材料力学课程设计 (2).docx

1、材料力学课程设计一、 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

2、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。三、 设计题目某车床主轴尺寸及受力情况如图1所示。在A、B、C三个支座的中间支座B处，轴承与轴承座之间有间隙，正常工作时，B处轴承不起支撑作用，此时主轴处于A、C两支座下的静定状态。当B截

3、面处弯曲变形大于间隙时，主轴处于A、B、C三支座下的静不定状态。轴截面E处装有斜齿轮，其法向压力角为，螺旋角为，工作处的切削力有Fx、Fy、Fz（在进行强度、刚度计算时，可以不计轴向力Fx的影响，而以弯曲、扭转变形为主）。轴的材料为优质碳素结构钢（45钢），表面磨削加工，氮化处理。其他已知数据见表1。1、 试按静定梁（A、C支撑）的强度、刚度条件设计等截面空心圆轴外径 D(d/D值可见数据表2)，并计算这时轴上B截面处的实际位移。2、 在安装齿轮的E截面处有一铣刀加工的键槽，试校核此截面处的疲劳强度。规定的安全系数n=3（=420，=240）。3、 对静不定情况（A、B、C支撑），同时根据强度

4、、刚度条件设计外径D，并用疲劳强度理论校核。表1： 20100.51503.33.50.0028注意：设计中不考虑轴的旋转静定要求和热变形的影响，并且将各轴承视为刚体，且不产生刚体位移，不考虑制造工艺和尺寸链等因素。表2：（设计计算数据表14）/m/m/mA/mB/mR/m(n/(r/min)P/kw/N/N140.160.500.150.120.160.12455005.00.7042002100图1:四对主轴静定情况校核由公式可知Me=9549pkwnrmin=95495.0500=95.49Nm 由Me=FtR可得Ft=MeR=95.490.12=795.75N 由斜齿轮受力分析得： F

5、r=Fttancos=795.750.3640.985=294.06N则有：FEy=FtsinFrcos=795.750.707294.060.707=354.69NFEz=Ftcos+Frsin=795.750.707+294.060.707=770.50NFy=FHyFz=FHzM1=Fyb=FHyb=42000.16=672NmM2=Fzb=FHzb=21000.16=336Nm由图1受力分析求支座反力FAy、FAz、FCy、FCz：MCz=FAyL1+L2+FEyaM1FyL3=0FAy=1908.24NMAZ=FCyL1+L2+FEyL1+L2a+M1+Fy（L1+L2+L3）=0F

6、Cy=6462.93NMCy=FAZL1+L2+FEZa+M2+FZL3=0FAZ=1126.45NMAy=FCZL1+L2+FEZL1+L2aM2FZ（L1+L2+L3）=0FCZ=2455.95N根据已知分别作Y、Z方向的剪力图与弯矩图，如下图： 由剪力图及弯矩图可知C点为危险点且：MC=MCy2+MCZ2=6512+1153.612=1324.62Nm1.根据第三强度理论校核：r3=MC2+Me2W=150MPa 且 代入数据解得： D14.91102m2.由刚度对轴校核：利用图乘法对各点进行刚度校核：1) 根据D点刚度计算轴径，在D点分别沿y、z轴加一单位力,其弯矩图如下图所示： 1=

7、278.22 2=7.39 3=123.65 4=36.12 5=100.8=0.082=0.141=0.1365=0.1=0.07551.91EI1=164.242 =2.563=72.994=23.635=50.4=0.082 =0.141 =0.1365 =0.1 =0.07529.93EI59.92EI E=210 I=D459.922101090.0373.3104 即 D26.95102m2) 根据E点刚度计算轴径，在E点分别沿y、Z轴加一单位力有弯矩图如下图 1=278.22 2=7.39 3=123.65=0.08=0.04=0.061=164.242 =2.563=72.99

8、=0.08=0.04=0.06 即： 解得:3）根据C点刚度计算直径，在C点处加一单位力偶得下图所示弯矩图：1=278.22 2=7.39 3=123.651=164.242 =2.563=72.99 即： 解得：m 综上所述：D=DmaxD1、D2、D3、D4=6.95102m当D=6.95102m时，计算B点的实际位移：（应用图乘法）1=278.22 2=7.39 3=123.65 4=36.12 5=100.8=0.08=0.084=0.093=0.044=0.0331=164.242 =2.563=72.994=23.635=50.4=0.08 =0.084 =0.093 =0.044

9、 =0.0333.对E截面处疲劳强度校核:计算轴在E截面上的最大工作应力，若不计键槽对抗弯截面系数的影响，则危险截面处抗弯截面系数：由弯矩M不变可知该循环为对称循环，则有：Wp=2Wz=2W=5.58105m3由教材查得 则： 故E处满足疲劳强度要求。五 对超静定情况进行校核由，故轴为超静定，且为一次静不定。由变形协调条件可知：。分别沿y、z轴加一单位力并作、及单位力的弯矩图有：1=0.01FBy2=0.05FBy; 代入上式有：FBy=6297.92N1=0.01FBy2=0.05FBy; 又;代入上式有：FBz=2872.92N从而求A、C点的支反力有：MCy=FAZL1+L2+FBzL2

10、+FEza+M2+FZL3=0FAz=3302.91NMCz=FAyL1+L2+FByL2+FEyaM1FyL3=0FAy=3053.82NMAy=FCZL1+L2+FBzL1+FEZL1+L2aM2FZ（L1+L2+L3)=0FCz=1759.49NMAZ=FByL1+FCyL1+L2+FEyL1+L2a+M1+Fy（L1+L2+L3)=0FCy=7798.79N做剪力图、如下所示：做弯矩图、如下图所示：由上图知C点为危险点：1）.第三强度理论校核有：且 代入数据解得：2）.由刚度对轴校核： 利用图乘法对各点进行刚度校核：1. 根据D点的刚度对主轴进行校核，分别沿Y、Z轴加一单位力得到如下图

11、所示弯矩图：1=39.09 2=48.37 3=112.37 4=25.91 5=89.30 6=104.167=156.24=0.024=0.051=0.109=0.141=0.137=0.1=0.0751=42.28 2=31.05 3=200.824=2.45 5=78.12 6=52.087=97.65=0.024=0.094=0.080=0.132=0.137 =0.1 =0.075则： 解得：2. 根据E点的刚度计算轴经，在E点分别沿y、z轴加一单位力，弯矩图如下：1=39.09 2=48.37 3=112.37 4=25.91 5=89.3=0.024=0.051=0.107=0

12、.04=0.061=42.28 2=31.05 3=200.82 4=2.45 5=78.12=0.024=0.092=0.078=0.08=0.063. 根据C点的刚度对轴校核：在C点分别加一绕Y、Z方向的单位偶有弯矩图如下：1=39.09 2=48.37 3=112.37 4=25.91 5=89.3=1.001=42.28 2=31.05 3=200.82 4=2.45 5=78.12=1.003）疲劳强度校核：截面处抗弯截面系数：由弯矩M不变可知该循环为对称循环，则有：Wp=2Wz=2W=5.58105m3由教材查得 则：故满足强度条件。六.循环计算程序#include #includ

13、e #include #define pi 3.14159#define ip pi/180using namespace std;double L1,L2,L3,a,b,a0,n,P,R,i,FHy,FHz,Fby=0,Fbz=0,Fdy,Fcy,Fcz,Fey,Fez,Mby,Mbz,Mcy,Mcz,Mey,Mez,Mac,Md,Mc,Me,w,x=150,e=0.21,d,fby0,fbz0,fby1,fbz1,fe=0.00035,fd=0.00033,ac=0.0028,aMb,aMc,aMe,aac,fb=0.00005,Ffb,big,SM,SN,B1,SD,FFF,Fdz,Md

14、z,Mdy,Fay,Faz,ffb,fdz;voidzaihe();voidwaili();voidqiangdu();voidnaodu();voidfanlib();voidzhuanjiao();voidxunhuan();voidnaodue();void main()float big1,big2,big3,big4;cout输入原始数据:L1L2L3abRa0nPiFHyFHz;cout所输入数据为:endl; coutL1=L1L2=L2L3=L3a=ab=bR=Ra0=a0n=nP=Pi=iFHy=FHyFHz=FHzendl;aMc=1*L3;aMe=(L1+L2-a)*a/

15、(L1+L2)*1;aac=1;aMb=1*L1*12/(L1+L2); w=pi*(1-i*i*i)/32;zaihe();waili();cout辅助计算外力（静定）:endl;coutFay=FayNFaz=FazNFby=FbyNFbz=FbzNFcy=FcyNFcz=FczN; coutMdy=MdyN*mMdz=MdzN*mMey=MeyN*mMez=MezN*mMe=MeN*mendl;qiangdu();coutD1=big1mendl;big=big1;naodue();coutD2=dmendl; big2=(float)d;if(bigbig2) big=big2;nao

16、due();coutD3=dmendl; big3=(float)d;if(bigbig3) big=big3;zhuanjiao();coutD4=dmendl; big4=(float)d;if(bigbig4) big=big4;coutD=bigmendl;fanlib();if(ffb=fb) cout可判定此结构为静定结构endl;else cout 可判定此结构为超静定结构endl; SM=0;SN=big;SD=(SN+SM)/2; B1=1+fbz0*fbz0/(fby0*fby0); B1=sqrt(B1); FFF=(L1+L2)*aMb*aMb/(e*0.147);fa

17、nlib();xunhuan();coutendl; void zaihe()long double Ft,FHy,An=20.0,Bn=10.0; Ft=30*P*1000/(n*pi*R);FHy=Ft*tan(An*ip)/cos(Bn*ip); Fey=Ft*sin(a0*ip)-FHy*cos(a0*ip); Fez=Ft*cos(a0*ip)+FHy*sin(a0*ip); Me=Ft*R;Md=-Me;Fdy=FHy;Fdz=-FHz;Mdy=Fdy*b;Mdz=Fdz*b;void waili() Fay=(Fdz*L3+Mdz-Fez*a-Fbz*L2)/(L1+L2);Fc

18、y=(-Fdy*(L1+L2+L3)-Mdy-Fey*(L1+L2-a)/(L1+L2);Faz=(Fdy*L3+Mdy-Fey*a-Fby*L2)/(L1+L2);Fcz=(-Fdz*(L1+L2+L3)-Mdz-Fez*(L1+L2-a) /(L1+L2);Mby=Fay*L1;Mbz=Faz*L1;Mey=Fay*(L1+L2-a)+Fby*(L2-a);Mez=Faz*(L1+L2-a)+Fbz*(L2-a);Mcy=Fay*(L1+L2)+Fby*L2+Fey*a;Mcz=Faz*(L1+L2)+Fbz*L2+Fez*a; void qiangdu()long double Xmax

19、,Mmax,Xmax1,Xmax3,Xmax2=0.0;Mc=sqrt(Mcy*Mcy+Mcz*Mcz);Xmax=Mc/w;Mmax=Me/(2*w); Xmax3=-Xmax/2-sqrt(Xmax/2)*(Xmax/2)+Mmax*Mmax); Xmax1=-Xmax/2+sqrt(Xmax/2)*(Xmax/2)+Mmax*Mmax); d=sqrt(Xmax1-Xmax2)*(Xmax1-Xmax2)+(Xmax2-Xmax3)*(Xmax2-Xmax3)+(Xmax3-Xmax1)*(Xmax3-Xmax1)/2)/x; d=pow(d,0.333333); d=d/100; d=

20、(float)d; voidnaodu()long double fffd1,fffdy,fdz;fffdy=L1*Mby*L1*aMc/(L1+L2)/0.147/e; fffdy+=(L2-a)*(Mby*(2*aMc*L1/(L1+L2)+aMc*(L1+L2-a)/(L1+L2)+Mey*(2*aMc*(L1+L2-a)/(L1+L2)+aMc*L1/(L1+L2)/(0.294*e); fffdy+=a*(Mey*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/(L1+L2)+aMc)+Mcy*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/( L1+L2)/(0.294*e);fffdy+=L

21、3*Mac*(Mdy-2*Mcy)/(0.294*e);fdz=L1*Mbz*L1*aMc/(L1+L2)/0.147/e; fdz+=(L2-a)*(Mbz*(2*aMc*L1/(L1+L2)+aMc*(L1+L2-a)/(L1+L2)+Mez*(2*aMc*(L1+L2-a)/(L1+L2)+aMc*L1/(L1+L2)/(0.294*e); fdz+=a*(Mez*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/(L1+L2)+aMc)+Mez*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/(L1+L2)/(0.294*e);fdz+=L3*Mac*(Mdz+2*Mcz)/(0.294*e); f

22、ffd1=pi*sqrt(fffdy*fffdy+fdz*fdz)/w/32/fd; d=pow(fffd1,0.25); d=d/1000; d=(float)d; voidnaodue()long double e1,ey,ez;ey=L1*Mby*L1*aMe/(L1+L2-a)/0.147/e; ey+=(L2-a)*(Mby*(2*aMe*L1/(L1+L2-a)+aMe)+Mey*(2*aMe*aMe*L1/(L1+L2-a)/0.294/e; ey+=a*aMe*(Mcy+2*Mey)/(0.294*e);ez=L1*Mbz*L1*aMe/(L1+L2-a)/0.147/e; f

23、dz+=(L2-a)*(Mbz*(2*aMe*L1/(L1+L2-a)+aMe)+Mez*(2*aMe*L1/(L1+L2-a)/(0.294*e);fdz+=a*aMe*(Mcz-2*Mez)/(0.294*e); e1=pi*sqrt(ey*ey+ez*ez)/w/32/e; d=pow(e1,0.25); d=d/1000; d=(float)d; voidzhuanjiao()long double c1,cy,cz; cy=L1*Mby*L1*ac/(L1+L2)/0.147/e; cy+=(L2-a)*(Mby*(2*aac*L1/(L1+L2)+aac*(L1+L2-a)/(L1

24、+L2)+Mey*(2*aac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+aac*L1/(L1+L2)/(0.294*e); cy+=a*(Mey*(2*(L1+L2-a)*aac/(L1+L2)+aac)+Mcy*(2*aac+(L1+L2-a)/(L1+L2) )/(0.294*e);cz=L1*Mbz*L1*ac/(L1+L2)/0.147/e; cz+=(L2-a)*(Mbz*(2*aac*L1/(L1+L2)+aac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+Mez*(2*aac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+aac*L1/(L1+L2)/(0.294*e); cz+=a*(Mez*(2*

25、(L1+L2-a)*aac/(L1+L2)+aac)+Mcz*(2*aac+(L1+L2-a)/( L1+L2) )/(0.294*e); c1=pi*sqrt(cy*cy+cz*cz)/w/32/ac; d=pow(c1,0.25); d=d/1000; d=(float)d; voidfanlib()long double b1,by,bz; by=L1*Mby*aMb/0.147/e; by+=(L1+L2-a)*(Mby*(2*aMb+(L2-a)/L2*aMb)+Mey*(2*(L2-a)/L2*aMb+aMb)/0.294/e;by+=a*(L2-a)*aMb*(Mcz+2*Mey

26、)/(0.294*e);bz=L1*Mbz*aMb/0.147/e; bz+=(L1+L2-a)*(Mbz*(2*aMb+(L2-a)/L2*aMb)+Mez*(2*(L2-a)/L2*aMb+aMb)/ (0.294*e);bz+=a*(L2-a)/L2*aMb*(Mcz+2*Mez)/(0.294*e); fby0=by;fbz0=bz; b1=pi*sqrt(by*by+bz*bz)*pi/w/big/big/big/big/640e11;ffb=(float)b1;coutB点的实际位移：S=ffbmendl;voidxunhuan()double A,big1,big2,big3,b

27、ig4;do waili();qiangdu(); big1=d;big=big1;naodue(); big2=d;if(bigbig1) big=big2;naodue(); big3=d;if(bigbig3) big=big3;zhuanjiao(); big4=(float)d;if(big=0.0001);cout在超静定情况下的直径 :D=bigmendl;七课程设计总结本次课程设计涉及到了很多以前学习过的知识，包括绘图工具、公式编入器、材料力学、理论力学、AutoCAD、C语言编程。在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期学习时我在这方面的知识欠缺和经验不足。通过本次课程设计，我学习到了课本以外的知识。这次课程设计是我以前学习的一个阶段性总结，从中我看到了自己知识方面的不足和学科综合的重要性。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，因而我会更加扎实的学习所学课程并广泛涉猎其他学科，在提高专业知识水平的基础上进一步提高自己的综合素质。