HZ140TR2后置旅游车底盘车架的静力分析及强度刚度计算.docx
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HZ140TR2后置旅游车底盘车架的静力分析及强度刚度计算
清华大学
2013年材料力学课程设计
设计题目：
HZ140TR2后置旅游车底盘车架的静力分析及强度、刚度计算
姓名：
学号：
学院：
机械工程学院
专业：
一、材料力学课程设计的目的
本课程设计的目的是在于系统学习完材料力学之后，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，独立的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的计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力，既是为以前所学知识（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）的综合应用，又为后继课程（零件、专业课等）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。
具体的有以下六项：
1.使学生的材料力学知识系统化完整化；
2. 在全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程中的实际问题；
3. 由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可以把材料力学知识与专业需要结合起来；
4. 综合运用以前所学习的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等），使相关学科的只是有机的联系起来；
5.初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法；
6.为后续课程的教学打下基础。
材料力学课程设计的任务和要求
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，列出理论依据并导出计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果并完成了设计说明书。
二、材料力学课程设计的任务和要求
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，语言简洁，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）.静不定结构要画出所选择的基本静定系统及与之相应的全部求解过程。
（4）.画出全部内力图，并表面可能的各危险截面。
（5）.各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）.各危险点的主应力大小及主平面的位置。
（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依据、公式推导过程及必要的说明。
（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，бmax，бmin，r，бm，бa的计算，所查各系数的，ｋ,ε，β依据，疲劳强度校核过程及结果，并绘出构件的持久曲线。
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。
3、程序计算部分的要求
（1）.程序框图。
（2）.计算机程序（含必要的说明语言及标识符说明）。
（3）.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
HZ140TR2后置旅游车底盘车架简化后如下图所示。
满载时受重力FA作用，后部受重力FB作用，乘客区均布载荷为q（含部分车身重），梁为变截面梁。
计算过程中忽略圆角影响，并把梁抽象为等厚闭口薄壁矩形截面的阶梯梁。
材料的弹性模量E，许用应力[σ]及有关数据有表7-1给出。
其他数据选取设计计算数据第一组中的FB=4300N,q=15400N/m.
表7-1固定数据
1.1
1.6
3.1
1.6
2.1
0.1
0.06
0.12
t/m
E/GPa
[σ]/MPa
/N
0.08
0.11
0.07
0.005
210
160
2680
1.计算前簧固定端C处，前簧滑板D处、后簧固定端F处、后簧滑板G处的支反力。
2.画出车架的内力图。
3.画出各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线。
4.用能量法求出车架最大挠度
的值及所发生的截面，画出车架挠曲线的大致形状。
5.若壁厚t不变，取h/b=1.5，按等截面梁重新设计车架截面尺寸。
四、求解过程
1、求支座反力
此结构为三次超静定结构，但整个结构在水平方向上不受外力，因此可以简化为二次超静定结构。
去掉C、G两支座，加上外力X1、X2，静定基如图所示：
FAqFB
ACDFGB
X1X2
列出力法正则方程为：
（1）FA单独作用时：
（2）FB单独作用时：
（3）分布载荷q作用时，分3段：
CD部分均布载荷单独作用时
DF段均布载荷单独作用时
FG段单独作用时
X1处加单位力1单独作用时：
1*l2
ACDFGB
由此图可得：
X2处加单位力1单独作用时：
1*l4
ACDFGB
由此图可得：
由互等定理可知，
由公式
得到，
同理可得：
由图乘法可算得：
代入力法正则方程解得：
即FC=10294.65NFG=16125.05N
设D、F处支座反力为FD、FF，取向上为正，列平衡方程：
解上式得：
综上，
，向上
，向上
，向上
，向上
2、车架内力图
（1）剪力图
车架所受剪力方程为（单位:
N）：
剪力图为：
24176.82N
12444.95N
7614.65N
4090N
-2680N
-12035.05N
-16865.35N
-23253.18N
（2）弯矩图
对剪力方程积分得到弯矩方程为：
由弯矩方程连续性可知，分界点处弯矩相等且A、B两点弯矩为零，即：
故弯矩方程为（单位:
Nm）:
则弯矩图为：
-10348.60Nm-8916.92Nm-8589Nm
-3855.68Nm
-2948Nm
-1053.17Nm
8753.36Nm
3、各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线
根据上题中的弯矩方程和公式
可计算出各截面上弯曲正应力的最大值,最大正应力沿轴线变化的方程为（单位:
MPa）:
则最大正应力沿轴线方向变化曲线为:
139.86
-47.09
-75.11
-142.42
-16.82-165031-170.90
-61.55
-137.16
4、求车架最大挠度fmax的值及所发生的截面，画出车架挠曲线的大致形状
已知车架弯矩方程以及车架各部分的抗弯刚度EIZ,在A端加上单位力1,用图乘法求得A处的挠度为
同理可以求得B处挠度为
经过分析可知,车架最大挠度在B截面且
.
挠曲线大致形状如下图：
5、若壁厚t不变，取h/b=1.5，按等截面梁重新设计车架截面尺寸
重新设计截面梁的截面尺寸时的主要依据是使截面上的最大弯曲正应力小于许用应力。
根据弯矩图可以判断最大弯矩发生的截面，最大弯矩已知，想要改变最大正应力的大小，就需要根据
重新设计截面的尺寸。
根据弯曲正应力的强度条件
由弯矩图可知，最大弯矩发生在前簧滑板D处的截面：
带入数据解得：
h=0.122mb=0.081m
五、设计感想
通过材料力学课程设计首先我体验到了自己知识的缺乏，仅是学习课本会做课本上的习题是解决不了工程实际问题的。
至少目前是这样，目前所学的知识仅仅是可以去做做课后习题。
在做课程设计的时候，我使用了很多工具，我查了很多资料，利用网络和图书管的网上资源可以查到自己想要找的参考书籍。
另外在材料力学课程设计的过程中，解决工程实际问题的一般方法是把实际问题抽象成力学模型，并通过对力学模型的分析建立平衡方程，从而得到计算结果。
总体感觉在材料力学课程设计的时候涉及的知识方面很广，从CAD画出一般的受力图，到MATLAB根据方程画出内力图，并使用MATLAB绘图工具进行编辑。
从使用力学知识进行力学分析，到使用WORD编辑文档。
每一项想要做好都不是意见简单的事情，比如最简单的WORD，在编辑的时候可以使用标题，导航等各种工具以方便进行文档排版和设计，还有页眉页脚等使文档排版更加美观。
在做这些事情的时候，我觉得一篇文章就是一个学生综合能力的反映，也是学生对待课程设计态度的反映。
通过设计我的能力应该是得到了提高，在做设计的过程中，我对自己的设计过程最为不满的是自己的做题过程非常缓慢，相对于同班同学的平均时间，我大概多用了三四天的时间。
在设计过程中，我主要是重新复习了MATLAB的使用方法，并且学习了一些需要用到但是还没有学到的力学方面的知识，同时也参考了在网络上下载的一篇论文。
虽然我使用了一周左右是的时间写这篇论文，但是对自己的作品还是不太满意。
六、参考文献
聂毓琴吴宏《材料力学实验与课程设计》.2006.机械工业出版社
聂毓琴孟广伟《材料力学》.2009.机械工业出版社
谭浩强《C语言程序设计（第四版）》.2010.清华大学出版社
朱伟明孟广伟《材料力学全解》.2009.吉林大学出版社
李辉来《大学数学课程实验》.2008.高等教育出版社
附录部分运算程序段及结果截图
C语言程序段：
#include
#defineFA2680
main（）
{
doublel0=1.1,l1=1.6,l2=3.1,l3=1.6,l4=2.1;
doubleA1=l1/2,A2=l2/2,B2=l2/2,B3=l3/2;
doubleM0,M1,M2,M3,w1,w2,w3,H,G;
doubleFC,FD,FF,FD1,FD2,FF1,FF2,FG,FB,q,FZ;
doublelz1,lz2,lz3;
doubleb1=0.06,h1=0.1,b2=0.08,h2=0.12,b3=0.07,h3=0.11,t=0.005;/*"定义变量的值"*/
intn;
lz1=（b1*h1*h1*h1-（b1-2*t）*（h1-2*t）*（h1-2*t）*（h1-2*t））/12;
lz2=（b2*h2*h2*h2-（b2-2*t）*（h2-2*t）*（h2-2*t）*（h2-2*t））/12;
lz3=（b3*h3*h3*h3-（b3-2*t）*（h3-2*t）*（h3-2*t）*（h3-2*t））/12;/*"计算个截面的惯性矩"*/
printf（"lz1=%e\nlz2=%e\nlz3=%e\n",lz1,lz2,lz3）;
for（n=1;n<=10;n++）
{printf（"Enterq,FB:
\n"）;/*"输入参变量FB和q"*/
scanf（"%lf,%lf",&q,&FB）;
printf（"q=%e,FB=%e\n",q,FB）;
w1=q*l1*l1*l1/12;
w2=q*l2*l2*l2/12;
w3=q*l3*l3*l3/12;/*"计算各段力矩所围的面积"*/
M0=-FA*l0;
M3=-FB*l4;/*"计算M0和M3的值"*/
H=-6*（w2*A2/l2+w3*B3/l3）-M3*l3;
G=-6*（w1*A1/l1+w2*B2/l2）-M0*l1;/*简化方程的计算和表达*/
M1=（H*l2-G*2*（l1+l2））/（l2*l2-4*（l1+l2）*（l1+l2））;
M2=（H-M1*l2）/（2*（l1+l2））;/*L1=L3简化计算得到M1和M2*/
FD1=-（-M0-q*l1*l1/2+M1）/l1;/*-M0=FA*L0*/
FC=FA+q*l1-FD1;
FF1=-（-M3-q*l3*l3/2+M2）/l3;
FG=FB+q*l3-FF1;
FD2=-（-q*l2*l2/2+M1-M2）/l2;
FF2=q*l2-FD2;
FD=FD1+FD2;
FF=FF1+FF2;
FZ=FC+FD+FF+FG;
printf（"Theresultis:
\n"）;
printf（"FC=%e\nFD=%e\nFF=%e\nFG=%e\n",FC,FD,FF,FG）;/*输出支座反力结果*/
}
}
结果截图：
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