吉林大學(xué)材料力學(xué)課程設(shè)計設(shè)計計算說明書設(shè)計題目單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計及剛度計算、疲勞強(qiáng)度校核目錄一、設(shè)計目的2二、設(shè)計任務(wù)和要求221設(shè)計計算說明書的要求322分析討論及說明書部分的要求323程序計算部分的要求33、設(shè)計題目4四、設(shè)計內(nèi)容541畫出曲軸的內(nèi)力圖542設(shè)計曲軸頸直徑D和主軸頸D743校核曲柄臂的強(qiáng)度844校核主軸頸HH截面處的疲勞強(qiáng)度1045用能量法計算AA截面的轉(zhuǎn)角11ZY,五、分析討論及必要說明14六、設(shè)計的改進(jìn)措施及方法14七、設(shè)計體會15八、參考文獻(xiàn)16九、附錄17一、設(shè)計目的本課程設(shè)計是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實(shí)際中的問題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計算方法，獨(dú)立地計算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合利用材料力學(xué)知識解決工程實(shí)際問題的目的。同時，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計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)代計算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學(xué)知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機(jī)和材料力學(xué)等）的綜合運(yùn)用，又為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程設(shè)計思路和設(shè)計方法，使實(shí)際工作能力有所提高。具體有以下六項(xiàng)1使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(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)知識解決工程實(shí)際中的問題。3由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，課程設(shè)計可把材料力學(xué)與專業(yè)需要結(jié)合起來。4綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門課程的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機(jī)地聯(lián)系起來。5初步了解和掌握工程實(shí)際中的設(shè)計思路和設(shè)計方法。6為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。二、設(shè)計任務(wù)和要求參加設(shè)計者要系統(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)計題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并到處計算公式，獨(dú)立編制計算機(jī)程序，通過計算機(jī)給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。21設(shè)計計算說明書的要求設(shè)計計算說明書是該題目設(shè)計思想、設(shè)計方法和設(shè)計結(jié)果的說明。要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括（1）設(shè)計題目的已知條件、所求及零件圖；（2）畫出構(gòu)件的受力分析計算簡圖，按比例標(biāo)明尺寸，載荷及支座等；（3）靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應(yīng)的全部求解過程；（4）畫出全部內(nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險截面；（5）危險截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)圖；（6）各危險點(diǎn)的主應(yīng)力大小及主平面位置；（7）選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件；（8）列出全部計算過程的理論根據(jù)、公式推導(dǎo)過程以及必要的說明；（9）對變形及剛度分析要寫明所用的能量法計算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖；（10）疲勞強(qiáng)度計算部分要說明循環(huán)特征，的計算，所查AMR,INAX各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強(qiáng)度校核過程及結(jié)果,并繪出構(gòu)件的持久極限曲線。K22分析討論及說明部分的要求1分析計算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。2提出改進(jìn)設(shè)計的初步方案及設(shè)想。3提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。23程序計算部分的要求1程序框圖2計算機(jī)程序（含必要的語言說明及標(biāo)識符說明）。3打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計計算說明書上）。三、設(shè)計題目72單缸柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計及剛度計算、疲勞強(qiáng)度校核某柴油機(jī)曲軸可以簡化為下圖所示的結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵（QT4505）彈性常數(shù)為E、，許用應(yīng)力，G處輸入傳矩為，曲軸頸中點(diǎn)受切向EM力、徑向力的作用，且。曲柄臂簡化為矩形截面，14TFR2/TRFDH/16,254,。H/BL13已知固定數(shù)據(jù)和設(shè)計計算數(shù)據(jù)如下表（I11）題目要求（1）畫出曲軸的內(nèi)力圖。（2）設(shè)計曲軸頸直徑D，主軸頸直徑D。（3）校核曲柄臂的強(qiáng)度。（4）校核主軸頸HH截面處的疲勞強(qiáng)度，取疲勞強(qiáng)度系數(shù)N2。鍵槽為端銑加工，主軸頸表面為車削加工。（5）用能量法計算AA截面的轉(zhuǎn)角。XY,/ML1/L2E/GPA/MPA/1011018150027120180/KWMIN/RR/ML3005078116140005006四、設(shè)計內(nèi)容41畫出曲軸的內(nèi)力圖411畫出分析圖412外力分析畫出曲軸的計算簡圖（上圖），計算外力偶矩。1695497240EPMNMN58ETFR1/2792RT計算反力在XOY平面內(nèi)2140RAYFLNR1Y230FLN在XOZ平面內(nèi)T2Z198LT1Z26FL413內(nèi)力分析（1）主軸頸的EF左端（11）截面為最危險截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲。1792XEMNM123/903YFZMLNM3/450ZFYLNM（2）曲柄臂DE段下端（22）為危險截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮XE7912N223/903YFZMLLNMZY（）450ML2Y01FN（3）曲柄勁CD段中間截面（33）為危險截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲491XAZMFRN3184YAZMLM3502YL414作曲軸內(nèi)力圖單位力F/（N）力矩M/（NM）注不計內(nèi)力彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫在受壓側(cè)。42設(shè)計曲軸頸直徑D和主軸頸D（1）主軸頸的危險截面為EF段的最左端11截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲，根據(jù)主軸頸的受力狀態(tài)，可用第三強(qiáng)度理論計算WZYXRM12121213321DW結(jié)果得，實(shí)際取。47MD48MD（2）曲柄頸CD屬于圓軸彎扭組合變形，由第三強(qiáng)度理論，在危險截面33中。WZYXRM323232331D321W結(jié)果得，實(shí)際取。D478MD48M43校核曲柄臂的強(qiáng)度具體求解過程通過C語言程序運(yùn)行可得。由程序得H，B的最佳值為，。H7316B296查表可知，。2580（1）曲柄臂的強(qiáng)度計算曲柄臂的危險截面為矩形截面，且受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力作用（不計剪力的作用），曲柄臂上的危險截面22應(yīng)力分布圖與下圖所示QF根據(jù)應(yīng)力分布圖可以判定出可能的危險點(diǎn)為D1，D2，D3。此時點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)1D22XNZMFAW226FYXZMHBHB74810PA所以點(diǎn)滿足強(qiáng)度要求。1此時點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用2D21291055718736YMPAHB點(diǎn)的正應(yīng)力為軸向力和繞Z軸的彎矩共同引起的2ZNWAF22BHZFY2452MPA由第三強(qiáng)度理論223140RMPA因?yàn)椋环蠌?qiáng)度要求。點(diǎn)不滿足強(qiáng)度條件。8610282D點(diǎn)處于二向應(yīng)力狀態(tài)3D12758473AMP22361FYNXXFMAWHB根據(jù)第三強(qiáng)度理論2223449163815RMPA所以點(diǎn)滿足強(qiáng)度理論條件。3D綜上所述曲柄臂不滿足強(qiáng)度條件。44校核主軸頸HH截面處的疲勞強(qiáng)度由題意（材料的強(qiáng)度極限）。AMPB450查表得端銑加工得鍵槽當(dāng)表面為車削時。13K94380已知。187852NFH處只受扭轉(zhuǎn)作用611MIN3312AXMIN79034650XXPMMPAWD所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)。2MINAX2MINAXINA36418MP安全系數(shù)1AM0N524N078943K綜上所述，HH截面的疲勞強(qiáng)度符合強(qiáng)度要求。45用能量法計算AA截面的轉(zhuǎn)角。ZY，采用圖乘法分別求解截面的轉(zhuǎn)角。（1）求在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖YYM與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受彎的一側(cè)，計算過程如下）YMY由平衡方程得NFA48310L12ZZB點(diǎn)的彎矩為MLMAZB7240131E點(diǎn)的彎矩為51318042L3ZNFE）（）（由圖乘法H7316MB96M查表得。2490A4814051291PDEI4D96641293桿件的抗扭剛度2701103549015223HBEGIP4MA603P由公式計算得NINIPCIICYGIMEI115170320182074392021EI6496833I25170103572106105201）（）（）（7493PGI810RAD2求在截面A加一單位力偶矩。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖ZZM與外載荷作用下的彎矩圖如下（畫在受彎的一側(cè)）MZ同理得NLFAYY4831021B點(diǎn)的彎矩為M31ZAB72403。ME點(diǎn)的彎矩為NLFZE51180423286904357105PAHBA2123932657057105MPAEHBI由公式得N1ICIICIZN1INAFIM51703260182074324503021EI167245593I217060357016021）（）（483485EARAD1023五、分析討論及必要說明在本次設(shè)計中，做以下幾點(diǎn)說明（1）在外力分析時，在設(shè)定未知力的時候，由于已知沒有X方向的外力，故未設(shè)。FYXA（2）在畫內(nèi)力圖時，不計彎曲切應(yīng)力，故未畫剪力圖。（3）在強(qiáng)度計算方面，由于材料是球墨鑄鐵，其物理性質(zhì)與鋼相近，所以采用第三強(qiáng)度理論而不用第一或第二強(qiáng)度理論。（4）在膠合曲柄臂畫內(nèi)力分布時，把曲柄臂的危險截面簡化成矩形，忽略圓孔對其的影響。（5）在疲勞強(qiáng)度校核HH截面時，忽略鍵槽對的影響。MAX六、設(shè)計的改進(jìn)措施及方法61提高曲軸的彎曲強(qiáng)度合理安排曲軸的受力情況及設(shè)計合理的截面，但對于該曲軸只能采用合理安排曲軸的受力情況。在機(jī)械結(jié)構(gòu)允許的情況下，可采取將集中載荷適當(dāng)分散或?qū)⒓辛ΡM量靠近支座。62提高曲軸的彎曲剛度提高彎曲剛度的主要措施有改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值，選擇合理的截面及合理選材等。但對于該曲軸只能改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值及合理選材。63提高曲軸的疲勞強(qiáng)度提高疲勞強(qiáng)度的主要措施有減緩應(yīng)力集中及提高曲軸的表面強(qiáng)度等。為了消除和緩解應(yīng)力集中，再設(shè)計曲軸時，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)方形直角或帶有尖角的孔和槽，即在主軸頸和曲柄臂相連處應(yīng)采用半徑較大的過度圓角，提高曲軸表面的強(qiáng)度可通過兩方面實(shí)現(xiàn),一是從加工入手，提高表面加工質(zhì)量，可采用精細(xì)加工降低表面粗糙度，如果將材料改為高強(qiáng)度鋼就尤其要注意；二是增加表面強(qiáng)度，對曲軸中應(yīng)力集中的部位如鍵槽處應(yīng)采取某些工藝措施，即表面熱處理或化學(xué)處理，如表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等。七、設(shè)計體會通過這次的課程設(shè)計，我對材料力學(xué)有了更深一層的認(rèn)識材料力學(xué)是一門被各個工程廣泛應(yīng)用的學(xué)科，是通過理論與實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及材料的力學(xué)性能的研究。在保證安全、可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)省的前提下，為構(gòu)件選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，確定合理的截面形狀和尺寸提供基本理論和計算方法。初步了解和掌握工程實(shí)踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法。這次的課程設(shè)計讓我深知理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。此外，我深深的體會到了僅僅掌握課本中的理論和方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工程實(shí)際中的一些問題要比想象的復(fù)雜的多，只有不斷進(jìn)行工程問題的分析和研究，從中獲得大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，才能以最經(jīng)濟(jì)的代價、最合理的方法解決遇到的難題。此次課程設(shè)計讓我受益匪淺，設(shè)計中還有很多不足，希望老師批評指正。八、參考文獻(xiàn)1聶毓琴等，材料力學(xué)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，201312等，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，201123譚浩強(qiáng),C程序設(shè)計（第四版），北京，清華大學(xué)出版社，20106九、附錄91程序框圖計算外力及支座反力確定危險截面并輸出變量M1X,M1Y,M1Z,M2X,M2YM2Z,FN2,M3X,M3Y,M3Z由第三強(qiáng)度理論計算D，D計算危險點(diǎn)主應(yīng)力并輸出計算N，校核疲勞強(qiáng)度圖乘法計算轉(zhuǎn)角調(diào)子程序進(jìn)行強(qiáng)度校核并計算轉(zhuǎn)角3105R定義已知量輸入原始數(shù)據(jù)曲柄臂安全曲柄臂不安全開始N2調(diào)子程序計算H,B疲勞強(qiáng)度安全疲勞強(qiáng)度不安全輸出結(jié)果結(jié)束YNYN92C語言程序INCLUDEINCLUDEDEFINEPI31415926DOUBLEME,FAY,FAZ,FFY,FFZ,M1X,M1Y,M1Z,M2X,M2Y,M2Z,FN2,M3X,M3Y,M3ZDOUBLEH,B,S120E6,S1,S2,S3,E150E9,U027,RDOUBLEL1,L2,L3INTD,DINTMAIN/主函數(shù)DOUBLEHBDOUBLEJHQBBDOUBLEJHPLQDDOUBLEZHUANJIAODOUBLEP,N,FT,FRDOUBLEDD,DD,SIGMA3,BBPRINTF“ENTERTHEDATAP,N,RN“SCANF“LF,LF,LF“,L1011,L2018L312RPRINTF“L1LF,L2LF,L3LF,PLF,NLF,RLFN“,L1,L2,L3,P,N,RME9549P/NFTME/RFRFT/2FAYFRL2/L1L2FAZFTL2/L1L2FFYFRL1/L1L2FFZFTL1/L1L2M1XMEM1YFFZL2L3/2M1ZFFYL2L3/2M2XMEM2YFFZL2L3/2M2ZFFYL2L3/2FN2FFYM3XFAZRM3YFAZL1M3ZFAYL1PRINTF“ME2LFNM,FT2LFN,FR2LFNN“,ME,FT,FRPRINTF“FAY1LFN,FAZ1LFN,FFY1LFN,FFZ1LFNN“,FAY,FAZ,FFY,FFZPRINTF“M1X2LFNM,M1Y1LFNM,M1Z1LFNMN“,M1X,M1Y,M1ZPRINTF“M2X2LFNM,M2Y1LFNM,M2Z1LFNM,FN21LFNN“,M2X,M2Y,M2Z,FN2PRINTF“M3X1LFNM,M3Y1LFNM,M3Z1LFNMN“,M3X,M3Y,M3ZSIGMA3SQRTM3XM3XM3YM3YM3ZM3ZBB32SIGMA3/PISDDPOWBB,10/30SIGMA3SQRTM1XM1XM1YM1YM1ZM1ZBB32SIGMA3/PISDDPOWBB,10/30PRINTF“D4LFM,D4LFMN“,DD,DDDINT1000DDDINT1000DDIFD20DD2ELSEDD1IFD20DD2ELSEDD1PRINTF“故D取DMM,D取DMMN“,D,DHB/調(diào)用求解H，B子函數(shù)JHQBB/調(diào)用校核曲柄臂子函數(shù)JHPLQD/調(diào)用校核疲勞強(qiáng)度子函數(shù)ZHUANJIAO/調(diào)用求轉(zhuǎn)角子函數(shù)RETURN0DOUBLEHB/求解H，B子函數(shù)DOUBLEZ1,Z2,Z3,Q2,Q3DOUBLEH1,B1DOUBLEA,RDOUBLES,M16D0416DFORH14DH25ELSEPRINTF“HH截面疲勞強(qiáng)度不足夠N“RETURN0DOUBLEZHUANJIAO/求轉(zhuǎn)角子函數(shù)DOUBLE_FAZ,_FFZ,_FAY,_FFY,_MB,_ME,EI1,EI2,EI3,EA,GIT,B1,ZJY,ZJZ,XIFH/B25ELSEB102090018H/B_FAZ1/L1L2_FFZ_FAZ_FAY_FAZ_FFY_FAZ_MB1_FAZL1L3/2_ME_FFZL2L3/2X_MB_ME/2EI1EPIDDDD1E12/64EI2EPIDDDD1E12/64GITEB1HBBB1E12/21UEI3EHBBB1E12/12EAEHB1E6PRINTF“EI12LF,EI22LF,EI32LF,GIT2LF，EA2LFN“,EI1,EI2,EI3,GIT,EAZJY1/EI105L1L3/2FAZL