材料力学课程设计 计算说明书--曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算.docx

材料力学课程设计计算说明书设计题目：曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算目录一、核计R的3二、核计G务和要求32.1、设计计算说明书的要求32.2、分析讨论及说明书部分的要求42.3、程序计算部分的要求4三、於¢+虱目43.1、 数据1）画出曲柄轴的内力图52）设计主轴颈D和曲柄颈直径d83）校核曲柄臂的强度94）校核主轴颈飞轮处的疲劳强度155）用能量法计算A端截面的转角夕，。16四、台新讨卷及必要说明20五、微计的改述措麴及方彼20殁计体会21七、参考条献21附录一 .流程图24二 .C语言程序25三 .计算输出结果28一、设计目的本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，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，以达到综合利用材料力学知识解决工程实际问题的目的。同时.，可以使学生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计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识(高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等)的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有一下六项：（1） .使所学的材料力学知识系统化、完整化。（2） .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中的问题。（3） .由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可把材料力学与专业需要结合起来。（4） .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。（5） .初步了解和掌握工程实际中的设计思路和设计方法。（6） .为后续课程的教学打下基础。二、设计任务和要求参加设计者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条件和所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并到处计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。2.1、 计计算说明书的要求设计计算说明书是该题目设计思路、设计方法和设计结果的说明，要求书写工整，语言简练，条理清晰、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）画出结构的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。3）静不定结构要画出所选择的基本静定系统及与之相应的全部求和过程。4）画出全部内力图，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判定各危险点处的应力状态图。6）选择强度理论并建立强度条件。7）列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程以及必要的说明。8）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。9）疲劳强度计算部分要说明循环特性，max,min,r,w,2的计算，所查K,£,£各系数的依据，疲劳强度校核过程及结果。2.2、 分析讨论及说明部分的要求1）分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。2）提出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。2.3、 程序计算部分的要求1）计算机程序。2）打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。三、设计题目某曲柄轴材料为球墨铸铁（QT40010）,=120MPa,曲柄臂抽象为矩形（图7-12）,h=1.2D,bh=23（左、右臂尺寸相同），I=L5e,51,有关数据查下表：F/kNW/kNmIi/I3mme/mm0(0)156.240025012012012要求：（一）画出曲柄轴的内力图。（二）按强度条件设计主轴颈D和曲轴颈的直径丸（三）校核曲柄臂的强度。（四）安装飞轮处为键槽，校核主轴颈的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2。键槽为端铳加工，轴颈表面为车削加工，r1=160MPa,r=0.05,与=0.76。（五）用能量法计算/端截面的转角y.zO图7“2（一）、画出曲轴的内力图（1）.外力分析画出曲轴的计算简图（上图），计算F分力和扭矩Mx。Fy=F*sinFz=F*cosMx=Fz*e由平衡条件计算反力M（八）Z=EXI1+%X(L÷l2)=nFb:=督=9029.06NFy*l-W*(1 + 2 + 3)-5425.43NM(A)EXx+Fy×(1,+12)+W×(11+12+I3)=0=>/1+/2Kz+/=工=双=S2=5643.16N%+/汇+W=0nR =Fv*2 + W*3/1+/2-2344.11N（2）内力分析内力图如下，不计弯曲切应力，弯矩图画在纤维受压侧，根据内力图确定危截面。（单位：力-N力矩Nm）1）主轴颈C端面为危险截面，受到两项弯矩和扭转MMe=1768.12NmM：=取*(11+)-E*4=867.93N.mMl=FY(1÷4)-Fz*4=j444.65Nm2）右曲柄臂下端面为危险截面，受到两项弯矩和扭转和轴力M21=Me=1768.12N-mM2,=B产(/1+/4)-Fz*/4=1444.65Nm2i=FAy*(/1+/4)-Fv*/4=867.93NmEv2=W+=774.57N左曲柄臂上端面为危险截面，受到两项弯矩，扭转和轴力M,2x=Zmi*=677.18Nm=Faz*(i-4)=1749.38NmMZ=氏*(-；4)=726.67NmF,Af2=Fa,.=2344.IlN3）曲轴颈中间截面D为危险截面，受扭转和两向弯曲3t=f*e=677.18N-mM3r=f*=2257.26Nm"3：=EV*=937.64Nm（二）、设计曲轴颈直径d和主轴颈D（1）主轴颈的危险截面为C截面，受扭转和两向弯曲，可用第三强度理论计算：3%M2+必*=0.059Im故D取60mm。（2）曲轴颈属于弯扭组合变形，由第三强度理论可得:r3=Jm.2+M3v2+3j*J»rVjjy>x=0.0599m故d取60mm。（三）、校核曲柄臂的强度曲柄臂的危险截面为矩形截面，受扭转、两向弯曲及轴力的作用。为确定危险点的位置，画出曲柄臂上截面应力分布图。左曲柄臂的强度计算(FQ(My)根据应力分布图可判定出可能的危险点为R,D2tD3O1）对DI点进行应力分析。F' N2 M,2x *2zDl点处于单向拉伸和两项弯曲的拉应力，此时扭转切应力为零=+AV½2V½3Fn2M'2xM,2z=IaaIIaMbhhh16hb2=42612280Pa<120000000Pa=a2）对2点进行应力分析。由于2有扭转切应力，查材料力学表3-1,得到,oM,2yT=ahb=5045717IP。F' N2 MyIz正应力由轴力、绕Z轴的弯矩共同引起。=1AW：2F'n2M,2z=1TT-bhhb262344.U726.670.048*0.0720.072*0.04826=26961186Pa由于2点处于二向应力状态，故选用第三强度理论：r3=V24-4r=269611862+4*504571712=104453865P4<120000000P4=3)对2点进行应力分析。同理可得：r'=zr=0.858*50457171=43292253Pfl,F,N2M'2x=+AWxi二FMbh+bh2/62344.U677.18-0.048*0.072-0.048*0.072*=17(X)688()Pa应用第三强度理论：C,r3=V<7'2+4,2=JI700688(f+4*4329225于=88238940Pa<120000000Pa=a故，综上所述3个危险点都是安全的，所以左曲轴臂安全右曲轴臂的强度计算O(Mx)根据应力分布图可判定出可能的危险点为R,D2,D3O1）对D1点进行应力分析。Dl点处于单向拉伸，所以正应力Fn2MIx=1AW.3Fn2MixMlz11hhhh26hb26774.571768.12867.930.048*0.0720.048*0.072260.072*0.04826=74250334Pa<120000000P。=a2）对&点进行应力分析。由于2有扭转切应力，查表31,得到,°Mly=-ahb21444.650.209*0.072*0.0482=41667878P正应力由轴力、绕Z轴的弯矩共同引起。Fn2Mlz=+AW:3_Fn2MIzbhhb2/6774.57867.930.048*0.0720.072*0.04826=31616267Pa由于2点处于二向应力状态，故选用第三强度理论：r3=V2+4r2=316162672+4*416678782=89131569Pa<120000000Pa=a2）对2点进行应力分析。同理可得,=0.858*41667878=35751039&,Fn2M2x=+AWx3_Fn2Mixbh+bh2/6744.571768.12-0.048*0.072-0.048*0.072*=42849509Pa应用第三强度理论：,r3=V'+4r,=428495092+4*357510392=83358428P<120000000P。=a故，综上所述3个危险点都是安全的，所以右曲轴臂安全（四）、校核主轴颈安装飞轮的键槽处截面的疲劳强度查材料力学得有效应力集中系数Kr=1.30,表面质量系数4=0.95已知J=I60M4,匕=0.05,=0.76,n=2o安装飞轮的键槽处只受扭转作用，并且由于曲轴的启停，可以看做在启动之后正常工作时是看做为所受扭转带来的切应力是最大值max，而停止时是最小的in，可以看作为一种应力循环。忽略键槽对抗扭截面系数的影响，飞轮处截面抗扭截面系数W=p16曲轴工作时，在不变扭矩MC作用下,.Me16*1768.12Tmax=-=-=41689635Pa冗£>3/16*0.063max曲轴不工作时Tmin二 °r = - = 故该循环为脉动循环。Tmax-TminCCC/ClrnTa=20844817Pa2=rmax+rmin=20844818Pa2安全系数:-l”芯Ta+llTm邸160*IO6130*20844818-0.05*208448180.76*0.95=4.5>2所以，飞轮处截面的疲劳强度是足够的。（五）、用能量法计算A截面的转角出o采用图乘法分别求解截面的转角4，zoI、求6：在截面A加一单位力偶矩M,并求得支座反力如下图所示。当二60wn,h=60mm时，查表可得：=0.19664GI=G7hb3a=£SMCiGLn÷/=1WiMdEh=0.0052rd方向与单位力偶矩相同。H、求。:L=型,64/广世212八£GJiMd£BiMCi6=y+yEliEA=0.23rad方向与单位力偶矩相同。四、分析讨论及必要说明在本次设计中，做以下几点说明： 在外力分析时，在设定未知力的时候，由于已知没有X方向的外力，故未设反，FfxO 在画内力图时，不计弯曲切应力，故未画剪力图。 在强度计算方面，由于材料是球墨铸铁（QT400T0）,其物理性质与刚相近,用第三强度理论而不用第一或第二强度理论公式。 在校核曲柄臂时，画内力分布时，把曲柄臂的危险截面看成矩形， 在疲劳强度校核飞轮截面时，忽略键槽对%n的影响。五、设计的改进措施及方法1、提高曲轴的弯曲强度合理安排曲轴的受力情况及设计合理的截面，但对于该曲轴只能采用合理安排曲轴的受力情况。在结构允许的情况下，可采取合理设计和布置支座或将集中载荷适当分散。2、提高曲轴的弯曲刚度提高弯曲刚度的主要措施有：改善结构形式，减少弯矩的数值、选择合理的截面及合理选材等。对于该曲轴可以改善结构形式，减少弯矩的数值并且合理选材，选择合适的材料。3、提高曲轴的疲劳强度1）减缓应力集中。为了消除和缓解应力集中，再设计曲轴时，应尽量避免出现方形直角或带有尖角的孔和槽，即在主轴颈和曲柄臂相连处应采用半径较大的过度圆角2）提高构件表面强度等。提高曲轴表面的强度可通过两方面实现,一是从加工入手提高表面加工质量。可采用精细加工，降低表而粗糙度，尤其对高强度钢更重要；二是增加表层强度，对曲轴中应力集中的部位如键槽处应采取某些工艺措施，即表面热处理或化学处理，如表面高频淬火、渗碳、滚压、喷丸等。六、设计体会这次课程设计让我深深地体会到了自身能力的不足，不光是在材力这门课上有很多不足之处，同时Word、C语言等软件及编程语言也很欠缺；不过能够发现问题，也算是很幸运了。通过本次课程设计，使我对财力知识点进行了一定程度的复习与巩固，同时加强了我的Word操作技能。不过C语言是在太弱。希望在之后的学习与生活中，能够努力学习各科知识，同时努力提升自己更方面能力！七、参考文献1、材料力学/聂毓琴，孟光伟主编，北京：机械工业出版社。2、材料力学实验与课程设计/聂毓琴、吴宏主编，北京：机械工业出版社。3、C程序设计教程/张玉春，孙大元主编，北京：清华大学出版社。附录一、流程图:二、C语言程序#include<stdio.h>#include<math.h>#definePi3.1415926#definen2#definei120e6#defineE150e9intmain()intangle,dzD;doubletempsempcfFyzFz,M×zeJJlJ2J3J4,FzFAy,FAzzFByzFBz,WzMxlzMylzMzlzMx2zMy2zMz2,DD,g,f,dd,h,bAsl,s2,s3,t2,t3,a,sr2,sr3j,sll,s22,s33,t22,t33,sr22,sr33,tmax,tmin,Rztmzta,ntKtzEtzBzptzQlzQllzQ12zQ13,Q14,Q15zQ16zEH,E2zEI3zQ2zQ2Q22zQ23zQ24,Q25,GG,Bl,u,G;printf("enterthedataF,WJl,l2,l3ze,anglen");SCanfd%lf,%lf,%lf,%lf,%lf,%lf,%d”,&F,&W,&ll,&l2,&l3,&e,&angle);temps=sin(angle*Pi180);tempc=cos(angle*Pi180);Fy=F*temps;Fz=F*tempc;Mx=Fz*e;printf("Fy=%lfzFz=%lfzMx=%n",F½FzzMx);FBz=Fz*ll(ll+l2);FBy=(Fy*ll-W*(ll+l2+l3)(ll+l2);FAz=I2*Fz(I1+I2);FAy=(Fy*l2+W*l3)(ll+l2);printf("FAy=%lf,FAz=%lf,FBy=%lf,FBz=%n"zFAy,FAz,FByzFBz);l=1.5*e;14=0.5*1;Mxl=FAz*e+(Fz-FAz)*e;Myl=FAz*(ll+l4)-Fz*l4;Mzl=FAy*(ll+l4)-Fy*l4;f=sqrt(Mxl*M×l+Myl*Myl+Mzl*Mzl);g=32*f(Pi*i);DD=POW(g,1.0/5.0);My2=ll*FAz;M×2=e*FAz;Mz2=FAy*ll;f=sqrt(Mx2*M×2+My2*My2+Mz2*Mz2);g=32*f(Pi*i);dd=pow(g,LORO);printf("D=%.4lfm,d=%.4lfmn,DD,dd);D=(int)(1000*DD);d=(int)(1000*dd);if(d%2=0)d=d+2;elsed=d+l;if(D%2=0)D=D+2;elseD=D÷1;printf("D取%dmm,d取dmmn"zD,d);a=0.231;r=0.858;h=1.2*(double)D1000;b=2*h3;A=h*b;sl=FAyA+FAz*e*6(h*h*b)+FAy*6*(ll-l4)(b*b*h);printf("sl=%.2lfPaz"zsl);s2=FAyA+FAy*(ll-l4)*(b*b*h);t2=FAz*(ll-l4)(a*h*b*b);sr2=sqrt(s2*s2+4*t2*t2);printf("sr2=%lfPaz"zsr2);t3=r*t2;s3=FAyA+FAz*e*(h*h*b);sr3=sqrt(s3*s3+4*t3*t3);printf("sr3=%lfPan"zsr3);if(sl<=i&&sr2<=i&&sr3<=i)Printf("左曲轴臂安全n“)；sll=(W+FBy)A+M×l*(h*h*b)+(FAy*(ll+l4)-Fy*l4)*(h*b*b);printf("sll=%lfPaz",sll);s22=(W+FBy)A+(FAy*(ll+l4)-Fy*l4)*(h*b*b);t22=(FAz*(ll+l4)-Fz*l4)(a*h*b*b);sr22=sqrt(s22*s22+4*t22*t22);printf("sr22=%lfPa'zsr22);s33=(W+FBy)A+Mxl*(h*h*b);t33=r*t22;sr33=sqrt(s33*s33+4*t33*t33);printf("sr33=%lfPan"zsr33);if(sll<=i&&sr22<=i&&sr33<=i)Printf("右曲轴臂安全n“);Kt=1.2;Et=0.76;B=0.95;pt=O.O5;T=160e6;tmax=Mx*l(Pi*(double)D1000)*(double)D1000)*(double)D1000);tmin=0;R=tmintma×tm=(tmax+tmin)2;ta=(tmax-tmin)2;nt=T(Kt(Et*B)*ta+pt*tm);printf("nt=%n"znt);if(nt>=n)Printf("安全r);Ell=E*Pi*(double)D1000)*(double)D1000)*(double)D1000)*(double)D1000)4;日2=E*h*b*b*b12;EI3=E*Pi*(double)d1000)*(double)d1000)*(double)d1000)*(double)d1000)64;Qll=(ll-l4)*FAy*(ll-l4)2*(ll+2*l4+3*l2)(3*(ll+l2)Ell;Q12=FAy*(ll-l4)*e*(l2+l4)(ll+l2)EI2;Q13=(FAy*l4*l42*(3*l2+l4)(3*(ll+l2)+FAy*(ll-l4)*l4*(2*l2+l4)(2*(ll+l2)+(Fy-FAy)*l4*42*(3*l2d4)(3*(ll+l2)+(FAy*(ll+l4)-Fy*l4)*l4*(2*l2-l4)(2*(ll+l2)EI3;Q14=(l2-l4)(ll+l2)*e*(FAy*(ll+l4)-Fy*l4)EI2;Q15=(l2-l4)(ll+l2)*(l2-l4)2*(FAy*(ll+l4+(l2-l4)-Fy*(l4+(l2-l4)Ell;Q16=e(ll+l2)*E*h*b)*(W+FBy-FAy);Q1=Q11+Q12+Q13+Q14+Q15+Q16;printf("A点处转角z=%n",Ql);u=O.27;G=E(2*(l+u);Bl=0.196;Gll=G*Bl*h*b*b*b;Q21=FAz*(I1-I4)*(I1-I4)2*(I1+3*I2+2*I4)(3*(I1+I2)EI1;Q22=FAZ*(I1-I4)*e*(l2+I4)(ll+I2)GI1;Q23=(FAz*I4*I42*(3*I2+I4)(3*(I1+I2)+FAz*(I1-I4)*I4*(2*I2+I4)(2*(I1+I2)+(-FAz+Fz)*I4*42*(3*I2-I4)(3*(I1÷I2)+(FAz*(I1+I4)-I4*Fz)*I4*(2*I2-I4)(2*(I1+I2)EI3;Q24=(l2-l4)(l+2)*e*(FAz*(ll+l4)-l4*Fz)Gll;Q25=(I2-I4)(I1+I2)*(I2-I4)*(FAz*(I1+I4)-I4*Fz)(3*EI1);Q2=Q21+Q22+Q23+Q24+Q25;printf("A点处转角y=%n-zQ2);return0;)三、输出计算结果(C程序运行结果截图)*'D:MicrosoftVisualStudioCommonMSDev98BinDebugl.exe"enterthedata：F,W,11,12,13,e,angle15,6-2,400,250,120,120,12Fy=3.118675,Fz=14.672214,Mx=I760.665683FAy-2.344106,FAz-5.643159,FBy-S.425431,FBz-9.029055D=0.0591n,d=0.0599n故D取60md取60mmsi=42612280.00Pa,sr2三95011299.459820Pa,sr3=80022118.498480Pa左曲轴臂安全Sll=73846731.255731Pa,sr22=81673039.693190Pa,sr33=77378824.410113Pa右曲轴臂安全nt=4.502361安全A点处转角8z=2.314671A点处转角8y=5.202603Pressanykeytocontinue