材料力学课程设计龙门刨床门架计算

材料力学课程设计材料力学课程设计 计算说明书计算说明书 设计题目 设计题目 龙门刨床门架 学号学号 2009760120097601 姓名 姓名 张浩张浩 指导教师 指导教师 完成时间 完成时间 1 设计的目的 任务及要求 设计的目的 任务及要求 1 1 材料力学课程设计的目的 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计算方法 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 即从整体上掌握了基本理论和现代 的计算方法 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想和设计方法 使实际工作能力有所提高 具体有以下六项 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 因而课程设计可以把材料力学知识与 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 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践中的设计思想和设计方法 6 为后续课程的教学打下基础 1 2 材料力学课程设计的任务和要求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 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路 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 设计题目的已知条件 所求及零件图 画出结构的受力分析计算简图 按比例标明尺寸 载荷及支座等 静不定结构要画出所选择的基本静定系统和及与之相应的全部求和过程 画出全部内力图 并标明可能的各危险截面 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 各危险点的主应力大小及主平面的位置 选择强度理论并建立强度条件 列出全部计算过程的理论依据 公式推导过程以及必要的说明 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 疲劳强度计算部分要说明循环特性 r max min m 的计算 所查 各系数的依据 疲劳强度校核过程及结果 并绘 a 出构件的持久极限曲线 2 分析讨论及说明部分的要求 分析计算结果是否合理 并讨论其原因 改进措施 提出改进设计的初步方案及设想 提高强度 刚度及稳定性的 措施及建议 3 程序计算部分的要求 程序框图 计算机程序 含必要的语言说明及标识符说明 打印结果 数据结果要填写到设计计算说明书上 2 设计题目 龙门刨床门架计算设计题目 龙门刨床门架计算 某龙门刨床门架示意图如图 所示 可简化为图 所示的钢架 尺寸如图 所示 危险工况有最大切削力 F 另外有两种力矩 Me1 Me2 作用位置及 作用方式如图所示 门架材料为灰铸铁 HT250 1 校核门架的强度 取安全系数 n 3 2 求门架上加力点的水平 垂直位移 数据 F 110kN Me1 50kN m Me2 47kN m 设 a 0 6m l 0 8m 查表得 E 100GPa G 40GPa 3 超静定部分分析求解 超静定部分分析求解 判断超静定次数 此结构为 12 次超静定结构 分析外载荷 F Me1 Me2 分别单独作用于结构上的情况 1 最大水平切削力 F 单独作用时 简化受力图如图所示 由图可知 该结构是一个平面 空间系统 因此 在结构的任意横截面 处 作用在此结构平面内的内力素均为零 此外 构件形状关于 y 轴对称 外载荷关于 y 轴也对称 所以 在结构对称面的横截面处 反对称内力素也 为零 将构件沿对称面截开作为静定基 加两对多余约束力 X1 X2 如图所 示 建立多余约束处的变形协调条件 在截开的对称面处 相对转角为零 由 正则方程有 11X1 12X2 1F 0 22X2 21X1 2F 0 取左半部份分别画出静定基在 F 2 X1 1 X2 1 单独作用下的内力图 如 图所示 由非圆截面扭转公式可得立柱的 It 1h1b1 2h2b2 7 69 10 4m4 其中 h1 0 4 b1 0 3 h2 0 36 b2 0 26 1 0 179 2 0 184 横梁对 Y 轴的惯性矩 Iy 3 14 10 5 m4 其中 h1 0 2 b1 0 12 h2 0 18 b2 0 1 12 3 11h b 12 3 22h b 立柱对 X 轴的惯性矩 Ix 5 89 10 4m4 其中 h1 0 4 b1 0 3 h2 0 36 b2 0 26 12 3 11h b 12 3 22h b 由图形互乘法得 11 2 43 10 7 m4 ty C GIEI M x M y EI a t GI l 2 22 2 17 10 7 m4 ty C GIEI M x M y EI a t GI l 12 21 2 60 10 8 m4 t GI x M t GI l 1F 8 58 10 4m4 t GI x M t GI Fal 2 2F 4 01 10 3 m4 ty C GIEI M x M y EI Fa 4 2 t GI Fal 2 将以上结果带入正则方程得 X1 1 57kN m X2 18 29kN m 2 力矩 Me1单独作用于此结构时 该结构为平面对称结构 Me1为反对 称载荷 因此 在结构对称面的横截面处 对称内力素等于零 将构件沿对称面截开作为静定基 并加两对多余约束力 X3 X4 如图所示 建立多余约束处的变形协调条件 在截开的对称面处 相对垂直位移为零 由正则方程有 33X3 34X4 3F 0 44X4 43X3 4F 0 取右半部份 分别画出静定基在 Me1 2 X3 1 X4 1 单独作用下的内力图 如图所示 横梁对 Z 轴的惯性矩 1 38 10 5 m4 其中 h1 0 12 b1 0 2 h2 0 1 b2 0 18 1z I 12 3 11h b 12 3 22h b 立柱对 Z 轴的惯性矩 3 73 10 4 m4 其中 h1 0 3 b1 0 4 h2 0 26 b2 0 36 2z I 12 3 11h b 12 3 22h b 由由图形互乘法得 33 6 76 10 8 m4 z C EI M 1 3 3 z EI a 2 2 2 z EI la 44 5 99 10 8 m4 z C EI M 1 3 3 z EI a 2 2 z EI la 34 43 7 72 10 9 m4 z C EI M 2 2 z EI la 3F 3 21 10 4 m4 z C EI M 2 1 2 z e EI alM 4F 3 58 10 3 m4 z C EI M 1 1 2 4 z e EI Ma 2 1 2 z e EI alM 将以上结果带入正则方程得 X3 2 11kN m X4 60 04kN m 3 力矩 Me2单独作用于此结构时 该结构为一个平面空间系统 作用在 结构平面内的内力素为零 此外 该结构关于 y 轴对称 Me2为作用在其上的 对称载荷 因此 在结构对称面的横截面处 反对称内力素等于零 将构件沿对称面截开作为静定基 并加两对多余约束力 X5 X6 如图所示 建立多余约束处的变形协调条件 在截开的对称面处 相对转角为零 由 正则方程有 55X5 56X6 5F 0 66X6 65X5 6F 0 取左半部份分别画出静定基在 Me2 2 X5 1 X6 1 单独作用下的内力图 如图所示 由图形互乘法得 5F 0 6F 0 于是可得 X5 0 X6 0 综上可得出所有多余约束力 此结构就化为静定问题 4 门架强度的校核 门架强度的校核 由于该结构为对称结构 故可沿对称面截出一半 取左半部份对其强度进 行校核 如图所示 将其分为三部分 横梁一 横梁二 立柱 分别对其进行 校核 4 1 横梁一的强度校核 1 外力分析 横梁一上作用有多余约束力矩 X1和多余约束力 X3 2 内力分析 画出内力图 如下图所示 忽略剪力 根据内力图确定危险截面 横梁一受两向弯曲 左端截面最危险 由于构件的材料为灰铸铁 是脆性材料 抗压不抗拉 因此 危险点为左端截 面的 A 点 如图所示 Mz max X3a 1 266kN m My max X1 1 57kN m 求得 3 强度校核 对 A 点进行应力分析 查表 2 1 得 灰铸铁 b 250MPa n 3 故许用应力 根据第一强度理论 满足强度条件 因此横梁一是安全的 max1 4 2 横梁二的强度校核 1 外力分析 横梁二上作用有外载荷以及多余约束力 X4和多余 2 2 2 21eeMMF 约束力矩 X2 2 内力分析 画出内力图 确定危险截面 分别画出横梁二的弯矩图以及扭矩 图 如下所示 一 弯矩图 34 max 1014 3 m z I W y y 34 max 1 1103 2m y I W z z MPa W M W M y y z z A5 10 max 1 max max MPa n b 3 83 二 扭矩图 由上图可以看出横梁二受两向弯曲和扭转组合变形 危险截面为左 右两端截 面 3 强度校核 先对右端截面进行校核 根据应力分析 可以判定出截面上可能的危险点是 B C D 三点 如图所示 先分析 B 点 B 点处正应力最大 但扭转切应力为零 得出 由于 所以 B 点不安全 因而对于 C D 点就没有继续校 max1 核的必要了 因此 横梁二不满足强度条件 是不安全的 4 3 立柱的强度校核 1 外力分析 2 内力分析 画出内力图 确定危险截面 一 弯矩图 二 扭矩图 mkNXMy 29 18 2 max 34 max 1014 3 m z I W y y MPa W M W M z z y y 4 160 max max max mkN M M e z 5 23 2 1 max 34 max 1 103 2m y I W z z 由上述内力图可知 立柱受两向弯曲和扭转组合变形 危险截面在立柱固定端 可能 危险点是 E F G 三点 如下图 3 强度校核 1 对 E 点校核 E 点切应力为0 仅受正应力 由此可得 mkNMx 5 23max mkNMz 02 36max 33 max x x102 95Wm z I 由第一强度理论 因此 E 点满足强度要求 安全 2 对 F 点校核 F 点同时存在正应力和切应力 由闭口薄壁杆件的自由扭转公式 MPaMPa A F W M W M N z z x x 3 8346 24 max max max 33 max 2 105 2m x I W z z MPa w Mx 52 5 28 0 38 0 02 0 2 1024 2 3 MPa A F W MN x x F05 10 max 在 F 点处取单元体 如图所示 所以 由第一强度理论 满足强度条件 因此 F 点安全 3 对 G 点校核 G 点同时存在正应力和切应力 类似于 F 点 MPa A F W M N z z G49 16 max 由第三强度理论 于是 满足强度条件 G 点安全 综上所述 立柱满足强度条件 5 求解门架上加力点的水平 垂直位移求解门架上加力点的水平 垂直位移 5 1z 轴方向位移 沿 F 方向加单位力1 如下图所示 MPaMPa FF 3 8349 12 22 2 2 1 MPaMPa GG 3 8306 20 22 2 2 1 MPa46 8 由上图 根据图形互乘法可得沿 F 方向的水平位移 n i t xii n i i cii z GI Mw EI Mw 11 方向与单位力方向相同 5 2 x 轴方向位移 沿 x 轴方向加单位力1 如图 tyxGI al Fa EI aaFa EI llFl 23 2 223 2 22 m1059 7 4 2 3 2 4 2 1 2222 zzz e EI al l X EI l l aX EI l l M n i t xii n i i cii x GI Mw EI Mw 11 yx e ttEI a aX EI l l M GI alX GI alX 222 1 2 12 方向与单位力方向相反 5 3 y 方向位移 沿 y 轴方向加单位力1 如图所示 方向与单位力方向相同 6 6 改进措施 改进措施 由上述校核可知 中间横梁是不安全的 改进方法有 1 合理设计和布置支座 弯矩是引起弯曲变形的主要因素 减小弯矩也就减小 应力强度 所以在不影响刨床工作的前提下 减小立柱之间的距离 2 将集中载荷适当分散 工程实际中 若能把集中力变成分散力 也可以去的 减小弯矩降低弯曲变形的效果 所以 作用在中间梁上的集中力 应尽量靠近 支座 以减小弯矩 降低应力 3 选择合理的截面形状 梁的合理截面形状应该是 在不加大横截面面积的条 件下 尽量使 z W 大一点 即应使比值 A z W 大一些 则这样的截面就既合理 又经济 经分析知 若将矩形截面中在中性轴附近的材料移至到中性轴较远处 使截面成为工字型及槽型 则它们要比矩形截面更为合理 4 合理选材 弯曲变形还与材料的弹性模量 E 有关 对于不同的材料 E 数值 越大弯曲变形越小 所以为提高强度 可以选择高强度铸钢 m1037 8 5 n i t xii i cii y GI Mw EI Mw 1 m1050 4 6 1 4 2 4 2 3 1 1 2 1 3 2 2222 z zzz e z e EI Xa aa EI alaX EI alaX EI a a M EI al M 7 C 程序部分程序部分 include void main float h1 h2 b1 b2 I p1A p1B p1C p 250 3 int i for i 0 i 4 i printf nInput the h1 b1 h2 b2 n scanf f f f f I h1 b1 b1 b1 h2 b2 b2 b2 12 printf I d 2e n i 1 I printf nInput the p1A n scanf f if p1A p printf n1 横梁在 A 安全 n else printf n1 横梁在 A 不安全 n printf nInput the p1B n scanf f if p1B p printf n2 横梁在 B 安全 n else printf n