材料力學(xué)課程設(shè)計--單缸柴油機(jī)曲軸的強度設(shè)計及剛度計算

1、<p><b>　　材料力學(xué)課程設(shè)計</b></p><p><b>　　班級： </b></p><p><b>　　作者： </b></p><p>　　題目：單缸柴油機(jī)曲軸的強度設(shè)計及剛度計算、 疲勞強度校核</p>&

2、lt;p><b>　　指導(dǎo)老師： </b></p><p>　　2012.10.15</p><p><b>　　課程設(shè)計的目的</b></p><p>　　材料力學(xué)課程設(shè)計的目的是在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料力學(xué)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

3、知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使我們將材料力學(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)的知識綜合應(yīng)用，又為后繼課程打下基礎(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。</p><p>　　使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化，完整化。</p><p>　　在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運用材料力

4、學(xué)知識解決工程實際問題。</p><p>　　3）綜合運用以前所學(xué)的各門課程的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機(jī)地聯(lián)系起來。</p><p>　　4）初步了解和掌握工程實踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。</p><p>　　5）為后續(xù)課程教學(xué)打下基礎(chǔ)。</p><p>　　課程設(shè)

5、計的任務(wù)和要求</p><p>　　要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設(shè)計題目的已知所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導(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。</p><p><b>　　設(shè)計題目</b></p><p>　　某柴油機(jī)曲軸可以簡化為下圖所示的結(jié)構(gòu)，

6、材料為球墨鑄鐵(QT450-5)彈性常數(shù)為E、μ，許用應(yīng)力為[σ]，G處輸入轉(zhuǎn)矩為，曲軸頸中點受切向力、徑向力的作用，且=。曲柄臂簡化為矩形截面，1.4≤≤1.6，2.5≤≤4, =1.2r,已知數(shù)據(jù)如下表：</p><p><b>　　畫出曲軸的內(nèi)力圖。</b></p><p>　　設(shè)計曲軸頸直徑d，主軸頸直徑D。</p><p>　　設(shè)計曲

7、柄臂的b、h。</p><p>　　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，主軸頸表面為車削加工。</p><p>　　用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角,。</p><p><b>　　畫出曲軸的內(nèi)力圖</b></p><p><b>　　外力分析</b><

8、;/p><p>　　畫出曲軸的計算簡圖，計算外力偶矩</p><p><b>　　N·m</b></p><p><b>　　讀圖</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　N</b><

9、/p><p>　　在xoy平面內(nèi)取平衡</p><p>　　y=0 </p><p><b>　　=0</b></p><p><b>　　即 </b></p><p>　　FAy+FFy-Fr=0</p><p>　　Frl1-FFyl1（

10、+l2）=0</p><p><b>　　計算反力</b></p><p><b>　　解方程可求得</b></p><p>　　在XOY平面內(nèi)：===2469.57 N</p><p>　　===1509.18 N</p><p><b>　　同樣道理</b

11、></p><p><b>　　在XOE平面內(nèi)：</b></p><p>　　===4939.14 N</p><p>　　===3018.36 N</p><p>　　在多個作用力作用下曲軸組合變形，每一段變形情況不一致，可分段分析。各段變形復(fù)合單獨分析復(fù)雜，分成每個方向上單獨受力，作出內(nèi)力圖。</p>

12、;<p>　　內(nèi)力分析（可先分析危險截面各處受力狀況）</p><p>　?、僦鬏S頸的EF左端（1-1）截面最危險，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲組合變形</p><p><b>　　==477.45 </b></p><p>　　=*（–）=434.64</p><p>　　=*（–）=217.32</p>

13、<p>　?、谇跠E段下端（2-2）截面最危險，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮組合變形</p><p>　　=Me=477.45</p><p>　　=*（–）=434.64</p><p>　　=*（–）=217.32</p><p>　　==1509.18 N</p><p>　　③曲柄頸CD段，以A端開

14、始分析，過中間位置時各力和力矩開始變小，因此中間截面（3-3）最危險，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲組合變形</p><p>　　=*r=293.65</p><p><b>　　=*=543.31</b></p><p><b>　　=*=271.65</b></p><p>　?、芮跙C段根據(jù)A端受力，C

15、端截面最危險，受兩個彎矩，一個扭矩，一個軸力作用組合變形</p><p>　　M4x=FAz*r=296.35N·m</p><p>　　M4y=FAz*（l1-）=365.50N·m</p><p>　　M4z=FAy*（l1-）=182.75N·m</p><p>　　F4N=FAy=2469.57N

16、3;m</p><p>　?、葜鬏SAB端，B段截面最危險，受兩個彎矩作用</p><p>　　M5y=FAz*（l1-）=365.50N·m</p><p>　　M5z=FAy*(l1-)=182.75N·m</p><p>　　由上分析可知各危險截面的力和力矩，有對于各段軸為兩端或一端受力，內(nèi)力圖為線性關(guān)系。</p

17、><p>　　可以用兩點法，按相應(yīng)的比例關(guān)系及x、y、z、軸力方向作出各段的內(nèi)力圖。</p><p>　　內(nèi)力圖如下（不計內(nèi)力彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫在受壓側(cè)）：</p><p>　?。▎挝唬?力—N 力矩—）</p><p>　　設(shè)計曲軸頸直徑d和主軸頸直徑D</p><p>　　主軸頸的危險截面為EF的最左端，受扭轉(zhuǎn)和兩

18、向彎曲</p><p>　　根據(jù)主軸頸的受力狀態(tài)，可用第三強度理論計算</p><p><b>　　=≤[]</b></p><p><b>　　其中=</b></p><p><b>　　[]=120MPa</b></p><p><b>　

19、　D</b></p><p>　　得D≥38.68mm取D=40mm</p><p>　　曲柄頸CD屬于圓軸彎扭組合變形，由第三強度理論，在危險截面3-3中：</p><p><b>　　d</b></p><p>　　得 d38.58 mm 故取 d=40 mm </p><p&

20、gt;<b>　　校核曲柄臂的強度</b></p><p><b>　　曲柄臂的強度計算</b></p><p>　　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（不計剪力），由內(nèi)力圖可知危險截面為2-2截面，曲柄臂上的危險截面2-2的應(yīng)力分布圖如下圖：</p><p>　　根據(jù)應(yīng)力分布圖可判定出可能的危險點為

21、，，。</p><p><b>　　已知條件 </b></p><p>　　理想情況為截面面積（b*h）最小，同時也符合強度要求?？上热∶娣e最小值檢驗其強度要求是否符合。即令： h=1.4D=56mm b==14mm</p><p>　　點： 點處于單向應(yīng)力狀態(tài)</p><p>　　其中A2=bh

22、 Wz2= wx2=</p><p><b>　　把數(shù)據(jù)代入上式中得</b></p><p>　　=185.97MPa></p><p>　　選取此種尺寸時不滿足強度要求，考慮到所給條件截面面積最大可為</p><p>　　h=1.6D=64mm b=h2.5=25.6mm</p>&

23、lt;p><b>　　帶入得</b></p><p>　　=59.39MP < []</p><p>　　此時點滿足強度條件。</p><p>　　點： 點處于二向應(yīng)力狀態(tài)，存在扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力曲柄臂簡化為矩形，非圓截面，查表3-1 對=2.5</p><p>　　點的正應(yīng)力為軸向力和繞z軸的彎矩

24、共同引起的</p><p><b>　　=32.01MPa</b></p><p>　　由第三強度理論代入數(shù)據(jù)</p><p>　　==86.48MPa <[] </p><p>　　所以點滿足強度條件。</p><p>　　點： 點處于二向應(yīng)力狀態(tài)</p><

25、p><b>　　=28.24MPa</b></p><p><b>　　根據(jù)第三強度理論</b></p><p>　　===67.78MPa <[] </p><p>　　所以點滿足強度條件。</p><p>　　綜上，曲柄臂滿足強度條件?？扇?=2.5， 滿足強度條件?？蛇M(jìn)一步細(xì)化

26、分析在滿足強度條件下減小h、b值，從而節(jié)約成本。由后面</p><p>　　的附錄求得h,b的最優(yōu)值為58，23.</p><p>　　校核主軸頸H-H截面處的疲勞強度</p><p>　　由題意 對球墨鑄鐵QT450-5</p><p>　　查表得 （表面質(zhì)量系數(shù)）</p><p>　　已知 （

27、尺寸系數(shù)） </p><p><b>　　（敏感系數(shù)） </b></p><p>　　FH處只受扭轉(zhuǎn)作用,無彎曲正應(yīng)力，工作時切應(yīng)力基本不變，但機(jī)器時開時停，可視為脈動循環(huán)，具體可見材力教材第十三章例題。</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　又知</

28、b></p><p><b>　　=-</b></p><p><b>　　安全系數(shù)</b></p><p><b>　　= >2</b></p><p><b>　　安全。</b></p><p>　　所以，H-H截面

29、的疲勞強度足夠。</p><p>　　用能量法計算A-A截面的轉(zhuǎn)角,</p><p>　　采用圖乘法分別求解A-A截面的轉(zhuǎn)角,。</p><p>　　求： 在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖 與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受壓一側(cè)）：</p><p><b>　　由平衡方程得</b&

30、gt;</p><p><b>　　B點的彎矩為</b></p><p><b>　　E點的彎矩為</b></p><p><b>　　由圖乘法：</b></p><p>　　h=58mm，b=23mm 查表得 </p><p>　　EI1=

31、E=18840.04 pa·m4 EI3==18840.04 pa·m4</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　盡管h/b取值不同，對會有影響。但都是在很小范圍內(nèi)變化，對轉(zhuǎn)角影響不會太大，可取=0.249</p><p>　　GIt== 12085.57pa·m4</p>

32、<p><b>　　=rad</b></p><p><b>　　從而得</b></p><p><b>　　同理</b></p><p>　?。?）求：在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖 與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受壓一側(cè)）：</p><p&

33、gt;<b>　　同理得： </b></p><p><b>　　由圖乘法：</b></p><p>　　EA=Ehb=·m2</p><p>　　·m4 .·m4 </p><p><b>　　·m4 </b></

34、p><p><b>　　= rad</b></p><p><b>　　設(shè)計優(yōu)化</b></p><p>　　以上的設(shè)計只是保證了強度安全性方面的要求，并沒有考慮到材料成本等問題。應(yīng)是在能保證強度要求條件下滿足所用材料最省為最佳方案。回到問題三，關(guān)于b、h的計算可設(shè)計思路，b/D和b/h從取值1.6和2.5開始，逐次減小0.0

35、1，同時檢驗取值能否滿足曲軸的強度要求。直至不能滿足條件最大值之前的最值為止，即為所求的最適合b、h值。</p><p>　　利用附錄的程序，求b、h最佳值，得：</p><p>　　h=58 mm b=23 mm</p><p><b>　　設(shè)計感想</b></p><p>　　通過這次的課程設(shè)計，我對材料

36、力學(xué)有了更深一層的認(rèn)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(jìn)行強度、剛度、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(jì)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)。這次設(shè)計，讓我對以前學(xué)的cad、c語言等結(jié)合問題進(jìn)行實際運用，加深了知識的應(yīng)用能力。&

37、lt;/p><p>　　此外，我深深的體會到了僅僅掌握課本中的理論和方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。工程實際中的一些問題要比想象的復(fù)雜的多。只有不斷進(jìn)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(jì)的代價、最合理的方法解決遇到的難題。</p><p>　　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。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)&l

38、t;/b></p><p>　　[1]聶毓琴等《材料力學(xué)》</p><p>　　[2]聶毓琴等《材料力學(xué)實驗與課程設(shè)計》 </p><p>　　[3]譚浩強,《C程序設(shè)計第三版》</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　內(nèi)力圖計算程序一：

39、</b></p><p>　　#include<stdio.h></p><p><b>　　main()</b></p><p>　　{ double P=8.50;</p><p>　　double r=0.06;</p><p>　　double l1=0.11;&

40、lt;/p><p>　　double l2=0.18;</p><p>　　double Me;</p><p>　　double Ft;</p><p>　　double Fr;</p><p>　　double Faz;</p><p>　　double Ffz;</p><

41、p>　　double Fay;</p><p>　　double Ffy;</p><p>　　int n=190;</p><p>　　Me=9549*P/n;</p><p><b>　　Ft=Me/r;</b></p><p><b>　　Fr=Ft/2;</b>

42、</p><p>　　Fay=(Fr*l2)/(l1+l2);</p><p>　　Ffy=(Fr*l1)/(l1+l2);</p><p>　　Faz=(Ft*l2)/(l1+l2);</p><p>　　Ffz=(Ft*l1)/(l1+l2);</p><p>　　printf("Me=%lf,Ft=%l

43、f,Fr=%lf\n",Me,Ft,Fr);</p><p>　　printf("Fay=%lf,Ffy=%lf,Faz=%lf,Ffz=%lf\n",Fay,Ffy,Faz,Ffz);</p><p><b>　　return 0;</b></p><p><b>　　}</b></p

44、><p>　　主軸EF段力矩計算程序二：</p><p>　　#include<stdio.h></p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　double Me=477.45;</p>&

45、lt;p>　　double Ffy=1509.18;</p><p>　　double r=0.06;</p><p>　　double Ffz=3018.36;</p><p>　　double l1=0.11;</p><p>　　double l2=0.18;</p><p>　　double l3;<

46、;/p><p>　　double M1x;</p><p>　　double M1y;</p><p>　　double M1z;</p><p><b>　　l3=1.2*r;</b></p><p><b>　　M1x=Me;</b></p><p>

47、　　M1y=Ffz*(l2-l3/2);</p><p>　　M1z=Ffz*(l2-l3/2);</p><p>　　printf("M1x=%lf\nM1y=%lf\nM1z=%lf\n",M1x,M1y,M1z);</p><p><b>　　return 0;</b></p><p><

48、b>　　}</b></p><p>　　曲柄臂de段力矩程序三：</p><p>　　#include<stdio.h></p><p><b>　　main()</b></p><p>　　{ double Me=412.11;</p><p>　　double F

49、fz=3018.36;</p><p>　　double Ffy=1509.18;</p><p>　　double r=0.06;</p><p>　　double l1=0.11;</p><p>　　double l2=0.18;</p><p>　　double M2x;</p><p>

50、;　　double M2y;</p><p>　　double M2z;</p><p>　　double F2n;</p><p>　　double l3;</p><p><b>　　l3=1.2*r;</b></p><p><b>　　M2x=Me;</b></

51、p><p>　　M2y=Ffz*(l2-l3/2);</p><p>　　M2z=Ffy*(l2-l3/2);</p><p><b>　　F2n=Ffy;</b></p><p>　　printf("M2x=%lf\nM2y=%lf\nM2z=%lf\nF2n=%lf\n",M2x,M2y,M2z,F2

52、n);</p><p><b>　　return 0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　曲柄頸cd段力矩程序四：</p><p>　　#include<stdio.h></p><p><b>　　main()<

53、/b></p><p>　　{ double Me=477.45;</p><p>　　double Faz=4939.14;</p><p>　　double Fay=2469.57;</p><p>　　double r=0.06;</p><p>　　double l1=0.11;</p>&

54、lt;p>　　double l2=0.18;</p><p>　　double M3x;</p><p>　　double M3y;</p><p>　　double M3z;</p><p>　　M3x=Faz*r;</p><p>　　M3y=Faz*l1;</p><p>　　M3z

55、=Fay*l1;</p><p>　　printf("M3x=%lf\nM3y=%lf\nM3z=%lf\n",M3x,M3y,M3z);</p><p><b>　　return 0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　曲柄臂bc段力矩程序五：

56、</p><p>　　#include<stdio.h></p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　double Fay=2469.57;</p><p>　　double r=0.06;<

57、/p><p>　　double Faz=4939.14;</p><p>　　double l1=0.11;</p><p>　　double l2=0.18;</p><p>　　double l3;</p><p>　　double M4x;</p><p>　　double M4y;</

58、p><p>　　double M4z;</p><p>　　double F4n;</p><p><b>　　l3=1.2*r;</b></p><p>　　M4x=Faz*r;</p><p>　　M4y=Faz*(l1-l3/2);</p><p>　　M4z=Fay*(

59、l1-l3/2);</p><p><b>　　F4n=Fay;</b></p><p>　　printf("M4x=%lf\nM4y=%lf\nM4z=%lf\nM4n=%lf\n",M4x,M4y,M4z,F4n);</p><p><b>　　return 0;</b></p>&l

60、t;p><b>　　}</b></p><p>　　主軸ab段力矩程序六：</p><p>　　#include<stdio.h></p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{</b></p><p>

61、;　　double Fay=2469.57;</p><p>　　double r=0.06;</p><p>　　double Faz=4939.14;</p><p>　　double l1=0.11;</p><p>　　double l2=0.18;</p><p>　　double l3;</p>

62、<p>　　double M5y;</p><p>　　double M5z;</p><p><b>　　l3=1.2*r;</b></p><p>　　M5y=Faz*(l1-l3/2);</p><p>　　M5z=Fay*(l1-l3/2);</p><p>　　printf

63、("M5y=%lf\nM5z=%lf\n",M5y,M5z);</p><p><b>　　return 0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　求解h，b的C語言程序如下：</p><p>　　#include<math.h><

64、;/p><p>　　#include<stdio.h></p><p>　　#define G 1000</p><p>　　#define D 40</p><p>　　#define Y 120</p><p><b>　　main()</b></p><p>

65、　　{float Mz,My,Mx,F;</p><p>　　float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3;</p><p>　　float h,b,h1,b1;</p><p>　　float a,r;</p><p>　　float s,m=1.6*D*0.4*1.6*D;</p><p>　　printf

66、("input Mx,My,Mz,F:\n");</p><p>　　scanf("%f%f%f%f",&Mx,&My,&Mz,&F);</p><p>　　for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h=h+0.01)</p><p>　　for(b=0.25*h;b<=0.4*h;

67、b=b+0.01)</p><p>　　{if(h/b>=2.5&&h/b<=3)</p><p>　　{a=0.213+0.018*h/b;</p><p>　　r=0.837-0.028*h/b;}</p><p>　　if(h/b>=3&&h/b<=4)</p>&l

68、t;p>　　{a=0.222+0.015*h/b;</p><p>　　r=0.777-0.008*h/b ;}</p><p>　　Z1=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h)+6*G*Mx/(b*h*h) ;</p><p>　　Z2=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h);</p><p>　　Z3=F/(b*h)+6

69、*G*Mx/(b*h*h) ;</p><p>　　Q2=G*My/(b*b*h*a) ;</p><p><b>　　Q3=r*Q2;</b></p><p>　　Y2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2);</p><p>　　Y3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);</p><p>

70、　　if(Z1<=Y&&(Y2-Y)/Y<0.05&&(Y3-Y)/Y<0.05)</p><p><b>　　{s=h*b;</b></p><p><b>　　if(s<m)</b></p><p>　　{m=s;h1=h;b1=b;}}}</p>