材料力学课程设计曲柄轴的强度设计疲劳强度校核及刚度计算.docx
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材料力学课程设计曲柄轴的强度设计疲劳强度校核及刚度计算
材料力学课程设计
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
1、设计目的
2、设计任务和要求
2.1设计计算说明书的要求
2.2分析讨论及说明部分的要求
2.3程序计算部分的要求
2.4材料力学实际的过程
3、设计题目
3.1画出曲柄轴的内力图
3.2设计计算主轴颈D和曲柄颈的直径d
3.3校核曲柄臂的强度
3.4校核主轴颈的疲劳强度
3.5用能量法计算A截面的转角θy、θz
4、设计的改进措施及方法
5、设计体会
6、C程序
7、参考文献
1.材料力学课程设计的目的
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设计方法，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（机械设计、专业课等）的学习打下基础，并初步掌握工程设计思想和设计方法，使实际工作能力有所提高。
具体有以下六项：
⑴使所学的材料力学知识系统化、完整化。
⑵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。
⑶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。
⑷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。
⑸初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。
⑹为后续课程的学习打下基础。
2.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，条理清晰-、明确，表达完整。
具体内容应包括：
⑴设计题目的已知条件、所求及零件图。
⑵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。
⑶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。
⑷画出全部内力图，并表面可能的各危险截面。
⑸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。
⑹各危险点的主应力大小及主平面的位置。
⑺选择强度理论并建立强度条件。
⑻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。
⑼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。
⑽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。
2.2分析讨论及说明部分的要求
⑴分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。
⑵提出改进设计的初步方案及设想。
⑶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
⑴程序框图。
⑵计算机程序（含必要的说明语言及标识符说明）。
⑶打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。
3、设计题目
某曲轴材料为球墨铸铁（QT400-10），[σ]=120MPa，曲柄臂抽象为矩形，h=1.2D，b/h=2/3（左、右臂尺寸相同），L=1.5e，L4=0.5L，有关数据查数据表。
（1）画出曲柄轴的内力图；
（2）按强度条件设计主轴颈D和曲柄颈的直径d；
（3）校核曲柄臂的强度；
（4）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，键槽为端铣加工，表面为车削，τ-1=160MPa，ψτ=0.05，ετ=0.76；
（5）用能量法计算A端截面的转角θy、θz。
设计计算数据
F/kN
P/kN
L1/mm
L2/mm
L3/mm
e/mm
ɑ（º）
19
5.3
360
220
100
90
12
受力简图
四、改进措施
根据疲劳破坏的分析，裂纹源通常是在有应力集中的部位产生，而且构件持久极限的降低，很大程度是由于各种影响因素带来的应力集中影响。
因此设法避免或减弱应力集中，可以有效提高构件的疲劳强度。
可以从以下几个方面来提高构件的疲劳强度：
1、构件截面改变越激烈，应力集中系数就越大。
因此工程上常采用改变构件外形尺寸的方法来减小应力集中。
如采用较大的过渡圆角半径，使截面的改变尽量缓慢。
设计构件外形时，应尽量避免带有尖角的孔和槽。
在截面尺寸突然变化处（阶梯轴），当结构需要直角时，可在直径较大的轴段上开卸载槽或退刀槽减小应力集中；当轴与轮毂采用静配合时，可在轮毂上开减荷槽或增大配合部分轴的直径，并采用圆角过渡，从而可缩小轮毂与轴的刚度差距，减缓配合面边缘处的应力集中。
2、一般说，构件表层的应力都很大，例如在承受弯曲和扭转的构件中，其最大应力均发生在构件的表层。
同时由于加工的原因，构件表层的刀痕或损伤处，又将引起应力集中。
因此，对疲劳强度要求高的构件，应采用精加工方法，以获得较高的表面质量。
特别是对高强度钢这类对应力集中比较敏感的材料，其加工更需要精细。
3、增加表层强度：
常用的方法有表面热处理和表面机械强化两种方法。
可采用高频淬火等热处理，渗碳、氮化等化学处理和机械方法（如喷丸等）强化表层，以提高疲劳强度。
五、设计体会
1、课程设计开始，我首先重拾教材，对知识系统而全面进行了梳理，重新熟悉了基本理论知识，找到了设计的思路和灵感，开始曲柄轴的设计。
2、在课程设计的过程中，我也遇到了一些小麻烦。
在校核曲柄臂强度的过程中危险截面照的不全面，计算截面转角的过程中受力情况考虑的不周到，弯矩图的方向模糊不清等，经过同学之间的讨论和自己的反复思考，我不断纠正了错误，使课程设计更加准确。
我也明白了考虑问题要全面细致，与他人的沟通协作也十分重要。
3、通过这次课程设计，使我们有机会能将自己所学的材料力学理论知识与工程实际相结合，解决一些零件设计的问题。
在设计的过程中，又涉及了高等数学，理论力学，CAD，C语言等知识的综合应用，使我提高了分析问题、解决问题的能力。
通过在图书馆资料的查询，我也认识到我们要多多查找资料，扩展思维，才能更快的解决问题。
此次课程设计培养了我的动手能力和认真严谨的品格。
4、在这次课程设计中，我也发现了自己的不足，学过的知识掌握的不够扎实，概念公式记忆的不够准确，导致在课程设计的过程中不断发现问题，反复修改。
在以后的学习中，我会克服这个缺点，及时复习，熟练掌握知识，做到温故而知新。
六、C程序
1、A、B支反力
#include
#include
intmain（）
{floatF=19,L1=360,L2=220,L3=100,L4=67.5,e=90,w=5.3,Fz,Fy,Fay,Faz,Fby,Fbz,M;
Fz=F*0.97815;Fy=F*0.20791;
Fby=（w*（L1+L2+L3）-Fy*L1）/（L1+L2）;
Fbz=Fz*L1/（L1+L2）;
Fay=Fy+Fby-w;
Faz=Fz-Fbz;
M=Fz*e;
printf（"Fbz=%f\nFby=%f\nFaz=%f\nFay=%f\nM=%f\n",Fbz,Fby,Faz,Fay,M）;
return0;}
2、主轴颈直径D及曲柄颈直径d的C语言程序
#include
#include
intmain（）
{
intD;
floatl1,l2,l3,l4,e,FAz,FAy,FBy,FBz,P,Fz,x,y,z;
printf（"请输入l1,l2,l3,l4,e,FAz,FAy,FBy,FBz,P,Fz\n"）;
scanf（"%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f",&l1,&l2,&l3,&l4,&e,&FAz,&FAy,&FBy,&FBz,&P,&Fz）;
x=Fz*e;
y=FBz*（l2-l4）;
z=P*（l3+l2-l4）-FBy*（l2-l4）;
x=x*x+y*y+z*z;
x=sqrt（x）;
x=x*32;
x=x/（3.14*120*1000000）;
x=pow（x,1.0/3）;
x=x*1000;
D=floor（x）;
if（D%2==0）
D=D+2;
elseD=D+1;
printf（"曲柄轴直径D=%d\n",D）;
x=FAz*e;
y=FAz*l1;
z=FAy*l1;
x=x*x+y*y+z*z;
x=sqrt（x）;
x=x*32;
x=x/（3.14*120*1000000）;
x=pow（x,1.0/3）;
x=x*1000;
D=floor（x）;
if（D%2==0）
D=D+2;
elseD=D+1;
printf（"曲柄轴直径d=%d\n",D）;
return0;
}
程序框图：
3、主轴颈的疲劳强度校核
#include
#include
intmain（）
{floatt=160000000,e=0.76,r=0.05,D=0.06,Wp,Mx=1672.632,Kt=1.20,R=0.95,N=2.0,Nt,Tmax,Tm,Ta,A,B;
Wp=3.1415926*D*D*D/16;
Tmax=Mx/Wp;
Ta=Tm=Tmax/2;
A=Kt*Ta/e/R;
B=r*Tm;
Nt=t/（A+B）;
if（Nt>=N）
printf（"safe\n"）;
elseprintf（"dangerous\n"）;}
七、参考文献
[1]聂毓秦，吴宏，材料力学实验与课程设计。
北京：
机械工业出版社，2010
[2]谭浩强，C程序设计。
北京：
清华大学出版社,2010
[3]陈榕林，机械设计应用手册。
科学技术文献出版社
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