材料力学课程设计

1、材料力学课程设计说明书一、 画出力学简图，求出外力 强度计算 刚度计算 疲劳强度校核 3.超静定校核设计 超静定校核设计 课程设计目的材料力学课程设计的目的是在于系统的学习材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学设计的基本原理和计算方法，独立计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题的目的。同时，可以使我们将材料力学的理论和现代的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；既是对以前学到的知识（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）的综合运用，又为以后学习的课程（机械设计、专业课等

2、）打下了基础，并初步掌握了工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。具体有以下六项：1. 使我们的材料力学知识系统化，完整化。2. 在系统的全面的复习的基础上，运用材料力学的知识解决工程中的实际问题。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的知识和专业需要结合起来。4. 综合运用以前所学的各门课程知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），是相关学科知识有机的联系起来。5. 初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。6. 为以后课程的学习打下基础。二、 课程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

3、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。三、 课程设计题目设计题目：车床主轴设计某车床主轴尺寸及受力情况如图1所示。在A、B、C三个支座的中间支座B处，轴承与轴承座之间有间隙，正常工作时，B处轴承不起支撑作用，此时轴处于A、C两支座下的静定状态。当B截面处弯曲变形大于间隙时，轴处于A、B、C三支座下的静不定状态。轴截面E处装有斜齿轮，其法向压力角为，螺旋角为，工作处的切削力有、（在进行强度、刚度计算时，可以不计轴向力的影响，而以弯曲、扭转变形为主）。轴的材料为优质碳素结构钢（45钢），表面磨削

4、加工，氮化处理。其他已知数据见表1。1. 试按静定梁（A、C支撑）的强度、刚度条件设计等截面空心圆轴外径D(d/D值可见数据表2)，并计算这时轴上B截面处的实际位移。2. 在安装齿轮的E截面处有一铣刀加工的键槽，试校核此截面处的疲劳强度。规定的安全系数n=3（=420，=240）。3. 对静不定情况（A、B、C支撑），同时根据强度、刚度条件设计外径D，并用疲劳强度理论校核。设计数据：表1：/m/MPa20101500.0028注意：设计中不考虑轴的旋转静定要求和热变形的影响，并且将各轴承视为刚体，且不产生刚体位移，不考虑制造工艺和尺寸链等因素。表2：（设计计算数据表-13）0.160.490.

5、150.120.160.12455005.00.7042002000图一：四、 课程设计设计过程1. 画出力学简图，求出外力由公式可知=795.75N由斜齿轮受力分析得： =294.10N则有：=354.72N=770.64N由工件DH受力平衡及作用力与反作用力，代入求得：强度计算，画出弯矩、扭转图由受力分析求出A点的支反力：解上面的方程，则有:根据已知分别作出Y、Z方向的弯矩图，如下图所示：由扭矩图和两弯矩图可知，C截面为危险截面，在该截面上的弯矩和扭转值分别为：由于轴的材料为优质碳素结构钢（45钢）为塑性材料，选择第三强度理论进行校核设计：由 代入数据解得：刚度设计a、 根据D点刚度条件设

6、计轴径，在D点分别沿y、z轴加一单位力：作出弯矩图：用图形互乘法求解：作出弯矩图： 由弯曲的刚度条件：，取，代入数据计算得： b、 根据E点刚度条件设计轴径，在E点分别沿y、z轴加一单位力：作出弯矩图：作出弯矩图：由弯曲的刚度条件：，取，代入数据计算得： c、 根据C点刚度条件设计轴径，在C点分别沿y、z轴加一单位力偶：作出弯矩图： 作出弯矩图： 由弯曲的刚度条件：，取 代入数据计算得：综上所述：所以D取当时，计算B截面的实际位移：在B截面沿y、z轴分别加单位力，如图：作出弯矩图：作出弯矩图： 取所以B 截面的实际位移为。2.校核疲劳强度若不计键槽对抗弯截面系数的影响，则E截面处抗弯截面系数：

7、由于轴在不变弯矩作用下旋转，故该循环为对称循环，则有：r=-1E截面的抗扭截面系数：由于轴在不变扭矩作用下旋转，故该循环为对称循环，则有：确定系数：有效应力集中系数,查附表A知优质碳素结构钢（45钢），由图13-10a）和图13-10b）查得尺寸系数：由表13-2查得表面质量系数：由表13-4查得=1.65由r=-1，计算轴的工作安全因数：当，按最大切应力理论，由故E处满足疲劳强度要求。3.(1)超静定校核设计由，故此轴为一次超静定，用力法正则方程求解、。去掉支座B，以代之建立多余约束的正则方程： 在B截面加单位力，作出单位弯矩图：求解：，即同理可得： ，即作出受力图：求解方程：作出弯矩图：用

8、上题方法依次求解出：综上所述：所以D取(2)校核疲劳强度若不计键槽对抗弯截面系数的影响，则E截面处抗弯截面系数：由于轴在不变弯矩作用下旋转，故该循环为对称循环，则有：r=-1E截面的抗扭截面系数：由于轴在不变扭矩作用下旋转，故该循环为对称循环，则有：确定系数：有效应力集中系数,查附表A知优质碳素结构钢（45钢），由图13-10a）和图13-10b）查得尺寸系数：由表13-2查得表面质量系数：由表13-4查得=1.65由r=-1，计算轴的工作安全因数：当，按最大切应力理论，由故E处满足疲劳强度要求。五.循环计算程序#include<stdio.h>#include<math.h

9、>#define pi 3.141592654#define ip 0.017453292floatL1,L2,L3,a,b,A0,n,P,i,R,Fhy,Fhz,Fay,Faz,Fcy,Fdz,Fdy,Fcz,Fey,Fez,Me,Mby,Mbz,Mdy,Mdz,Mcy,Mcz,Mey,Mez,Md,Mc,D1,D2,D3,D4,D,Xs,w,sjwyb,Fby=0,Fbz=0,nde=0.00035,ndd=0.00033,zjc=0.0028,wyb=0.00005;intpd=0;void zaihe()float Ft,Fr,An=20.0,Bn=10.0; Me=9549*P

10、/n; Ft=Me/R; Fr=Ft*tan(An*ip)/(cos(Bn*ip); Fey=Ft*sin(A0*ip)-Fr*cos(A0*ip); Fez=Ft*cos(A0*ip)+Fr*sin(A0*ip); Mdy=Fhz*b; Mdz=Fhy*b;void waili() Fay=(Fhy*L3+Mdz-Fey*a-Fby*L2)/(L1+L2); Fcy=(-Fhy*(L1+L2+L3)-Mdz-Fey*(L1+L2-a)-Fby*L1)/(L1+L2); Faz=(-Fhz*L3-Mdy-Fez*a-Fbz*L2)/(L1+L2); Fcz=(Fhz*(L1+L2+L3)+Md

11、y-Fez*(L1+L2-a)-Fbz*L1)/(L1+L2); Mby=Fay*L1;Mbz=Faz*L1; Mey=Fay*(L1+L2-a)+Fby*(L2-a);Mez=Faz*(L1+L2-a)+Fbz*(L2-a); Mcy=Fay*(L1+L2)+Fby*L2+Fey*a;Mcz=Faz*(L1+L2)+Fbz*L2+Fez*a;/*对于静定情况B点受力为0*/void qiangdu()float wb,wc,we,temp;wb=sqrt(Mby*Mby+Mbz*Mbz);wc=sqrt(Mcy*Mcy+Mcz*Mcz);we=sqrt(Mey*Mey+Mez*Mez);if

12、 (wb>wc&&wb>we)w=wb;else if (wc>wb&&wc>we)w=wc;else w=we;temp=32*sqrt(w*w+Me*Me)/(pi*(1-i*i*i*i)*yl);D1=pow(temp,0.3333333333333333333)/100;void naodu()float sum1,sum2,sum,mid1,mid2,mid3,sb=0.6666666667,dsb=0.333333333333;mid1=L1*L3/(L1+L2);mid2=(L1+(L2-a)*Mby/(Mby-Mey)*L

13、3/(L1+L2);mid3=L3*(L1+L2-a)/(L1+L2);if (pd=0)sum1=0.5*(L1+L2-a)*Mey*sb*mid3;sum2=0.5*(L1+L2-a)*Mez*sb*mid3;elsesum1=0.5*L1*Mby*sb*mid1;sum1+=0.5*Mby*Mby/(Fay-Fby)*(dsb*(mid2-mid1)+mid1);sum1+=0.5*(L2-a-Mby/(Fay-Fby)*Mey*(sb*(mid3-mid2)+mid2);sum2=0.5*L1*Mbz*sb*mid1;sum2+=Mbz*(L2-a)*0.5*(mid1+mid3);s

14、um2+=0.5*(L2-a)*(Mez-Mbz)*(sb*(mid3-mid1)+mid1);sum1+=Mey*a*0.5*(mid3+L3);sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey)*(sb*(L3-mid3)+mid3);sum1+=Mdz*L3*0.5*L3;sum1+=0.5*L3*(Mcy-Mdz)*sb*L3;sum2+=Mez*a*0.5*(mid3+L3);sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez)*(sb*(L3-mid3)+mid3);sum2+=-Mdy*L3*0.5*L3;sum2+=0.5*L3*(Mcz+Mdy)*sb*L3;sum=sqrt(sum1*sum

15、1+sum2*sum2);D2=sum/(E*Xs*ndd);D2=pow(D2,0.25); void naodue()float sum1,sum2,sum,top,mid1,mid2,sb=0.6666666667,dsb=0.333333333333;top=a*(L1+L2-a)/(L1+L2);mid1=L1*a/(L1+L2);mid2=(L1+Mby/(Fay-Fby)*a/(L1+L2);if (pd=0)sum1=0.5*(L1+L2-a)*Mey*sb*top;sum2=0.5*(L1+L2-a)*Mez*sb*top;elsesum1=0.5*L1*Mby*sb*mid

16、1;sum1+=0.5*Mby*Mby/(Fay-Fby)*(dsb*(mid2-mid1)+mid1);sum1+=0.5*(L2-a-Mby/(Fay-Fby)*Mey*(sb*(top-mid2)+mid2);sum2=0.5*L1*Mbz*sb*mid1;sum2+=Mbz*(L2-a)*0.5*(mid1+top);sum2+=0.5*(L2-a)*(Mez-Mbz)*(sb*(top-mid1)+mid1);sum1+=Mey*a*0.5*top;sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey)*dsb*top;sum2+=Mez*a*0.5*top;sum2+=0.5*a*(Mcz-M

17、ez)*dsb*top;sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*sum2);D3=sum/(E*Xs*nde);D3=pow(D3,0.25);void zhuanjiaoc()float sum1,sum2,sum;if (pd=0)sum1=0.5*(L1+L2-a)*Mey;sum2=0.5*(L1+L2-a)*Mez;elsesum1=0.5*L1*Mby;sum1+=0.5*Mby*Mby/(Fay-Fby);sum1+=0.5*(L2-a-Mby/(Fay-Fby)*Mey;sum2=0.5*L1*Mbz;sum2+=Mbz*(L2-a);sum2+=0.5*(L2-a)*

18、(Mez-Mbz);sum1+=Mey*a;sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey);sum2+=Mez*a;sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez);sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*sum2);D4=sum/(E*Xs*zjc);D4=pow(D4,0.25); void weiyi()float sum1,sum2,sum,rat,sb=0.666666667,top,mid;rat=L1/(L1+L2-a);top=L1*L2/(L1+L2);mid=top*a/L2;sum1=0.5*L1*rat*Mey*sb*top;sum1+=rat*Mey*(L2-a)*0.

19、5*(top+mid);sum1+=0.5*(L2-a)*(1-rat)*Mey*sb*(top-mid);sum1+=Mey*a*0.5*mid;sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey)*sb*mid;fzby=sum1;sum2=0.5*L1*rat*Mez*sb*top;sum2+=rat*Mez*(L2-a)*0.5*(top+mid);sum2+=0.5*(L2-a)*(1-rat)*Mez*sb*(top-mid);sum2+=Mez*a*0.5*mid;sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez)*sb*mid;fzbz=sum2;sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*

20、sum2);sjwyb=sum/(E*D*D*D*D*Xs); printf("B点的实际位移：S=%fmn",sjwyb);voidfuzhi() /*此时应该判定为超静定，求出B点受力带入上面的函数进行判断，得出超静定的直径D*/float gg,mid,sb=0.666666667;mid=L1*L2/(L1+L2);gg=0.5*sb*mid*mid*(L1+L2);Fby=(fzby-wyb*E*D*D*D*D*Xs)/gg;Fbz=(-fzbz-wyb*E*D*D*D*D*Xs)/gg;pd=1;voidmain()int pd=0; printf("

21、 输入原始数据:n"); scanf("%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f",&L1,&L2,&L3,&a,&b,&R,&A0,&n,&P,&i,&Fhy,&Fhz); printf(" 所输入数据为:nL1=%fm,L2=%fm,L3=%fm,a=%fm,b=%fm,R=%fm,A0=%fn",L1,L2,L3,a,b,R,A0); printf("n=%fr/min,P=%fKW,d/D=%f,Fhy

22、=%fN,Fhz=%fNn",n,P,i,Fhy,Fhz); Xs=pi*(1-i*i*i*i)/64; zaihe(); waili(); printf("各点受力及力矩（静定）：n"); printf("各点外力（静定）：nA点：Fay=%fN Faz=%fNtB点：Fby=%fN Fbz=%fNtE点：Fey=%fN Fez=%fNnC点：Fcy=%fN Fcz=%fNn",Fay,Faz,Fby,Fbz,Fey,Fez,Fcy,Fcz); printf("各点力矩（静定）：nB点：Mby=%fN.m Mbz=%fN.mtE点：

23、Mey=%fN.m Mez=%fN.mnC点：Mcy=%fN.m Mcz=%fN.mtD点：Mdy=%fN.m Mdz=%fN.mn",Mby,Mbz,Mey,Mez,Mcy,Mcz,Mdy,Mdz); qiangdu(); printf("第三强度理论校核：D1=%fmn",D1);D=D1; naodu(); printf("根据D点刚度校核：D2=%fmn",D2); if(D<D2) D=D2; naodue(); printf("根据E点刚度校核：D3=%fmn",D3); if(D<D3) D=D3;

24、 zhuanjiaoc(); printf("根据C点刚度校核：D4=%fmn",D4); if(D<D4) D=D4; printf("确定空心圆轴外径：D=%fmn",D); weiyi(); if(sjwyb<=wyb) printf("可判定此结构为静定结构n"); else printf("可判定此结构为超静定结构n"); fuzhi(); waili(); printf("各点受力及力矩（超静定）：n"); printf("各点外力（超静定）：nA点：Fay=%fN Faz=%fNnB点：Fby=%fN Fbz=%fNnE点：Fey=%fN Fez=%fNnC点：Fcy=%fN