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1、材料力學課程設計 目錄 1. 材料力學課程設計的目的……………………………… 1 2.材料力學課程設計的任務和要求……………………… 2 2.1設計計算說明書的要求…………………………… 2 2.2分析討論及說明部分的要求……………………… 3 2.3程序計算部分的要求………………………………… 3 3.設計題目………………………………………………… 3 4.設計過程………………………………………………… 5 4.1繪制傳動軸的受力簡圖…………………………… 5 4.2傳動軸內力圖……………………………………… 6 4.

2、3根據強度條件設計傳動軸直徑…………………… 7 5.計算齒輪處軸的撓度…………………………………… 8 5.1 y方向撓度………………………………………… 8 5.2 z方向撓度………………………………………… 10 6.階梯傳動軸疲勞強度計算……………………………… 12 7.個人感想………………………………………………… 30 8.參考文獻………………………………………………… 30 1.材料力學課程設計的目的 本課程設計是在系統(tǒng)學完材料力學課程之后，結合工程實際中的問題，運用材料力學的基本理論和設計方法，獨立地計算工程中的典

3、型零部件，以達到綜合運用材料力學知識解決工程實際問題的目的。同時，可以使學生將材料力學的理論和現代計算方法及手段融為一體，既從整體上掌握了基本理論和現代計算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學知識（高等數學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機和材料力學等）的綜合運用，又為后續(xù)課程（機械設計、專業(yè)課等）的學習打下基礎，并初步掌握工程設計思想和設計方法，使實際工作能力有所提高。具體有以下六項： ⑴使所學的材料力學知識系統(tǒng)化、完整化。 ⑵在系統(tǒng)全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程實際中的問題。 ⑶由于選題力求結合專業(yè)實際，因而課程設計可以把材料力學知識與專業(yè)需要結合起

4、來。 ⑷綜合運用以前所學的各門課程的知識（高等數學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機等），使相關學科的知識有機地聯(lián)系起來。 ⑸初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法。 ⑹為后續(xù)課程的學習打下基礎。 2.材料力學課程設計的任務和要求 參加設計者要系統(tǒng)復習材料力學課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設計題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內力圖，列出理論依據并導出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機給出計算結果，并完成設計計算說明書。 2.1設計計算說明書的要求 設計計算說明書是該題目設計思想、設計方法和設計結果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰-、

5、明確，表達完整。具體內容應包括： ⑴設計題目的已知條件、所求及零件圖。 ⑵畫出構件的受力分析計算簡圖，按比例標明尺寸、載荷及支座等。 ⑶靜不定結構要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應的全部求解過程。 ⑷畫出全部內力圖，并表面可能的各危險截面。 ⑸各危險截面上各種應力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點處的應力狀態(tài)圖。 ⑹各危險點的主應力大小及主平面的位置。 ⑺選擇強度理論并建立強度條件。 ⑻列出全部計算過程的理論依據、公式推導過程及必要的說明。 ⑼對變形及剛度分析要寫明所用的能量法計算過程及必要的內力圖和單位力圖。 ⑽疲勞強度計算部分要說明循環(huán)特征，бmax，бmin，r，бm，

6、бa的計算，所查各系數的，ｋ,ε，β依據，疲勞強度校核過程及結果，并繪出構件的持久曲線。 2.2分析討論及說明部分的要求 ⑴分析計算結果是否合理，并討論其原因、改進措施。 ⑵提出改進設計的初步方案及設想。 ⑶提高強度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。 2.3程序計算部分的要求 ⑴程序框圖。 ⑵計算機程序（含必要的說明語言及標識符說明）。 ⑶打印結果（數據結果要填寫到設計計算說明書上）。 3. 設計題目 傳動軸的材料均為優(yōu)質碳素結構鋼（牌號45），許用應力[σ]=80MPa，經高頻淬火處理，σb=650MPa，σ-1=300MPa，τ-1=155MPa。磨削軸的表面，鍵槽均為端銑加

7、工，階梯軸過度圓弧r均為2mm，疲勞安全系數n=2。 1.傳動軸力學簡圖 2.傳動軸零件圖 3.設計計算數據 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. 根據強度條件設計等直軸的直徑。 4. 計算齒輪處軸的撓度。 5. 對階梯傳動軸進行疲勞強度計算（若不滿足，采取改進措施使其滿足疲

8、勞強度要求）。 6. 對所選數據的理論依據作必要的說明。 4. 設計過程 4.1繪制傳動軸的受力簡圖 根據已知條件，將軸受力情況進行簡化，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 F1=350N F2=417.3N Me1=117.8Nm Me2=70Nm Me3=187.8Nm

9、 4.2傳動軸內力圖 1. 求支座反力 FyB=1724.6N FyA=1548.5N FzA=1669.4N FzB=1356.4N 2.作內力圖 彎矩圖1 彎矩圖2 扭矩圖 4.3根據強度條件設計傳動軸直徑 由傳動軸內力圖可知，傳動軸上可能的危險截面為C、D截面右截面，E截面左截面，所以以三個截面出發(fā)設計軸的直徑。 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= σr3===≤[σ] 由上解得： Φ1≥48.8mm Ⅲ.E截面左截面 W= σr3===≤[σ]

10、由上解得： Φ3≥44.3mm 又由Φ1/Φ2=Φ2/Φ3得： Φ1≥53.8mm 故可取 Φ1=54mm 5. 計算齒輪處軸的撓度 5.1 y方向撓度 1. 畫出傳動軸在單個力作用下的內力圖 （1）Fy1單獨作用下的內力圖 （2）3F1+G1單獨作用下的內力圖 （3）G2單獨作用下的內力圖 2.加單位力后軸的內力圖 3.計算過程 （圖乘法） E=200GPa I= fcy==（ɑFy1ɑɑ+4ɑFy1ɑɑ+ɑ（3F1+G1）ɑɑ+2ɑ（3F1+G1）ɑɑ+2ɑ（3F1+G1）ɑɑ+2ɑ（3F1

11、+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.畫出傳動軸在單個力作用下的內力圖 （1）Fz1單獨作用下的內力圖 （2）3F2單獨作用下的內力圖 2.加單位力后軸的內力圖 6.階梯傳動軸疲勞強度計算 開始 根據提示輸入各參數 是否進行疲勞強度校核？ Me是否為零？ 是 否 結束 否 由于疲勞強度校核需校核多個截面，故可利用利用C語言程序進行疲勞強度計算，程序框圖如下： 是

12、計算nσ、nτ、nστ、nστ 計算nσ、nστ 判斷是否滿足疲勞強度，并輸出 詢問是否進行下一疲勞強度校核 程序如下： #include #include /*全局變量*/ #define PI 3.14 /*宏定義*/ void main() /*主函數*/ {float d1,M,W,zylMax,zylMi

13、n,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("是否進行疲勞強度校核？輸入Y/N\n"); scanf("%c",&key); while(key==Y||key==y) /*循環(huán)，判斷條件*/ {printf("輸入需校核平面距y

14、軸距離為a的倍數\n"); scanf("%f",&x); printf("輸入該截面對應軸的直徑(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：\n"); scanf("%f",&Ezyl); scanf("%f",&Eqyl); printf("輸

15、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("輸入屈服強度σs：\n"); scanf("%f",&zylS); printf("輸入n：\n"); scanf("%f",&n); if(Me!=0) /*扭矩不為零時*/

16、 {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; /*計算nσ*/ n2=qyl/(Kqyl*qylA/(Eqyl*ccxs)+Yqyl*qylM); /*計算nτ*/ n12=n1*n2/sqrt(n1*

17、n1+n2*n2); /*計算nστ*/ zylR3=sqrt(zylMax*zylMax+4*qylMax*qylMax); n3=zylS/zylR3; /*計算nστ*/ printf("nσ=%f\n",n1); printf("nτ=%f\n",n2); printf("nστ=%f\n",n12); printf("nστ=%f\n",n3); if(n12>n) {printf("nστ>n\n"); printf("該截面(x=%2.1fa)滿足疲勞強度要求\n",x);

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

19、 else {printf("nστ=n\n"); printf("該截面(x=%2.1fa)滿足靜強度要求\n",x); } if(n12>=n&&n3>=n) printf("該截面(x=%2.1fa)滿足強度要求\n",x); else printf("該截面(x=%2.1fa)不滿足強度要求\n",x); printf("\n");} else /*扭矩為零時*/ {W=PI*d1*d1*d1/32; zylMax=M/W; zylMin=0-zylMax; r1=-1; n1=zyl/(

20、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)滿足疲勞強度要求\n",x); } else {printf("nσ

21、 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。各截面參數如下： ⑴截面Ⅰ（x=ɑ） 直徑d=8.8cm Kσ=1.8， Kτ=1.6； 表面質量系數β=2.5，ψτ=0.07； 尺寸系數εσ=0.73，ετ=0.72； M=801.0Nm；Me=188.9； ⑵截面Ⅱ（x=1.5ɑ） 直徑d=8.80cm Kσ=2.

22、00， Kτ=1.5； 表面質量系數β=2.5，ψτ=0.07； 尺寸系數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； 表面質量系數β=2.5，ψτ=0.07； 尺寸系數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； 表面質量系數β=2.5，ψτ=0.07； 尺寸系數εσ=0.70，ετ=0.70； M=1440Nm；Me=297.1Nm； ⑸截面Ⅴ

23、（x=3.5ɑ） 直徑d=8.8cm Kσ=2.6， Kτ=1.7； 表面質量系數β=2.5，ψτ=0.07； 尺寸系數εσ=0.73，ετ=0.72； M=1296.2Nm；Me=297.1Nm； 程序運行結果如下： 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度要求，傳動軸安全。 7.個人感想 通過本次課程設計，很好地復習了上學期的課程，在設計過程中，以設計題目為核心，系統(tǒng)地

24、應用所學知識，全面地考慮問題，完成了改傳動軸的設計。該過程在雖然遇到了一些困難，但是最終圓滿完成了任務。另外也進一步熟練使用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，它將繁瑣的計算省略，只需輸入必要參數，大大簡化了設計過程。但是，最為重要的是加深了對材料力學課程的理解與認識，熟悉了工程設計步驟，為以后的進一步學習和科研工作做準備。 8.參考文獻 [1]聶毓琴，孟廣偉 .材料力學.（第四版）北京：機械工業(yè)出版社，2004.2. [2]聶毓琴，吳宏. 材料力學實驗與課程設計.北京：機械工業(yè)出版社，2006.6. [3]譚浩強.C程序設計.（第三版）北京：清華大學出版社，2005.7.