正應(yīng)力σmax、σmin和循環(huán)特征rσW=r=而本題中所涉及的剪切力看作是脈動(dòng)循環(huán)，計(jì)算交變扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力及其循環(huán)特征的計(jì)算公式如下:ττWr=0τ再綜合所計(jì)算得的數(shù)值并結(jié)合所給出的數(shù)值通過(guò)查表，確定各點(diǎn)有效應(yīng)力集中系數(shù)：Kσ、Kτ，尺寸系數(shù):εσ、ετ，表面質(zhì)量系數(shù):接下來(lái)就是計(jì)算彎曲工作安全系數(shù):nn計(jì)算彎扭組合交變應(yīng)力下軸的工作安全系數(shù)nn此外還要控制構(gòu)件的靜載荷強(qiáng)度，此時(shí)屈服強(qiáng)度條件為:n式中σr3為按最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論計(jì)算得。查表得:如果nστ和nστ'各校核截面參數(shù)參數(shù)校核點(diǎn)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(jì)算所用直徑KKεεβψd(mm)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(diǎn)MY(N·Mz(N·M(N·m)MX(N·1000223.532814.120814.12223.5331421.4286.451425.05223.5341214.60172.901226.84349.415845.95452.21959.23349.416108.651010.821016.64349.417130645.07658.04349.418000349.41校核八個(gè)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度及其安全系數(shù)，將結(jié)果記錄如下校核點(diǎn)σ(Mpa)τ(Mpa)nnnn107.2343.1343.1324.40252.697.236.3248.486.276.46367.245.284.8265.664.815.19443.496.197.1049.187.027.81537.296.798.1449.208.038.89647.978.246.7542.026.676.96742.5911.317.8331.017.597.328011.3127.5927.5915.61

由于疲勞安全系數(shù)n=2，所以均符合要求。5.C語(yǔ)言程序就疲勞強(qiáng)度部分的校核通過(guò)C語(yǔ)言完成#definePI3.14#include<math.h>#include<stdio.h>voidmain(){intd;floata[8];floatt[8];floatNa[8];floatNt[8];floatNat[8];floatNat2[8];floats=353;floatbeita=2.4;floatFai=0.1;floatsigema=300;floattao=155;floatKa[8]={1.82,1.75,1.80,1.82,1.85,1.80,1.75,1.72};floatKt[8]={1.63,1.43,1.45,1.63,1.47,1.45,1.43,1.63};floatEa[8]={0.81,0.81,0.81,0.78,0.78,0.81,0.81,0.81};floatEt[8]={0.76,0.76,0.76,0.74,0.74,0.76,0.76,0.76};floatMxy[8]={0,814.12,1425.05,1226.84,959.23,1016.64,658.04,0};floatMx[8]={223.53,223.53,223.63,349.41,349.41,349.41,349.41,349.41};inti,j;for(i=0;i<8;i++){printf("輸入被校核截面序號(hào)及直徑:");scanf("%d%d",&j,&d);a[j-1]=32*Mxy[j-1]*1000/(PI*pow(d,3));printf("amax[%d]=%4.2f\n",j,a[j-1]);t[j-1]=16*Mx[j-1]*1000/(PI*pow(d,3));printf("tmax[%d]=%4.2f\n",j,t[j-1]); if(t[j-1]!=0&&a[j-1]!=0) {Na[j-1]=sigema*Ea[j-1]*beita/(Ka[j-1]*a[j-1]);Nt[j-1]=2*tao/(Kt[j-1]*t[j-1]/(Et[j-1]*beita)+Fai*t[j-1]);Nat[j-1]=Na[j-1]*Nt[j-1]/sqrt(Na[j-1]*Na[j-1]+Nt[j-1]*Nt[j-1]);printf("Na[%d]=%4.2f\n",j,Na[j-1]);printf("Nt[%d]=%4.2f\n",j,Nt[j-1]);printf("Nat[%d]=%4.2f\n",j,Nat[j-1]);}elseif(t[j-1]==0&&a[j-1]!=0) {Na[j-1]=sigema*Ea[j-1]*beita/(Ka[j-1]*a[j-1]); Nat[j-1]=sigema*Ea[j-1]*beita/(Ka[j-1]*a[j-1]);printf("Na[%d]=%4.2f\n",j,Na[j-1]); printf("Nat[%d]=%4.2f\n",j,Nat[j-1]);}elseif(a[j-1]==0&&t[j-1]!=0) {Nt[j-1]=2*tao/(Kt[j-1]*t[j-1]/(Et[j-1]*beita)+Fai*t[j-1]); printf("Nt[%d]=%4.2f\n",j,Nt[j-1]); Nat[j-1]=2*tao/(Kt[j-1]*t[j-1]/(Et[j-1]*beita)+Fai*t[j-1]);printf("Nat[%d]=%4.2f\n",j,Nat[j-1]);} Nat2[j-1]=(PI*s*pow(d,3))/(1000*(32*sqrt(Mxy[j-1]*Mxy[j-1]+Mx[j-1]*Mx[j-1])));printf("Nat2[%d]=%4.2f\n",j,Nat2[j-1]); if(Nat[j-1]>2&&Nat2[j-1]>2) printf("該截面安全\n"); elseprintf("該截面不安全\n"); printf("*********************************************\n\n");}}C程序運(yùn)行結(jié)果截圖6設(shè)計(jì)感想通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，首先對(duì)材料力學(xué)這門課程有了一個(gè)全面詳細(xì)的復(fù)習(xí)與鞏固，加深了這門課中各知識(shí)點(diǎn)的理解，更重要的是，將這門課與實(shí)際生產(chǎn)生活聯(lián)系的更緊密了，以前雖然知道有實(shí)際意義，但從沒(méi)實(shí)際用過(guò)，對(duì)那些知識(shí)的運(yùn)用也只停留在算題的步驟。過(guò)程中畫(huà)圖和編程都費(fèi)了不少力氣，尤其是C語(yǔ)言調(diào)試花了很長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)電腦的工程應(yīng)用又有了新的認(rèn)識(shí)。僅僅是對(duì)一個(gè)軸的校核就得考慮各種因素，有很多地方依然不是很明白，而