材料力学课程设计.doc
材料力学课程设计五种传动轴静变形强度丶刚度及疲劳强度计算 专业：工程机械 姓名：陈文 班级：工机三班 学号：20116274 指导老师：任小平2013.6.1目录一丶课程设计的目的.1二丶课程设计的任务和要求.1三丶设计题目.31.绘出传动轴的受力简图.42.作弯矩图和扭矩图.53.根据强度条件设计等直轴的直径.84.计算齿轮处的挠度.105 .阶梯传动轴疲劳强度的计算.13四丶C语言程序.16五丶心得体会.18一、 课程设计的目的材料力学课程设计的目的是在于系统学习材料力学后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题之目的。同时，可以使我们将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体。既从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题，解决问题的能力；既把以前所学的知识综合应用，又为后继课程打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。1）使所学的材料力学知识系统化，完整化。让我们在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际问题。2）综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），使相关学科的知识有机地联系起来。3）使我们初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法，为后续课程的学习打下基础。二、 课程设计的任务和要求要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并导出计算公式，独立编制计算程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。1、设计计算说明书的要求设计计算说明书是该题目设计思想, 设计方法和设计结果的说明。 要求书写工整, 语言简练, 条理清楚, 明确, 表达完整。 具体内容应包括: （1）设计题目的已知条件、 所求及零件图； （2）画出构件的受力分析计算简图, 按比例标明尺寸、 载荷及支座等； （3）静不定结构要画出构件的基本静定系统及与之相应的全部求解过程； （4）画出全部內力图, 并标明可能的各危险截面； （5）危险截面上各种应力的分布规律图及由此而判定各危险点的应力状态图； （6）各危险点的主应力大小及主平面位置； （7）选择强度理论并建立强度条件； （8）列出全部计算过程的理论根据，公式推导过程以及必要的说明； （9）对变形及刚度分析要写明所用的能量法计算过程及必要的内力图和单位力图； （10）疲劳强度计算部分要说明循环特征、最大应力、最小应力、平均应力、应力幅的计算，所查k、各系数的依据，并绘出该构件的持久极限曲线，疲劳强度校核过程及结果。2、分析讨论及说明部分的要求（1）分析计算结果是否合理，并分析其原因，改进措施；（2）提高改进设计的初步方案及设想；（3）提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。3、程序计算部分的要求（1）程序框图；（2）计算机程序（含必要的语言说明及标识符说明）；（3）打印结果（结果数据要填写到设计计算说明书上）。三丶设计题目传动轴的材料为优质碳素结构钢（牌号45），许用应力=80MPa，经高频淬火处理，其=650MPa,=300MPa, =155MPa,磨削轴的表面，键槽均为端铣加工，阶梯轴过渡圆弧r均为2，疲劳安全系数n=2。 要求：1) 绘出传动轴的受力简图;2) 作扭矩图及弯矩图；3) 根据强度条件设计等直轴的直径；4) 计算齿轮处轴的挠度；（按直径1的等直杆计算）5) 对阶梯传动轴进行疲劳强度计算；（若不满足，采取改进措施使其满足疲劳强度）；6) 对所取数据的理论根据作必要的说明。说明 ：1) 坐标的选取均按下图61所示；2) 齿轮上的力F与节圆相切；3) 数据表中 为直径D的皮带轮传递的功率， 为直径为D1的皮带轮传递的功率。图一：传动轴力学简图图二：传动轴的零件图1 为静强度条件所确定的轴径，尺寸最后一位数准确到mm，并取偶数。设。采用第8组数据。P/kWP1/kWnr/minD/mmD1/mmD2/mmG2/NG1/N/mm/°16.110.3440650300200650400400501.绘出传动轴的受力简图首先对如图所示传动轴进行受力分析，轴共受7个力作用，分别为皮带轮D对传动轴的力和，皮带轮对传动轴的力和2，齿轮对传动轴的力F，还有皮带轮D的重力和皮带轮的重力，由受力分析可知，支座A，B处受到两个方向上的约束反力。受力简图如下图所示:2.作弯矩图和扭矩图（1）求支反力1)在XOY面上传动轴受力简图如下:由己知条件可以求出:（与方向相反）根据扭矩平衡可知: ;解得：又有：求出： 根据扭矩平衡可知: 联立两式，可得： 2)在XOZ面上，传动轴的受力简图如下:根据受力平衡，可列平衡方程:联立两式，可得： （2） 弯矩图和扭矩图3.根据强度条件设计等直轴的直径（1）确定危险截面比较截而I、II、III的合成弯矩大小:由计算可知截面的合成弯矩最大，根据扭矩图可知截面的扭矩也是最大，所以传动轴的危险截面在截面。（2）根据强度条件设计直径 此题为圆轴弯扭组合变形，而传动轴的材料是碳素钢，是塑性材料，则适用第三强度理论。第三强度理论公式： 由上述子式可以得出：因为必须取整数，所以半径，。（3） 校核传动轴不同直径各段的强度;校核的强度由1.1得 则取54mm或56mm校核左端最大弯矩为 ，扭矩为，则。右端最大弯矩为，扭矩为则。取左端根据第三强度理论则即满足强度条件。所以，。4. 计算齿轮处的挠度（1） 求Y方向的挠度在轮处加一沿Y方向的单位力F，并绘制出单位力F作用下的弯矩图如下：将上述两个图对应图乘:代入数据进行计算（2） 求Z方向的挠度将上述两个图对应图乘代入数据进行计算（3） 将Y, Z方向的挠度进行合成传动轴总挠度是:与XOY面得夹角为5 .阶梯传动轴疲劳强度的计算疲劳强度校核共需校核如图所示1、2、3、4、5、6、7、8一共八个点，校核的基本方法和原理如下：首先计算轴的工作应力，对于本题除去1、8两点无正应力外，其他各点均看作对称循环，弯曲正应力、和循环特征r计算公式如下: 再综合所计算得的数值并结合所给出的数值通过查表，确定各点有效应力集中系数：、，尺寸系数:、，表面质量系数:，敏感系数:，所查结果在下表中。接下来就是计算弯曲工作安全系数:计算弯扭组合交变应力下轴的工作安全系数 此外还要控制构件的静载荷强度，此时屈服强度条件为:式中为按最大剪应力强度理论计算得。查表得:如果和均大于n，我们就认为轴是安全的。各校核截面参数参数校核点初始应力集中系数尺寸系数表面质量系数敏感系数计算所用直径d(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各校核截面弯矩校核点(N·m)(N·m)(N·m)(N·m)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校核八个点的疲劳强度及其安全系数，将结果记录如下校核点(Mpa)(Mpa)(Mpa)(Mpa)(Mpa)(Mpa)107.2343.1343.1324.40252.697.236.3248.486.276.46367.245.284.8265.664.815.19443.496.197.1049.187.027.81537.296.798.1449.208.038.89647.978.246.7542.026.676.96742.5911.317.8331.017.597.328011.3127.5927.5915.61由于疲劳安全系数n=2，所以均符合要求。四丶C语言程序疲劳强度部分的校核通过C语言完成#define PI 3.14 #include<math.h>#include<stdio.h> void main() int d; float a8; float t8; float Na8; floatNt8; float Nat8; float Nat28; float s=353; floatbeita=2.4; float Fai=0.1; floatsigema=300; floattao=155; float Ka8=1.82,1.75,1.80,1.82,1.85,1.80,1.75,1.72; float Kt8=1.63,1.43,1.45,1.63,1.47,1.45,1.43,1.63; float Ea8=0.81,0.81,0.81,0.78,0.78,0.81,0.81,0.81; float Et8=0.76,0.76,0.76,0.74,0.74,0.76,0.76,0.76; float Mxy8=0,814.12,1425.05,1226.84,959.23,1016.64,658.04,0; float Mx8=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("输入被校核截面序号及直径:"); scanf("%d%d",&j,&d); aj-1=32*Mxyj-1*1000/(PI*pow(d,3); printf("amax%d=%4.2fn",j,aj-1); tj-1=16*Mxj-1*1000/(PI*pow(d,3); printf("tmax%d=%4.2fn",j,tj-1); if(tj-1!=0&&aj-1!=0) Naj-1=sigema*Eaj-1*beita/(Kaj-1*aj-1); Ntj-1=2*tao/(Ktj-1*tj-1/(Etj-1*beita)+Fai*tj-1); Natj-1=Naj-1*Ntj-1/sqrt(Naj-1*Naj-1+Ntj-1*Ntj-1); printf("Na%d=%4.2fn",j,Naj-1); printf("Nt%d=%4.2fn",j,Ntj-1); printf("Nat%d=%4.2fn",j,Natj-1); else if(tj-1=0&&aj-1!=0) Naj-1=sigema*Eaj-1*beita/(Kaj-1*aj-1);Natj-1=sigema*Eaj-1*beita/(Kaj-1*aj-1); printf("Na%d=%4.2fn",j,Naj-1); printf("Nat%d=%4.2fn",j,Natj-1); else if(aj-1=0&&tj-1!=0) Ntj-1=2*tao/(Ktj-1*tj-1/(Etj-1*beita)+Fai*tj-1); printf("Nt%d=%4.2fn",j,Ntj-1); Natj-1=2*tao/(Ktj-1*tj-1/(Etj-1*beita)+Fai*tj-1); printf("Nat%d=%4.2fn",j,Natj-1); Nat2j-1=(PI*s*pow(d,3)/(1000*(32*sqrt(Mxyj-1*Mxyj-1+Mxj-1*Mxj-1); printf("Nat2%d=%4.2fn",j,Nat2j-1); if(Natj-1>2&&Nat2j-1>2) printf("该截面安全n"); else printf("该截面不安全n"); printf("*nn"); C程序运行结果截图 五丶心得体会 通过这次课程设计，让我对材料力学这门学科有了一个全面详细的复习与巩固，加深了对各个知识点的理解，把知识与实际联系到了一起。也让我认识到，一个简单的轴的分析就要考虑到这么多的因素，那么一个复杂的零件，甚至是机械，难度就可想而知了。所以我们应该踏实地学习和工作，认真分析每一个数据，不要让机器出现任何安全事故。
