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1、 材料力學(xué)課程設(shè)計(jì) 學(xué)院：機(jī)械科學(xué)與工程 班級：機(jī)械三班 學(xué)號：4211223 目錄 1. 材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的……………………………… 1 2.材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求……………………… 2 2.1設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的要求…………………………… 2 2.2分析討論及說明部分的要求……………………… 3 2.3程序計(jì)算部分的要求………………………………… 3 3.設(shè)計(jì)題目………………………………………………… 3 4.設(shè)計(jì)過程………………………………………………… 5 4.1繪制傳動軸的受力簡圖…………………

2、………… 5 4.2傳動軸內(nèi)力圖……………………………………… 6 4.3根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)傳動軸直徑…………………… 7 5.計(jì)算齒輪處軸的撓度…………………………………… 8 5.1 y方向撓度………………………………………… 8 5.2 z方向撓度………………………………………… 10 6.階梯傳動軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算……………………………… 12 7.個(gè)人感想………………………………………………… 30 8.參考文獻(xiàn)………………………………………………… 30 1.材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的 本課

3、程設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實(shí)際中的問題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和設(shè)計(jì)方法，獨(dú)立地計(jì)算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合運(yùn)用材料力學(xué)知識解決工程實(shí)際問題的目的。同時(shí)，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)算方法及手段融為一體，既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代計(jì)算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學(xué)知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)和材料力學(xué)等）的綜合運(yùn)用，又為后續(xù)課程（機(jī)械設(shè)計(jì)、專業(yè)課等）的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，使實(shí)際工作能力有所提高。具體有以下六項(xiàng)： ⑴使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化、完整化。 ⑵在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用

4、材料力學(xué)知識解決工程實(shí)際中的問題。 ⑶由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，因而課程設(shè)計(jì)可以把材料力學(xué)知識與專業(yè)需要結(jié)合起來。 ⑷綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門課程的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機(jī)地聯(lián)系起來。 ⑸初步了解和掌握工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。 ⑹為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 2.材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 參加設(shè)計(jì)者要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨(dú)立分析、判斷設(shè)計(jì)題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計(jì)算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導(dǎo)出計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算程序，通過計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。 2.1設(shè)計(jì)計(jì)

5、算說明書的要求 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書是該題目設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰-、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括： ⑴設(shè)計(jì)題目的已知條件、所求及零件圖。 ⑵畫出構(gòu)件的受力分析計(jì)算簡圖，按比例標(biāo)明尺寸、載荷及支座等。 ⑶靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應(yīng)的全部求解過程。 ⑷畫出全部內(nèi)力圖，并表面可能的各危險(xiǎn)截面。 ⑸各危險(xiǎn)截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)圖。 ⑹各危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)力大小及主平面的位置。 ⑺選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。 ⑻列出全部計(jì)算過程的理論依據(jù)、公式推導(dǎo)過程及必要的說明。 ⑼對變形及剛度分析要寫明所

6、用的能量法計(jì)算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖。 ⑽疲勞強(qiáng)度計(jì)算部分要說明循環(huán)特征，бmax，бmin，r，бm，бa的計(jì)算，所查各系數(shù)的，ｋ,ε，β依據(jù)，疲勞強(qiáng)度校核過程及結(jié)果，并繪出構(gòu)件的持久曲線。 2.2分析討論及說明部分的要求 ⑴分析計(jì)算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。 ⑵提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的初步方案及設(shè)想。 ⑶提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。 2.3程序計(jì)算部分的要求 ⑴程序框圖。 ⑵計(jì)算機(jī)程序（含必要的說明語言及標(biāo)識符說明）。 ⑶打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計(jì)計(jì)算說明書上）。 3. 設(shè)計(jì)題目 傳動軸的材料均為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），許用應(yīng)力[σ]=80MP

7、a，經(jīng)高頻淬火處理，σb=650MPa，σ-1=300MPa，τ-1=155MPa。磨削軸的表面，鍵槽均為端銑加工，階梯軸過度圓弧r均為2mm，疲勞安全系數(shù)n=2。 1.傳動軸力學(xué)簡圖 2.傳動軸零件圖 3.設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù) P /kW P1 /kW n/ （r/min） D /mm D1 /mm D2 /mm G2 /N G1 /N ɑ /mm α() 11.8 4.4 600 900 400 230 850 350 300 60 要求： 1. 繪出傳動軸的受力簡圖。 2. 作扭矩圖及彎矩圖。 3. 根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)等直

8、軸的直徑。 4. 計(jì)算齒輪處軸的撓度。 5. 對階梯傳動軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算（若不滿足，采取改進(jìn)措施使其滿足疲勞強(qiáng)度要求）。 6. 對所選數(shù)據(jù)的理論依據(jù)作必要的說明。 4. 設(shè)計(jì)過程 4.1繪制傳動軸的受力簡圖 根據(jù)已知條件，將軸受力情況進(jìn)行簡化，如下圖示： 傳動軸受力簡圖 其中， Me3=F2=9549P/n Me2=F1=9549P1/n Me1+Me2=Me3 Me1=Fy1 Fy1=FCosα Fz1=FSinα 由上式可解得： F =2048.2N Fy1=1023.1N Fz1=1773.8N

9、 F1=350N F2=417.3N Me1=117.8Nm Me2=70Nm Me3=187.8Nm 4.2傳動軸內(nèi)力圖 1. 求支座反力 FyB=1724.6N FyA=1548.5N FzA=1669.4N FzB=1356.4N 2.作內(nèi)力圖 彎矩圖1 彎矩圖2 扭矩圖 4.3根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)傳動軸直徑 由傳動軸內(nèi)力圖可知，傳動軸上可能的危險(xiǎn)截面為C、D截面右截面，E截面左截面，所以以三個(gè)截面出發(fā)設(shè)計(jì)軸的直徑。 Ⅰ.C截面右截面 W= σr3===≤[σ] 由上解得： φ3≥44.5mm Ⅱ.D截面右截面 W= σr

10、3===≤[σ] 由上解得： Φ1≥48.8mm Ⅲ.E截面左截面 W= σr3===≤[σ] 由上解得： Φ3≥44.3mm 又由Φ1/Φ2=Φ2/Φ3得： Φ1≥53.8mm 故可取 Φ1=54mm 5. 計(jì)算齒輪處軸的撓度 5.1 y方向撓度 1. 畫出傳動軸在單個(gè)力作用下的內(nèi)力圖 （1）Fy1單獨(dú)作用下的內(nèi)力圖 （2）3F1+G1單獨(dú)作用下的內(nèi)力圖 （3）G2單獨(dú)作用下的內(nèi)力圖 2.加單位力后軸的內(nèi)力圖 3.計(jì)算過程 （圖乘法） E=200GPa I= fcy==（ɑFy

11、1ɑɑ+4ɑFy1ɑɑ+ɑ（3F1+G1）ɑɑ+2ɑ（3F1+G1）ɑɑ+2ɑ（3F1+G1）ɑɑ+2ɑ（3F1+G1）ɑɑ+ɑG2ɑɑ+3ɑ G2ɑɑ+ɑG23ɑɑ） =[Fy1ɑ3+(3F1+G1)ɑ3+G2ɑ3] =1.17 104m =1.17 mm 5.2 z方向撓度 1.畫出傳動軸在單個(gè)力作用下的內(nèi)力圖 （1）Fz1單獨(dú)作用下的內(nèi)力圖 （2）3F2單獨(dú)作用下的內(nèi)力圖 2.加單位力后軸的內(nèi)力圖 6.階梯傳動軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 開始 根據(jù)提示輸入各參數(shù) 是否進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核？ Me是否為零？ 是 否 結(jié)束 否 由于疲勞強(qiáng)度校核需校核多個(gè)截面，故

12、可利用利用C語言程序進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，程序框圖如下： 是 計(jì)算nσ、nτ、nστ、nστ 計(jì)算nσ、nστ 判斷是否滿足疲勞強(qiáng)度，并輸出 詢問是否進(jìn)行下一疲勞強(qiáng)度校核 程序如下： #include #include /*全局變量*/ #define PI 3.14 /*宏定義*/ void main()

13、 /*主函數(shù)*/ {float d1,M,W,zylMax,zylMin,r1,Me,Wp,qylMax,qylMin,qylA,qylM,r2,Kzyl,Kqyl,Ezyl,Eqyl,ccxs,Yqyl; float zyl,qyl,n1,n2,n12,n3, zylS, zylR3,n; char key; float x; /*定義變量*/ printf("是否進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核？輸入Y/N\n"); scanf("%c",&key); while(key==Y||ke

14、y==y) /*循環(huán)，判斷條件*/ {printf("輸入需校核平面距y軸距離為a的倍數(shù)\n"); scanf("%f",&x); printf("輸入該截面對應(yīng)軸的直徑(單位cm)\n"); scanf("%f",&d1); printf("輸入該截面的彎矩：\n"); scanf("%f",&M); printf("輸入改截面的扭矩：\n"); scanf("%f",&Me); printf("輸入Kσ,Kτ：\n"); scanf("%f",&Kzyl); scanf("%f",&Kqyl); printf("輸入εσ,ετ：

15、\n"); scanf("%f",&Ezyl); scanf("%f",&Eqyl); printf("輸入β：\n"); scanf("%f",&ccxs); printf("輸入ψτ：\n"); scanf("%f",&Yqyl); printf("輸入σ-1：\n"); scanf("%f",&zyl); printf("輸入τ-1：\n"); scanf("%f",&qyl); printf("輸入屈服強(qiáng)度σs：\n"); scanf("%f",&zylS); printf("輸入n：\n"); scanf("%f",&n); if(Me!=0)

16、 /*扭矩不為零時(shí)*/ {W=PI*d1*d1*d1/32; zylMax=M/W; zylMin=0-zylMax; r1=-1; Wp=PI*d1*d1*d1/16; qylMax=Me/Wp; qylMin=0; r2=0; qylA=qylM=qylMax/2; n1=zyl/(Kzyl*zylMax); n1= n1*Ezyl*ccxs; /*計(jì)算nσ*/ n2=qyl/(Kqyl*qylA

17、/(Eqyl*ccxs)+Yqyl*qylM); /*計(jì)算nτ*/ n12=n1*n2/sqrt(n1*n1+n2*n2); /*計(jì)算nστ*/ zylR3=sqrt(zylMax*zylMax+4*qylMax*qylMax); n3=zylS/zylR3; /*計(jì)算nστ*/ printf("nσ=%f\n",n1); printf("nτ=%f\n",n2); printf("nστ=%f\n",n12); printf("nστ=%f\n",n3); if(n12>n) {pr

18、intf("nστ>n\n"); printf("該截面(x=%2.1fa)滿足疲勞強(qiáng)度要求\n",x); } else if (n12n) {printf("nστ>n\n"); printf("該截面(x=%2.1fa)滿足靜強(qiáng)度要求\n",x); } else if (n3

19、tf("nστ=n&&n3>=n) printf("該截面(x=%2.1fa)滿足強(qiáng)度要求\n",x); else printf("該截面(x=%2.1fa)不滿足強(qiáng)度要求\n",x); printf("\n");} else /*扭矩為零時(shí)*/ {W=PI*d1*d1

20、*d1/32; zylMax=M/W; zylMin=0-zylMax; r1=-1; n1=zyl/(Kzyl*zylMax); n1= n1*Ezyl*ccxs; printf("nσ=%2.1f\n",n1); if(n1>=n) {printf("nσ>n\n"); printf("該截面(x=%2.1fa)滿足疲勞強(qiáng)度要求\n",x); } else {printf("nσ

21、 printf("是否進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核？輸入Y/N\n"); /*是否進(jìn)行下一校核*/ scanf("%c",&key); scanf("%c",&key); } } 傳動軸零件圖 由題知，需要校核的截面有，Ⅰ（x=ɑ）、Ⅱ（x=1.5ɑ）、Ⅲ（x=2.5ɑ）、Ⅳ（x=3ɑ）、Ⅴ（x=3.5ɑ）。本題中，σs取355Mpa。各截面參數(shù)如下： ⑴截面Ⅰ（x=ɑ） 直徑d=8.8cm Kσ=1.8， Kτ=1.6； 表面質(zhì)量系數(shù)β=2.5，ψτ=0.07； 尺寸系數(shù)εσ=0.73，ετ=0.7

22、2； M=801.0Nm；Me=188.9； ⑵截面Ⅱ（x=1.5ɑ） 直徑d=8.80cm Kσ=2.00， Kτ=1.5； 表面質(zhì)量系數(shù)β=2.5，ψτ=0.07； 尺寸系數(shù)εσ=0.73，ετ=0.72； M=960.2Nm；Me=188.9Nm； ⑶截面Ⅲ（x=2.5ɑ） 直徑d=9.70cm Kσ=1.9， Kτ=1.5； 表面質(zhì)量系數(shù)β=2.5，ψτ=0.07； 尺寸系數(shù)εσ=0.73，ετ=0.72； M=1280Nm；Me=188.9Nm； ⑷截面Ⅳ（x=3ɑ） 直徑d=10.7cm Kσ=1.8， Kτ=1.6； 表面質(zhì)量系數(shù)β=2.5，ψτ

23、=0.07； 尺寸系數(shù)εσ=0.70，ετ=0.70； M=1440Nm；Me=297.1Nm； ⑸截面Ⅴ（x=3.5ɑ） 直徑d=8.8cm Kσ=2.6， Kτ=1.7； 表面質(zhì)量系數(shù)β=2.5，ψτ=0.07； 尺寸系數(shù)εσ=0.73，ετ=0.72； M=1296.2Nm；Me=297.1Nm； 程序運(yùn)行結(jié)果如下： ⑴截面Ⅰ（x=ɑ） ⑵截面Ⅱ（x=1.5ɑ） ⑶截面Ⅲ（x=2.5ɑ） ⑷截面Ⅳ（x=3ɑ） ⑸截面Ⅴ（x=3.5ɑ） 由上可知，傳動軸各截面均滿足疲勞強(qiáng)度要求，傳

24、動軸安全。 7.個(gè)人感想 通過本次課程設(shè)計(jì)，很好地復(fù)習(xí)了上學(xué)期的課程，在設(shè)計(jì)過程中，以設(shè)計(jì)題目為核心，系統(tǒng)地應(yīng)用所學(xué)知識，全面地考慮問題，完成了改傳動軸的設(shè)計(jì)。該過程在雖然遇到了一些困難，但是最終圓滿完成了任務(wù)。另外也進(jìn)一步熟練使用Word/CAD /Microsoft Visual C++ 6.0等軟件的使用。其中印象最深的就是Microsoft Visual C++ 6.0的使用，它將繁瑣的計(jì)算省略，只需輸入必要參數(shù)，大大簡化了設(shè)計(jì)過程。但是，最為重要的是加深了對材料力學(xué)課程的理解與認(rèn)識，熟悉了工程設(shè)計(jì)步驟，為以后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和科研工作做準(zhǔn)備。 8.參考文獻(xiàn) [1]聶毓琴，孟廣偉 .材料力學(xué).（第四版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.2. [2]聶毓琴，吳宏. 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.6. [3]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì).（第三版）北京：清華大學(xué)出版社，2005.7.