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1、材料力学课程设计计算说明书设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 数据号：7.2-II7 学号： 姓名：赵宪卓 指导教师：魏媛2013年9月4日目录一、设计目的3二、设计任务与要求31.设计计算说明书的要求32.分析讨论及说明部分的要求33.程序计算部分的要求3三、设计题目4四、设计内容51.曲轴的内力52.设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D83.校对曲柄臂的强度84.校对主轴颈H-H截面处的疲劳强度 125.用能量法计算A-A截面的转角， 12五、分析讨论及说明部分16本次课程设计做一下几项说明 16六、设计的改进意见及措施16提高刚度、强度及稳定性的措施及建议 16七、设计
2、体会17八、参考文献17九、附录171.计算机程序求h,b 17 2.通用程序191.设计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计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合利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，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有以下六项：
3、 1.使所学的材料力学知识系统化、完整化。 2.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。 3.由于选题力求结合专业实际，课程设计可把材料力学与专业需要结合起来。 4.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。 5.初步了解和掌握工程实际中的设计思路和设计方法。 6.为后续课程的教学打下基础。2.设计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，列出理论依据并到处计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给
4、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：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，并标明可能的各危险截面。5.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应力状态图。6.各危险点的主应力大小及主平面位置。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根据、公式推导过程以及必要的说明。9.对变形
5、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，max，min，r，m，a的计算，所查k，各系数的依据，并列出疲劳强度校核过程及结果。2.2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。2.3程序计算部分的要求1. 程序框图2. 计算机程序（含必要的语言说明及标识符说明）。3. 打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。3.设计题目单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核某柴油机曲轴可以简化为下图所示的结构，材料为球墨铸铁（QT4
6、50-5）弹性常数为E、，许用应力，G处输入传矩为Me，曲轴颈中点受切向力Ft、径向力Fr的作用，且。曲柄臂简化为矩形截面，且满足：，有关数据见表1，表2。表1 固定数据0.110.181500.271201800.050.78表2 设计计算数据I315.03000.06题目要求：（1）画出曲轴的内力图。（2）设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D。（3）校核曲柄臂的强度。 （4）校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度，取疲劳强度系数n=2。键槽为端 铣加工，主轴颈表面为车削加工。（5）用能量法计算A-A截面的转角y，z。a）工程图b)力学模型图1 单缸柴油机曲轴简化图1曲轴颈 2曲柄臂 3主轴颈4.设计内
7、容4.1曲轴的内力：1)外力分析图：图2 外力分析图2)外力分析：1.画出曲轴的计算简图（上图），计算外力偶矩。Me=9549Pn=954915.0300=477.45Nm2.计算切向力、径向力。Ft=Mer=477.450.06=7957.5NFr=Ft2=7957.52N=3978.75N3.平衡条件计算反力。（1）在XOY平面内: 解得：FAy=Frl2l1+l2=3978.750.180.11+0.18=2469.57NFFy=Frl1l1+l2=3978.750.110.11+0.18=1509.18N（2）在XOZ平面内： 解得：FAz=Ftl2l1+l2=7957.50.180.
8、11+0.18=4939.13NFFz=Ftl1l1+l2=7957.50.110.11+0.18=3018.36N内力分析：1)内力图：内力图如图3所示，不计弯曲切应力，弯矩图画在纤维受压侧，根据内力图确定危截面。(单位：力-N 力矩Nm)296.35477.45543.30477.45296.35434.64271.65434.64365.49365.49217.32217.32182.75182.752469.571509.18图3 内力图2）内力计算（1）主轴颈的EF左端（1-1）截面为危险截面，受扭转和两向弯曲MEx=Me=477.45NmMEy=FFzl2-12l3=FFzl2-1
9、21.2r=3018.360.18-121.20.06=434.64NmMEz=FFyl2-12l3=FFyl2-121.2r=1509.180.18-121.20.06=217.32Nm（2）曲柄臂DE段下端（2-2）为危险截面，受扭转、两向弯曲和压缩FN2=FFy=1509.18N（3）曲轴颈CD段中间截面（3-3）为危险截面，受扭转和两向弯曲MCD中x=FAZr =4939.130.06=296.35NmMCD中y=FAzl1=4939.130.11=543.30NmMCD中z=FAyl1=2469.570.11=271.65Nm4.2设计曲轴颈直径d和主轴颈D：（1）主轴颈的危险截面为
10、EF段的最左端1-1截面，受扭转和两向弯曲，可用第三强度理论计算：故D取40mm。（2）曲轴颈CD属于弯扭组合变形，由第三强度理论可得：故d取40mm4.3校核曲柄臂的强度：曲柄臂的危险截面为矩形截面，受扭转、两向弯曲及轴力的作用。为确定危险点的位置，画出曲柄臂上（2-2）截面应力分布图。曲柄臂的强度计算:图4 应力分布图根据应力分布图可判定出可能的危险点为，。图5危险点分布图D1点：D1点处于单向压缩，所以正应力：1=0在此处键入公式。1=FN2A+M2xW2x+M2zW2z=FN2bh+6M2xbh2+6M2zhb2D2点：D2点扭转切应力：2=M2ybh2正应力由轴力、绕Z轴的弯矩共同引
11、起。2=FN2A+M2zW2z=FN2bh+6M2zhb2由于点处于二向应力状态，故选用第三强度理论：r3=22+422D3点：同理可得：3=3=FN2A+M2xW2x=FN2bh+6M2xbh2应用第三强度理论：r3=32+432综上，曲柄臂满足强度要求时必须有：D1点：D2点：D3点：插入法确定，：由已知，得查材料力学P70中表3-1知：表3 矩形截面杆扭转系数、v表（部分）2.53.04.00.2580.2670.282v0.7670.7530.745当时，利用插入法： 解得：当时，利用插入法，同理可得：校核：出于经济性考虑，应该尽量使截面积S=hb最小。根据以上分析可以编写计算机程序，
12、取遍h、b所有值，计算出h、b的最优值。由附录中C程序可以求出最优值如下:h=57.39mm b=22.95mm =0.258 =0.7671.D1点：1=FN2A+M2xW2x+M2zW2z=FN2bh+62xbh2+6M2zhb2=1509.1857.3922.95106+6477.4522.9557.3957.39109+6217.3222.9522.9557.39109=82.20MPa所以点安全。2.D2点：2=M2yhb2=434.640.25822.9522.9557.39109=55.73MPa2=FN2A+M2zW2z=FN2bh+6M2zhb2=1509.1822.9557
13、.39106+6217.3222.9522.9557.39109=44.28MPa由第三强度理论:r3=22+422=44.28+455.732=119.96MPa所以D2点也满足强度条件。2.D3点：3=2=0.76755.73=42.74MPa3=FN2A+MExWEx=FN2bh+6MExbh2=1509.1822.9557.39106+6477.4522.9557.3957.39109 =39.04MP由第三强度理论：r3=32+432=39.042+442.742=93.97MPan=2所以，H-H截面的疲劳强度是足够的。4.5用能量法计算A-A截面的转角y，z。采用图乘法分别求解截
14、面的转角y，z。求y：在截面A加一单位力偶矩。图6 受力分析图由平衡方程得：B点的弯矩为： E点的弯矩为： 543.30434.64单位力偶矩作用下的内力图与外载荷作用下的内力图如下（弯矩画在受压的一侧，单位:Nm）：365.49365.49434.64图7 内力图当h=57.39 mm，b=22.95mm时，h/b=2.50,查材料力学P70中表3-1知=0.249。杆件的抗扭刚度：y=i=1niEIi+i=1niGIp=1EI1120.11-0.036365.491-0.7453+0.745+120.18-0.036434.64230.496+1EI2365.490.0360.745+0.
15、6212+120.036543.30-365.49(0.745-0.6213+0.621)+0.036434.640.621+0.4962+120.036543.30-434.64(0.621-0.621-0.4963)+1GIp365.490.060.745+434.640.060.496=5.0210-3rad方向与单位力偶相同。求z：在截面A加一单位力偶矩。图8 外力分析图单位力偶矩作用下的内力图与外载荷作用下的内力图如下（弯矩画在受压的一侧）：182.75182.75217.32217.32271.652469.571509.18图9 内力图EA=Ehb=15010957.3922.9
16、510-6=1.98108Pam2EI3=Ehb312=15010957.3922.95310-1212=8668.67Pam4z=i=1niEIi+i=1niEA=1EI1120.11-0.036182.751-0.7453+0.745+120.18-0.036217.32230.496+1EI2182.750.0360.745+0.6212+120.036271.65-182.75(0.745-0.6213+0.621)+0.036217.320.621+0.4962+120.036271.65-217.32(0.621-0.621-0.4963)+1EI3182.750.060.745+
17、217.320.060.496+1EA2469.570.063.448+1509.180.063.448=2.7610-3rad方向与单位力偶相同。5.分析讨论及必要说明在本次设计中，做以下几点说明：（1）在画内力图时，忽略弯曲切应力，故未画剪力图。（2）在强度计算方面，由于材料是球墨铸铁（QT450-5），其性质与塑性材料相近，故用第三强度理论而不用第一或第二强度理论。（3）在校核曲柄臂画内力分布时忽略了圆孔对其的影响。（4）在疲劳强度校核H-H截面时，忽略键槽对min的影响。6.设计的改进意见及措施6.1提高曲轴的弯曲强度 提高弯曲强度的主要措施有，合理安排构件的受力情况及设计合理的截面。
18、但对于该曲轴可以通过合理布置支座的形式合理安排曲轴的受力情况；也可以在结构允许的情况下将集中载荷适当分散让在和尽量靠近支座。6.2提高曲轴的弯曲刚度 提高弯曲刚度的主要措施有，改善结构形式，减少弯矩的数值、选择合理的截面及合理选材等。对于该曲轴可以通过改善结构形式，尽量减小跨度，选择合理的截面形状，减少弯矩的数值并且合理选材等形式提高曲轴的弯曲刚度。6.3提高曲轴的疲劳强度提高疲劳强度主要有减缓应力集中和提高构件表面强度两种方式。为了消除和缓解应力集中，再设计曲轴时，应尽量避免出现方形直角或带有尖角的孔和槽，即在主轴颈和曲柄臂相连处应采用半径较大的过度圆角。提高曲轴表面的强度可通过两方面实现，
19、一是从加工入手提高表面加工质量，可采用精细加工，降低表面粗糙度，尤其对高强度钢更重要；二是增加表层强度，对曲轴中应力集中的部位如键槽处应采取某些工艺措施，即表面热处理或化学处理，如表面高频淬火、渗碳等或表层用滚压等冷加工办法。7.设计体会材料力学是一门被各个工程广泛应用的学科，是通过理论与实验来进行强度、刚度、稳定性以及材料的力学性能的研究。在保证安全、可靠、经济节省的前提下，为构件选择适当的材料，确定合理的截面形状和尺寸提供基本理论和计算方法。通过这次的课程设计，我对材料力学有了更深一层的认识，基本学会了运用所学材料力学知识分析和解决实际问题的能力，达到了学以致用的目的。同时加强了对上学期所
20、学材料力学知识的理解以及对AutoCAD、C+等软件的运用能力，使相关学科思想和知识有机的联系起来。但是发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆通过这次的课程设计。 对于本次课程设计中的不足之处，还希望老师批评指正。谢谢老师长期以来的辛勤教导与帮助。8.参考文献1聂毓琴等，材料力学实
21、验与课程设计，北京，机械工业出版社，2006.82聂毓琴，孟广伟，材料力学，机械工业出版社2007.23谭浩强，C程序设计（第三版），北京，清华大学出版社，2005.79附录9.1求h、b程序#include#include#define PI 3.int main() double Mex,Mey,Mez,FN2;double h,b,S=120e6,S1,S2,S3;int D=39;double Z1,Z2,Z3,Q2,Q3;double h1,b1;double a,r;double s,max=(1.6*D)*(0.4*1.6*D); /*面积最大值*/Mex=477.45;Mey=
22、434.64;Mez=217.32;FN2=1509.18;printf(*机械学院*赵宪卓*n);printf(* *n);printf(* 所用数据：P=15.0kw n=300r/min r=0.06m *n);printf(* *n);for(h=1.4*D;h=1.6*D;h+=0.01) for(b=0.25*h;b=2.5&h/b=3) /*利用插入法确定a,r*/a=0.213+0.018*h/b;r=0.837-0.028*h/b;elsea=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b;Z1=1e6*FN2/(b*h)+6e9*Mex/(b*h*h)+
23、6e9*Mez/(b*b*h); /*D1点正应力*/ Z2=1e6*FN2/(b*h)+6e9*Mez/(b*b*h); /*D2点正应力*/ Z3=1e6*FN2/(b*h)+6e9*Mex/(b*h*h); /*D3点正应力*/ Q2=1e9*Mey/(b*b*h*a); /*D2点切应力*/Q3=r*Q2; /*D3点切应力*/S1=Z1; S2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2);S3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);if(S1S&S2S&S3S) s=b*h;if(s=2.5&h/b=3) /*带回，利用插入法求a,r*/a=0.213+0.018*h/b;r=0.83
24、7-0.028*h/b;elsea=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b;printf(* 解得h和b值为: h=%.2lfmm b=%.2lfmm *n,h,b);printf(* *n);printf(* 解得a和r值为: a=%.3lf r=%.3lf *n,a,r);printf(* *n);printf(*机械学院*赵宪卓*n);return 0;9.2通用程序9.2.1通用程序框图计算外力及支座反力确定危险截面并输出变量MEx, MEy, MEz,MEz, FN2, MCD中x,MCD中y, MCD中z由第三强度理论计算D，d计算危险点主应力并输出计算
25、n，校核疲劳强度图乘法计算转角调子程序进行强度校核并计算转角r32调子程序计算h,b疲劳强度安全疲劳强度不安全输出结果结束YNYN9.2.2语言程序#include#include#define PI 3.double Me,FAy,FAz,FFy,FFz,M1x,M1y,M1z,M2x,M2y,M2z,FN2,M3x,M3y,M3z;double h,b,S=120e6,S1,S2,S3,E=150e9,u=0.27,r;double L1,L2,L3;int D,d;int main() /主函数 double hb();double jhqbb();double jhplqd();dou
26、ble zhuanjiao();double P,n,Ft,Fr;double DD,dd,Sigma3,BB;printf(enter the data:P,n,rn);scanf(%lf,%lf,%lf,&P,&n,&r);L1=0.11,L2=0.18;L3=1.2*r;printf(L1=%lf,L2=%lf,L3=%lf,P=%lf,n=%lf,r=%lfn,L1,L2,L3,P,n,r);Me=9549*P/n;Ft=Me/r;Fr=Ft/2;FAy=Fr*L2/(L1+L2);FAz=Ft*L2/(L1+L2);FFy=Fr*L1/(L1+L2);FFz=Ft*L1/(L1+L2
27、);M1x=Me;M1y=FFz*(L2-L3/2);M1z=FFy*(L2-L3/2);M2x=Me;M2y=FFz*(L2-L3/2);M2z=FFy*(L2-L3/2);FN2=FFy;M3x=FAz*r;M3y=FAz*L1;M3z=FAy*L1;printf(Me=%.2lfNm,Ft=%.2lfN,Fr=%.2lfNn,Me,Ft,Fr);printf(FAy=%.1lfN,FAz=%.1lfN,FFy=%.1lfN,FFz=%.1lfNn,FAy,FAz,FFy,FFz);printf(M1x=%.2lfNm,M1y=%.1lfNm,M1z=%.1lfNmn,M1x,M1y,M1
28、z);printf(M2x=%.2lfNm,M2y=%.1lfNm,M2z=%.1lfNm,FN2=%.1lfNn,M2x,M2y,M2z,FN2);printf(M3x=%.1lfNm,M3y=%.1lfNm,M3z=%.1lfNmn,M3x,M3y,M3z);Sigma3=sqrt(M3x*M3x+M3y*M3y+M3z*M3z);BB=32*Sigma3/(PI*S);dd=pow(BB,1.0/3.0);Sigma3=sqrt(M1x*M1x+M1y*M1y+M1z*M1z);BB=32*Sigma3/(PI*S);DD=pow(BB,1.0/3.0);printf(D=%.4lfm,
29、d=%.4lfmn,DD,dd);D=(int)(1000*DD);d=(int)(1000*dd);if(d%2=0) d=d+2;else d=d+1;if(D%2=0) D=D+2;else D=D+1;printf(故D取%dmm,d取%dmm n,D,d);hb(); /调用求解h，b子函数jhqbb(); /调用校核曲柄臂子函数jhplqd(); /调用校核疲劳强度子函数zhuanjiao(); /调用求转角子函数 return 0;double hb() /求解h，b子函数double Z1,Z2,Z3,Q2,Q3;double h1,b1;double a,r;double s
30、,m=(1.6*D)*(0.4*1.6*D);for(h=1.4*D;h=1.6*D;h+=0.01) for(b=0.25*h;b=2.5&h/b=3) /查表3-1，利用插入法确定a,ra=0.213+0.018*h/b;r=0.837-0.028*h/b;elsea=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b; Z1=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2x/(b*h*h)+6e9*M2z/(b*b*h); Z2=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2z/(b*b*h); Z3=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2x/(b*h*h); Q2=1e9*M2y
31、/(b*b*h*a); Q3=r*Q2;S1=Z1; S2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); /应用第三强度理论S3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);if(S1S&S2S&S3S) s=b*h;if(s=2.5&h/b=3) a=0.213+0.018*h/b;r=0.837-0.028*h/b;elsea=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b; Z1=FN2/(b*h)+6e3*M2x/(b*h*h)+6e3*M2z/(b*b*h); Z2=FN2/(b*h)+6e3*M2z/(b*b*h); Z3=FN2/(b*h)+6e3*M2x/(b*h*
32、h); Q2=1e3*M2y/(b*b*h*a); Q3=r*Q2; printf(Z1=%.2lfMPa,Z2=%.2lfMPa,Z3=%.2lfMPa,Q2=%.2lfMPa,Q3=%.2lfMPan,Z1,Z2,Z3,Q2,Q3);S1=Z1; S2=(sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); S3=(sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);printf(S1=%.2lfMPa,S1);if(S1-S)/S0.05)printf(所以D1点安全n);printf(S2=%.2lfMPa，,S2);if(S2-S)/S0.05)printf(所以D2点安全n);printf(S3=%.2l
33、fMPa，,S3);if(S3-S)/S0.05)printf(所以D3点安全n);if(S1-S)/S0.05&(S2-S)/S0.05&(S3-S)/S2)printf(H-H截面疲劳强度是足够的n);elseprintf(H-H截面疲劳强度不足够n);return 0;double zhuanjiao() /求转角子函数 double _FAz,_FFz,_FAy,_FFy,_Mb,_Me,EI1,EI2,EI3,EA,GIt,B1,ZJy,ZJz,X;if(h/b=2.5&h/b=3) B1=0.179+0.028*h/b;elseB1=0.209+0.018*h/b;_FAz=1/(L1+L2);_FFz=_FAz;_FAy=_FAz;_FFy=_FAz;_Mb=1-_FAz*(L1-L3/2);_Me=_FFz*(L2-L3/2);X=(_Mb+_Me)/2;EI1=E*PI*D*D*D*D*(1e-12)/64;EI2=E*PI*d*d*d*d*(1e-12)/64;GIt=E*B1*h*b*b*b*(1e-12)/(2*(1+u);EI3=E*h*b*b*b*(1e-12)/12;EA=E*h*b*(1e-6);