龙门刨床门架2

1、材料力学课程设计设计与计算说明书题目：龙门刨床门架题号： 7 511 II学校：吉 林 大 学学院：机械科学与工程学院指导教师：麻凯姓名：李 彦 超学号： 41100222完成时间： 2010.10.15答辩成绩 设计成绩1.2.3.33334445559、八前言1材料力学课程设计的目的 2 .材料力学课程设计的任务和要求3. 设计计算说明书的要求 4分析讨论及说明部分的要求 5程序计算部分的要求6材料力学课程设计的一般过程 材料力学课程设计题目龙门刨床门架计算设计计算书说明书 设计思想 设计方法门架强度的校核a. 顶部横梁的强度校核b.中间横梁的强度校核1011121213131414141

2、51919C. 立柱的校核4. 求门架上加力点的水平和垂直位移a. 求Z方向水平位移b. 求X方向水平位移C.求垂直位移5. 分析讨论和说明四、程序设计 1. 程序流程图 2. 运行程序五、设计总结 六、参考文献 1材料力学课程设计的目的本课程设计是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，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

3、图 学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等） 的综合应用，又为后续课程（机 械设计、专业课等） 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、完整性。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 （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） ，使相关学科的知识有机的联系起来。5）初步了解和掌握工程实际中的设计思想和设计方法。6）为后续课程的教学打下

4、基础。2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。3设计计算说明书的要求工整，1)2)3)4)5)6)7)8)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 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。 画出构件的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷和支座等。 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

5、部求解过程。 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。9）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。10 ）查 k, 线。疲劳强度计算部分要说明循环特征， max, min ,r, m, a, 的计算，所各系数的依据，疲劳强度校核过程及结果，并绘出构件的持久极限曲max minma4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。建立强度、刚度条件，并进行

6、相应的设计计算以及必要的公式推导。 编制计算机程序并调试程序。上机计算，并打印出结果。 整理数据结果并书写设计计算说明书。分析讨论设计和计算的合理性、优缺点，以及相应的改进意见和措施。 课程设计总结，准备答辩。(HT250)。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。5.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）。6. 材料力学课程设计的一般过程材料力学课程设计与工程中的一般设计过程相似，从分析设计方案开始到进 行必要的计算，并对结构的合理性进行分析，最后得出结论。应合理安排时

7、间， 避免前松后紧，甚至不能按时完成设计任务。材料力学课程设计可大致分为以下几个阶段：1 ）设计准备阶段。认真阅读材料力学课程设计指导书，明确设计要求，结 合设计题目复习材料力学课程的有关理论知识， 制定设计的步骤、方法以及时间 分配方案等。2）从外力及变形分析入手，分析计算内力、应力及变形，绘制各种内力图及 位移、转角曲线。3）4）5）6）8）8）二.设计题目：龙门刨床门架计算某龙门刨床门架示意图如图1-1a所示，可简化成图1-1b所示的钢架，尺寸 如图所示。危险工况有最大水平切削力 F，另外有两种力矩Me1、Me2，作用位 置及作用方式如图1-1b所示。门架材料为灰铸铁1. 校核门架的强度

8、。（取安全系数n=3）2. 求门架上加力点的水平、垂直位移。设计计算数据：7-9-11 F=100kN、M- 23 -1-1b1-1a三.设计计算书说明书F、两种力矩Me1、Me2分成三部分单独作用 确定基本静定系、建立多余约束处的正则方程、1.设计分析:将三个载荷水平切削力于构件上，分别判断静不定次数、 计算各系数Sj、 iF，带入正则方程，求解多余约束力。然后分别对两根横梁和立柱进行强度校核。再用图形互乘法求出加力 点的水平和垂直位移。2. 设计方法1门架强度的校核第一步：将三个载荷水平切削力F、两种力矩M1、M2分成三部分单独 作用于构件上，判断静不定次数、确定基本静定系、建立多余约束处

9、的正则方程、 计算各系数§j iF，带入正则方程，求解多余约束力。（一）最大水平切削力F单独作用利用已知结构特点进行简化如下图。此结构为平面一空间系统，因此，在门架的任意横截面上作用在门 架平面内的内力素都等于零。此外，门架的形状在门架平面内对丫轴式对称的,载荷作用于中点对 丫轴也是对称的。因此，在钢架的对称平面处的横截面处， 反对称的内力素（扭矩和剪力）也都等于零。因而不等于零的仅仅是作用在水平 面内的弯矩。将门架沿对称平面揭开作为原超静定结构的静定基，并加上两对多余约束力偶矩XI、X2如图： 建立对称平面处的变形协调条件在所截开的对称平面处，不能产生相对的转动，由力法正则方程有1

10、1 X1 12 X222 X 2 21 X11F 02F 0画出由已知力F/2引起的内力图和X1=1、X2=1的单位力引起的内力图，如图（a）（b） （ c）利用图乘法得：*1X£=LFL/2E=100G Pa,G=40G pa此结构为灰铸铁，查资料得： 门架立柱包含非圆截面的扭转问题， 由图可知：门架宽 2a=1200mm 高 2l=1600mm；立柱 A: H1=400mm B1=300mm H'2=360mm B'2=260mm； 横梁 B： h1=200mm b1=120mm h2=180mm b2=100mm；经常表得 h/b=1.2, 3=0.166 ;

11、h/b=1.5, 3=0.196 由插入法可得，所以： 立柱非圆截面IAt1H1B13P 1=0.179,仪=0.184横梁的IBy=血b2h；0.12 0.2312121230.1 0.183.14x105(m4)12得:11WMcwM cGT2lEI2.4310 7m22wMElBywM cGT丄EI2.1710 7m2H2B23 7.69 104(m4)wMxcl2 6010 8m1221GlAtGlAt厶OUwM cwMxcFal7.81FElByGI At2GlAt2FwM cwMxcFa2FalElByGlAt4EI By2GlAt则：X11.43KN.m16.64KN.m104m

12、3.64 10 3mX2（二）力矩Me2单独作用时;My,X3、X4方如图所示：门架结构特点于（一）水平切削力F单独作用时相似，为对称结构的平 面-空间系统。其对称平面处的横截面上，反对称的内力素也都等于零。因而不 等于零的仅仅是作用于水平面的弯矩 并加上二对多余约束力偶矩 建 立 图一233 X 334 X 43F4F1、 X4P-. FF任心00X3画出由已知力偶矩和令 位力引起的内力图，利用图乘法得：X4=l44 X 443X33F 0440所以：X30X40（三）力矩Mei单独作用时；此门架结构为平面对称结构。Mei为反对称载荷。因此，在构件的对 称平面处的横截面上，对称内力素都等于零

13、。因而不等于零的仅仅是剪力。 将钢 架沿对称平面截开作为原超静定结构的静定基，并加上两对多余的约束力Nel/eHeL/2X4由力法正则方程得:55 X 556 X 666 X 665 X 5画出由已知力矩5F 06F 0归的内力图和X5=1，X6=1的单位力的内力图，如图一1（a）2(b) (c),求得：同（一）设 a,l：立柱的I Az33HB 虫亜 3.73 10 4m4横梁的I Bz12h1b131212止 1.38 10 5m4121Mel/2OL1X6所以:55W1M cITTwM ciT7a2EIbz2 -a32l a a 6.76 10 8mEl Az5665wMcEIaz7.8

14、109m66wM c1 -a2EIbza|la aEl5.92 10 8m5FwMcElAzMe1a a24ElAz1.28 106Fn WiMici 1 ElMe1 a a丄4ElAzMe1 |2ElAza3-1.4 10 3m由正则方程得:X56.39KNX671.79KN综（一）（二）步校核门架强度问题。（三）得求出所有的多余约束力后，此结构化为静定问题。可进3.门架强度的校核该门架为对称结构，沿对称平面截开一半进行校核分析。将其分为三部分, 两根横梁和立柱，分别进行强度校核。a顶部横梁的强度校核如左图所示顶部横梁上作用多余约束力 矩有Xl和多月约束力X501.外力分析：4根据剪力确定危

15、险截面为端截面,M max, Z X5 a 3.834KN.m Mmax,=X=1.43KN.m3、强度校核： 此构件材料为灰铸铁，抗压性能是抗拉性能:林岂max析5.9 10 4m310倍左右,Waz对端点进行应力分Iazly436.2 10 mmax83.3 MPa nmax <故顶部横梁满足强度条件，是安全的。b.中间横梁的强度校核1外力分析：中间横梁上作用有外载荷专M e1 M e22 , 2以及约束力X6和约束力偶矩X2弯矩图：Nel/2Mx扭矩图：分析得，此横梁受双向弯曲和扭转组合变形，危险截面为端截面。 3、强度校核：A点扭转切应力为零，正应力最大。取端截面分析，根据应力分

16、析，M y max号 X2 13.36KNgmaX643.07 KN gmM z max第一步已求得中间横梁10 5m410 5m4iBy 3.14Ibz 1.38 '可知：WByI ByZmaxWZI Bzy max所以：maxMy|max3.14 10 4m32.3 10 4m3343.07 10 cccc" r 229.8M Pa2.3 10 4所以A点不安全。即不必判断其他点，中间横梁不安全。Mz|max13.36 103W3.14 10 4MPa3C立柱的校核1、强度校核判断得，A、B、C三点为危险点XWAx 2.95 10 3m3先分析M x,maxM 乙maxB

17、点，旦2Fa2WAz 2.5 10 3m3切应力为零，40KN.mXi X210.85KN.m由第一强度理论得：|Mz|MxmaxmaxmaxWx所以B点安全。 分析C点|Mmaxx maxWz402.9513.56M PaWx查资料的闭口薄壁杆件的Mx2w得max 亠2w11.93 1032 0.3 0.4 0.0210.854 MPa 17.92.58250 MPa32.48M Pa取单元体如左图:1才卜所以C点安全分析A点214.0M Pa2|Mzmaxmax 4.34 MPa25.46M Pa2Wz同C点分析得 c亍FA点也安全综上可得立柱满足强度条件。4.求门架上加力点的水平和垂直位

18、移a求Z方向水平位移沿力F的方向加一单位力，并画出单位力引起的内力图，结合上一步中弯矩 图，根据图形互乘法，求得水平位移0.881 10 3 4.098 10 3根据图形互乘法，求得“2警+£叫f=iT对送yX罗3C普扣应学）C并=A+1验 弘刃砂0.145 10 3 1.147 10 3 0.564 10 3 0.027 10 33.096 10 3m与假设方向相反。b.求X方向水平位移沿X轴方向加一单位力，并画出单位力引起的内力图,综上可得:1=1Xtr= XI 字咒壬X 忌xF0.86 10 4 0.554 104 0.074 10 4 1.34 10 4m位移量与假设方向相反

19、C.求垂直位移沿丫轴方向加一单位力，并画出单位力引起的内力图，根据图形互乘法，求得 垂直位移:2Xfl" Xi Xj Xo"X iEb 亠 +%13.0 10 4 3.37 10 4 1.34 10 41.10 10 3m方向与假设方向相反。5分析讨论和说明由计算结果分析得，中间横梁强度不满足强度条件。结合受力条件和第二部 分计算得出的位移数据。整个结构最可能出现不满足强度条件为中间横梁的端 部。经验结果与计算结果基本一致。证明了计算过程中的合理性。该题目大量使用图乘法，使得设计计算说明书显得十分冗长， 所使用的材料 力学有关理论知识具有局限性。五.程序设计（一）程序流程图

20、分别输入A、B、C三点所受应力比较是否大于安全*不安全输出相应的结果结束(二)运行程序#i ncludevstdio.h>#in clude<math.h> void mai n() float E=100e9; float G=40e9;a=0.6;b=0.8; Z0=250e6/3;w=0.1064,q=0.0209,p=0.01;z=0.02;b1,b2,b3,b4,h1,h2,h3,h4,a1,a2;Ix,Iy,It,Iz1,Iz2;q11,q22,q12,q33,q44,q34;p1,p2,p3,p4;F,M1,M2,My,A=2.64e-2;X1,X2,X3,X4

21、;y1,z1,y2,z2,y3,y4,z3,x;Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7,Z8,Z9,Z10,Z11;Mx,My1,Mz1,My2,Mz2,Mz3,Wx,Wy1,Wz1,Wy2,Wz2,Wz3;floatfloatfloatfloatfloatfloatfloatfloatfloatfloatfloatfloat doublefloat float X,Y,Z;printf("nInput b1=,b2=,b3=,b4=,h1=,h2=,h3=,h4=,a1=,a2=n");scanf("%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f&

22、quot;,&b1,&b2,&b3,&b4,&h1,&h2,&h3,&h4,& a1,&a2);printf("nInput F=,M1=,M2=n"); scanf("%f,%f,%f",&F,&M1,&M2);Ix=b1*h1*h1*h1/12-b2*h2*h2*h2/12;Iy=b3*h3*h3*h3/12-b4*h4*h4*h4/12;It=a1*h1*b1*b1*b1-a2*h2*b2*b2*b2;Iz1=h3*b3*b3*b3/12-h4*

23、b4*b4*b4/12;Iz2=h1*b1*b1*b1/12-h2*b2*b2*b2/12; printf("nIx=%.3e,Iy=%.3e,It=%.3enIz1=%.3e,Iz2=%.3e",Ix,Iy,It,Iz1,Iz2); q11=a/(E*Iy)+2*b/(G*It);q22=a/(E*Iy)+b/(G*It);q12=b/(G*It); q33=a*a*a/(3*E*Iz1)+2*b*a*a/(E*Iz2); q44=a*a*a/(3*E*Iz1)+b*a*a/(E*Iz2);q34=b*a*a/(E*Iz2);printf("nq11=%.3e,

24、q22=%.3e,q12=%.3enq33=%.3e,q44=%.3e,q34=%.3e",q11,q22, q12,q33,q44,q34);p1=-a*b*F/(2*G*It);p2=-F*a*a/(4*E*Iy)-a*b*F/(2*G*It);p3=-a*b*M1/(2*E*Iz2);p4=-a*a*M1/(4*E*Iz1)-a*b*M1/(2*E*Iz2); printf("np1=%.3e,p2=%.3e,p3=%.3e,p4=%.3e",p1,p2,p3,p4);X1=(q22*p1-q12*p2)/(q12*q12-q11*q22);X2=(q12*

25、p1-q11*p2)/(q11*q22-q12*q12);X3=(q44*p3-q34*p4)/(q34*q34-q33*q44);X4=(q34*p3-q33*p4)/(q33*q44-q34*q34);printf("nX1=%.3enX2=%.3enX3=%.3enX4=%.3e",X1,X2,X3,X4);printf("nInput z1=,y1=,z2=,y2=,z3=,x=n");scanf("%f,%f,%f,%f,%f,%f",&z1,&y1,&z2,&y2,&z3,&

26、x);My1=F*a/2-X2;Mz1=a*X4-M1/2;Wy1=Iy/z1;Wz1=Iz1/y1;Z1=My1/Wy1+Mz1/Wz1;printf("nZ1=%.3e",Z1);if(Z1<Z0)printf("n 中间梁安全。 n");elseprintf("n 中间梁不安全。 n");My2=X1;Mz2=-a*X3;Wy2=Iy/z2;Wz2=Iz1/y2;Z2=My2/Wy2+Mz2/Wz2;printf("nWz2=%.3e",Wz2);printf("nWy2=%.3e"

27、,Wy2);printf("nMz2=%.3e",Mz2);printf("nZ2=%.3e",Z2);if(Z2<Z0)printf("n 横梁安全。 n");elseprintf("n 横梁不安全。 n");Mx=F*b/2-M2/2;Mz3=X4*a+X3*a-M1/2;Wx=Ix/z3;Wz3=Iz2/x;Z3=Mx/Wx+Mz3/Wz3+(X3+X4)/A;printf("nWz3=%.3e",Wz3);printf("nWx=%.3e",Wx);printf

28、("nMz3=%.3e",Mz3);printf("nMx=%.3e",Mx);printf("nZ3=%.3e",Z3);if(Z3<Z0) Z4=Mx/Wx+(X3+X4)/A;My=(F*a)/2-X1-X2;y3=My/(2*w*z);Z5=Z4/2+sqrt(Z4/2)*(Z4/2)+y3*y3);printf("ny3=%.3e",y3);printf("nMy=%.3e",My);prin tf("nZ4=%.3e",Z4);prin tf("n

29、Z5=%.3e",Z5); if(Z5<Z0)Z6=Mz3/Wz3+(X3+X4)/A;Z7=Z6/2+sqrt(Z6/2)*(Z6/2)+y3*y3); prin tf("nZ6=%.3e",Z6);prin tf("nZ7=%.3e",Z7); if(Z7<Z0) printf("n 立柱安全。n"); else printf("n 立柱不安全。n");X=(-M1*b*b+2*X3*a*b*b+2*X4*a*b*b)/(4*E*lz2);Y=-(M1*b*a)/(2*E*lz2)-(M1

30、*a*a)/(2*E*lz1)+(X3*a*a*b)/(E*lz2)+(X4*a*a*b)/(E* lz2)+(X4*a*a*a)/(3*E*lz1);Z=(2*F*b*b*b-3*M2*b*b”(12*E*lx)+(F*a*a*a-3*X2*a*a)/(6*E*ly)+(F*a*a*b-2*a *b*X1-2*a*b*X2)/(2*G*lt);prin tf("nThe dis placeme nt of X directi on is ");prin tf("%.3e",X);prin tf("nThe dis placeme nt of

31、Y directi on is ");prin tf("%.3e",Y);prin tf("nThe dis placeme nt of Z directi on is ");prin tf("%.3e",Z);prin tf("n");tn put b-1- .M-, *1 -*2 *Input142e 阳(31-5,3910-004 J 7-3.1405-005, !t -7,G?0c-fi0d ll£X-l,380e-B05, Iz2-3,727e-00Kll=2.431e-aft7,q2

32、5=2.171*-0W7,12"Z.601e-rafW.<r4-5.99fle-0»« 冲了 47.727e-0(W'nl 7.80：le fWH.pa 3.647e-B03,B33.2Zfle-H(M.pH-*3*S83B-fl(J3Xl-1 .431e'rP)B3M32.104.4003Input0.1,a.06,0.1,0.0t,0.2,0.ISZl=9.064e+007 中间粱不安全。We2 =2-3 006-004 WyH =3-14ae-HO4 Mz2=1.263e*003 72 =1 .ORRi+Bfr? 榻梁安全.W：3=Z-4B5e-003 Wx=2.946e-003 K =3-9.7080*003 x-1.850e+004Z3-1.242e+007 y3-2.80&e+006 Mi/=1.194e+004 Z4-e.4771006 Z5=9.322e+006 Z：6=