曲柄軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度校核及剛度計(jì)算

設(shè)計(jì)題目:設(shè)計(jì)題目:序號(hào)：題號(hào)：教學(xué)號(hào)：專(zhuān)業(yè)：姓名：指導(dǎo)教師:材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)曲柄軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度校核及剛度計(jì)算16010-16土木工程（路橋）目錄TOC\o"1-5"\h\z一、材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的2\o"CurrentDocument"二、材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求3\o"CurrentDocument"三、設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)的要求3\o"CurrentDocument"四、分析討論及說(shuō)明部分的要求4\o"CurrentDocument"五、程序計(jì)算部分的要求4\o"CurrentDocument"六、設(shè)計(jì)題目5\o"CurrentDocument"七、設(shè)計(jì)內(nèi)容6（一）畫(huà)出曲柄軸的內(nèi)力圖7（二）設(shè)計(jì)曲柄頸直徑d，主軸頸直徑D9（三）校核曲柄臂的強(qiáng)度10\o"CurrentDocument"（四）校核主軸頸的疲勞強(qiáng)度14\o"CurrentDocument"（五）用能量法計(jì)算A截面的轉(zhuǎn)角15（六）計(jì)算機(jī)程序17\o"CurrentDocument"八、設(shè)計(jì)體會(huì)21\o"CurrentDocument"九、參考文獻(xiàn)21一、課程設(shè)計(jì)的目的材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的是在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料力學(xué)后，能結(jié)合工程中的實(shí)際問(wèn)題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計(jì)算方法，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)的知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題之日的。同時(shí)，可以使我們將材料力學(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)代的計(jì)算方法，又提高了分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力；既能對(duì)以前所學(xué)的知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)和材料力學(xué)等）的綜合應(yīng)用，又為后繼課程（機(jī)械設(shè)計(jì)、專(zhuān)業(yè)課等）得學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，對(duì)實(shí)際工作能力有所提高。1、使所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化，完整化。2、在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題。3、由于選課力求綜合專(zhuān)業(yè)實(shí)際，因而課程設(shè)計(jì)可以把材料力學(xué)知識(shí)與專(zhuān)業(yè)需要結(jié)合起來(lái)。4、綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門(mén)課程的知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語(yǔ)言等），使相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。二、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求要系統(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(wèn)題，畫(huà)出受力分析計(jì)算簡(jiǎn)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(guò)計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。三、設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)的要求設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)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(shuō)明，要求書(shū)寫(xiě)工整，語(yǔ)言簡(jiǎn)練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：設(shè)計(jì)題目的已知條件、所求及零件圖。畫(huà)出構(gòu)建的受力分析計(jì)算簡(jiǎn)圖，按比例標(biāo)明尺寸、載荷及支座等。靜不定結(jié)構(gòu)要畫(huà)出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應(yīng)的全部求解過(guò)程。畫(huà)出全部?jī)?nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險(xiǎn)截面。危險(xiǎn)截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判斷各危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)圖。各危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)力大小及主平面位置。選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。列出全部計(jì)算過(guò)程的理論依據(jù)、公式推導(dǎo)過(guò)程以及必要的說(shuō)明。對(duì)變形及剛度分析并寫(xiě)明所用的能量法計(jì)算過(guò)程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖。疲勞強(qiáng)度計(jì)算部分要說(shuō)明循環(huán)特性，a或，amin，r，a皿，a‘的計(jì)算，所查k，￡，。各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強(qiáng)度校核過(guò)程及結(jié)果，并繪制構(gòu)件的持久極限曲線(xiàn)。四、分析討論及說(shuō)明部分的要求分析計(jì)算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的初步方案及設(shè)想。提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。五、程序計(jì)算部分的要求程序框圖。計(jì)算機(jī)程序（含必要的語(yǔ)言說(shuō)明及標(biāo)示符說(shuō)明）。打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫(xiě)在設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)上）。六、設(shè)計(jì)題某柴油機(jī)曲軸材料為球墨鑄鐵（QT400-10）,［。］=120MPa，曲柄臂抽象為矩形（如圖），h=1.2D，b/h=2/3（左、右臂尺寸相同），l=1.5e,l4=0.5l。（一）要求：畫(huà)出曲軸的內(nèi)力圖。按照強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)主軸頸D和曲軸頸的直徑d。校核曲柄臂的強(qiáng)度。安裝飛輪處為鍵槽，校核主軸頸的疲勞強(qiáng)度，取疲勞安全系數(shù)n=2。鍵槽為端銑加工，軸頸表面為車(chē)削加工，T1=160MPa,vT=0.05,電=0.76。用能量法計(jì)算a端截面的轉(zhuǎn)角、"z。（二）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（表7-12中第16組數(shù)據(jù)）F/kNW/kNl/mml2/mml3/mme/mma(°)206.836023013010012I螂七、設(shè)計(jì)內(nèi)容外力分析在XOY平面內(nèi):EMb=0Fa=F*sin。*切+W*L3頂好（下）yL1+L2EMa=0F=W*（L1+L2+L3）-F*L1*sina=5761N（上）ByL1+L2在XOZ平面內(nèi):EMb=0FF*c°sa*L2=7626N（外）AzL1+L2EMa=0F二F*c°sa*L1=11937N（外）BzL1+L2（一）內(nèi)力圖畫(huà)出內(nèi)力圖。不計(jì)彎曲切應(yīng)力（故未畫(huà)剪力圖），彎矩圖畫(huà)在受壓處。根據(jù)內(nèi)力圖，確定危險(xiǎn)截面。610MyMzFn610E|—2加06101565v|-I)BT)CK2030j—289rL?2288203093610610JrJ□9361(1^88431191039DI?對(duì)于主軸頸危險(xiǎn)點(diǎn)可能是圖中D點(diǎn)，則D點(diǎn)處受彎曲和扭轉(zhuǎn)，有:Md1x==1565N?mMD1y=2030N?mMd1z=1061N?m曲柄頸中間截面C最危險(xiǎn)，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲，有：Mcx=610N?mMCy=2898N?mMCz=1123N?m曲柄臂受到軸力作用，危險(xiǎn)點(diǎn)可能也是圖中D或E點(diǎn)，有：Md2x=1565N?mMex=610N?mMD2y=2030N?mMEy=2288N?mMd2z=1061N?mMez=936N?mFnd=1039NFne=3119N（二）設(shè)計(jì)主軸頸直徑D和曲軸頸直徑d1.校核主軸頸D①主軸頸的危險(xiǎn)截面為D處，進(jìn)行校核。根據(jù)主軸頸的受力狀態(tài)用第三強(qiáng)度理論計(jì)算b.3=W^MDlx2+MD1y2+MD1z2口叮其中W=耒DJmd1x2+Md1y2+Md1z2W120MPa求得D，61.75mm則D=70mm2.校核曲軸頸直徑d在曲軸頸上，危險(xiǎn)截面位于中間截面C處，對(duì)此處進(jìn)行分析，受兩向彎曲和扭轉(zhuǎn)作用。根據(jù)受力情況，同樣應(yīng)用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核，有：b疽W=W^MCx2+MCy2+MCz2W［叮M^;MCx2+MCy2+MCz2其中_!二蘭CCW兀d3求得d，63.58mm即d=64mm則有D=70mm，d=64mmh=84mm,b=56mm（三）校核曲柄臂的強(qiáng)度由題可得：h/b=3/2經(jīng)查表可得，a=0.231P=0.196Y=0.858曲柄臂的危險(xiǎn)截面為矩形截面，且受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力作用（不計(jì)剪力?），曲柄臂上的危險(xiǎn)截面可能為C端或者E端，分別對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。①左臂，即檢驗(yàn)頂端E處。根據(jù)應(yīng)力分布圖可判定出可能的危險(xiǎn)點(diǎn)為D，D，D。丁a㈤°伽“°（必D點(diǎn)處于單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)fne+Ml+MjL=Flal+6xM/+6xm§二31.245Mpa<[叮所以「1點(diǎn)滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。D2點(diǎn)：D2點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，存在扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力t=^L=37.600Mpaahb2D2點(diǎn)的正應(yīng)力為軸向力和繞Z軸的彎矩共同引起的?+WL=FhbL+%*言=21.982Mpa由第三強(qiáng)度理論by=—4/=7&35Mpa<[b]所以D2點(diǎn)滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。D3點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)廣二僧二0.858x48.130=32.FAy+6xMEx=~hbh2b=9.926Mpab'=Ne+根據(jù)第三強(qiáng)度理論b=g'2+4t'2=65.281Mpa<[b]r3所以D點(diǎn)滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。即E處截面強(qiáng)度滿(mǎn)足條件3②右臂，即檢驗(yàn)底端D處。根據(jù)應(yīng)力分布圖可判定出可能的危險(xiǎn)點(diǎn)為星+竺+室=AWxWz星+竺+室=AWxWz=28.013MPa<M]故D點(diǎn)安全1D2點(diǎn):D2點(diǎn)有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，.FB匕"4)—ahb2—ahb2=33.360MPab氣點(diǎn)的正應(yīng)力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的F+W=24-387MPa根據(jù)第三強(qiáng)度理論b,3=客2+4r2=71.870MPa<［。］故D點(diǎn)安全2D3點(diǎn)：與d點(diǎn)相類(lèi)似，正應(yīng)力為軸向力和繞y軸的彎矩共同引起的，即2，'=7T=28.623MPab'=烏+^Dr-=23.985MPaAWx—62.068MPa<E］故d3點(diǎn)安全。即E處截面強(qiáng)度滿(mǎn)足條件。綜上，曲柄臂滿(mǎn)足強(qiáng)度條件（四）校核主軸頸的疲勞強(qiáng)度由題意查得球墨鑄鐵/400MP。查表得電=1.20&=0.95V已矢口t=160MPae=0.76-1T由零件圖可知，鍵槽處有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，無(wú)彎曲正應(yīng)力，工作時(shí)切應(yīng)力基本不變，但機(jī)器時(shí)開(kāi)時(shí)停，可視為脈動(dòng)循環(huán)。T=0minMx16xMxc=己=—=23.23MPamax|ynnL)3Tmax.TcChjFT-A=11.62MPa切應(yīng)力是動(dòng)脈循環(huán)，用以下公式進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核T-1故安全

（五）用能量法計(jì)算A-A截面的轉(zhuǎn)角0"zT=0min采用圖乘法分別求解A-A截面的轉(zhuǎn)角七，0乙。1.求0z:在截面A加一單位力偶矩M。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖M與外載荷作用下的彎矩圖m如下（畫(huà)在受拉一側(cè)）：10619363U91時(shí)9—KJ—-936MziQgi1.67F\1.670=8叩《10619363U91時(shí)9—KJ—-936MziQgi1.67F\1.67zEIEAi=1ii=1i=0.0096rad=0.550

2.求0y:在截面A加一單位力偶矩M。并作出單位力偶矩作y用下的彎矩圖M與外載荷作用下的彎矩圖M如下（畫(huà)在受壓一側(cè)）:F=5/30.4750.275MyF=5/30.4750.275My查表得3=0.196氣=工i=1①氣=工i=1①M(fèi)iC+~^EIi￡i=1①'Mici~~GI―p=0.0036rad=0.206(六)計(jì)算機(jī)程序#include<stdio.h>#include<math.h>#definePi3.1415926#definen2#definei120e6#defineE150e9intmain()//主函數(shù)(intangle,d,D;doubletemps,tempc,Fy,Fz,Mx,e,l,l1,l2,l3,l4,F,FAy,FAz,FBy,FBz,W,Mcz,Mfz,Mhz,Mcy,Mfy,Mhy,Mdx,Mfx,Mx1,My1,Mz1,Mx2,My2,Mz2,DD,g,f,dd,h,b,A,s1,s2,s3,t2,t3,a,sr2,sr3,r,s11,s22,s33,t22,t33,sr22,sr33,tmax,tmin,R,tm,ta,nt,T,Kt,Et,B,pt；printf("請(qǐng)輸入F,alfa,W,L1,L2,L3,e\n〃)；printf("F單位為KN,F=〃)；scanf(〃％lf〃，&F);printf("W單位為KN,W=〃)；scanf("%lf",&W);printf("L1單位為m,L1=");scanf("%lf",&l1);printf("L2單位為m,L2=");scanf("%lf",&l2);//輸入數(shù)據(jù)printf("L3單位為m,L3=");scanf("%lf",&l3);printf("e單位為m,e=");scanf("%lf",&e);printf("alfa單位為度，alfa=");scanf("%d",&angle);temps二sin(12*Pi/180);tempc二cos(12*Pi/180);Fy=F*temps;//求兩個(gè)方向分力Fz=F*tempc;Mx=Fz*e;printf(〃Fy=%lf\nFz=%lf\nMx=%lf\n〃，F(xiàn)y,Fz,Mx);FBz=Fz*l1/(l1+l2);FBy=(W*(l1+l2+l3)-Fy*l1)/(l1+l2);FAz=l2*Fz/(l1+l2);//求各點(diǎn)支座反力FAy=(Fy*l2+W*l3)/(l1+l2);printf("支座反力(單位KN):\nFAy=%lf\nFAz=%lf\nFBy=%lf\nFBz=%lf\n”,FAy,FAz,FBy,FBz);l=1.5*e;l4=0.5*l;Mcz=FAy*(l1-l/2);Mfz=W*(l2+l3-l/2)-FBy*(l2-l/2);Mhz=FAy*l1;Mcy=FAz*(l1-l/2);Mfy=FBz*(l2-l/2);Mhy=FAz*l1;Mdx=FAz*e;Mfx=Fz*e;printf("力矩(單位KN/m):\nMcz=%f\nMfz=%f\nMhz=%f\nMcy=%f\nMfy=%f\nMhy=%f\nMdx=%f\nMfx=%f\n〃，Mcz,Mfz,Mhz,Mcy,Mfy,Mhy,Mdx,Mfx);//輸出各點(diǎn)在各個(gè)方向的力矩f=sqrt(Mfx*Mfx+Mfy*Mfy+Mfz*Mfz);g=32*f/(Pi*i);DD=pow(g,1.0/3.0);〃根據(jù)第三強(qiáng)度理論，計(jì)算D的最小值f=sqrt(Mdx*Mdx+Mhy*Mhy+Mhz*Mhz);g=32*f/(Pi*i);dd=pow(g,1.0/3.0);//根據(jù)第三強(qiáng)度理論，計(jì)算d的最小值printf(〃D=%.5lfm,d=%.5lfm\n〃，10*DD,10*dd);D=(int)(1000*DD);d=(int)(1000*dd);if(d%2==0)d=d+2;//d取整取偶elsed=d+1;if(D%2==0)D=D+2;elseD=D+1;//D取整取偶printf("故D取%dmm,d取%dmm\n",10*D,10*d);a=0.231;r=0.858;h=1.2*(double)D/1000;b=2*h/3;A=h*b;s1=FAy/A+FAz*e*6/(h*h*b)+FAy*6*(l1-l4)/(b*b*h);//校核左曲軸臂D1點(diǎn)強(qiáng)度printf(〃sr1=%.2lfPa,〃，s1);s2二FAy/A+FAy*(l1-l4)*6/(b*b*h);t2=FAz*(l1-l4)/(a*h*b*b);sr2=sqrt(s2*s2+4*t2*t2);//校核左曲軸臂D2點(diǎn)強(qiáng)度printf("sr2=%lfPa,",sr2);t3=r*t2;s3=FAy/A+FAz*e*6/(h*h*b);sr3=sqrt(s3*s3+4*t3*t3);//校核左曲軸臂D3點(diǎn)強(qiáng)度printf("sr3=%lfPa\n",sr3);if(s1<=i&&sr2<=i&&sr3<=i)printf("左曲軸臂安全\n");s11=(W-FBy)/A+Mfx*6/(h*h*b)+Mfz*6/(h*b*b);//校核右曲軸臂D1點(diǎn)強(qiáng)度printf("sr11=%lfPa,",s11);s22=(W-FBy)/A+Mfz*6/(h*b*b);t22=Mfy/(a*h*b*b);sr22=sqrt(s22*s22+4*t22*t22);//校核右曲軸臂D2點(diǎn)強(qiáng)度printf("sr22=%lfPa,",sr22);s33=(W-FBy)/A+Mfx*6/(h*h*b);t33=r*t22;sr33=sqrt(s33*s33+4*t33*t33);//校核右曲軸臂D3點(diǎn)強(qiáng)度printf("sr33=%lfPa\n",sr33);if(s11<=i&&sr22<=i&&sr33<=i)printf("右曲軸臂安全\n");Kt=1.2;Et=0.76;B=0.95;pt=0.05;T=160e6;tmax=Mx*16/(Pi*((double)D/1000)*((double)D/1000)*((double)D/1000));tmin=0;R=tmin/tmax;tm=(tmax+tmin)/2;ta=(tmax-tmin)/2;nt=T/(Kt/(Et*B)*ta+pt*tm);printf("nt=%lf\n",nt);if(nt>=n)printf(-安全\n〃)；〃主軸頸的疲勞強(qiáng)度校核}程序運(yùn)行結(jié)果:匚’D:\鬲言\DMg\cc翱e"=■白墓劇心,皿F單OKN,F=20H岐為吼昨6一814單位為嘰L1明日6撬堂砌］N,心』⑵L3皇茸為枷,心蠣』3日單?員為隊(duì)禎.1N以單應(yīng)為度，aHa-12Py=4.156234Pz-19.562952Mx=l*556295支座反力《單心bF的=3-U93NPAz-7.626236FBy-5_761075F83=ll,93671t力熬單位叫小"虬冊(cè)9004Nf2-1.04