材料力學課程設計--五種傳動軸的靜強度、變形及疲勞強度的計算

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文檔簡介

1、　　材料力學課程設計說明書　　設計題目　　五種傳動軸的靜強度、變形及疲勞強度的計算　　機械科學與工程學院　　工業(yè)工程專業(yè)

2、　　411113班　　設計者： 　　目錄:　　設計目的………………………………………………………1　　設計任務及要求……………….……

3、…………………………2　　問題重述………………………………………………………4　　傳動軸受力簡圖………………………………………………6　　彎矩扭矩圖……………………………….…………...……...7　　設計等軸的直徑……………………….………...…......……10

4、　　計算齒輪處軸的撓度…………………….……….……….…11　　疲勞強度計算…….................................……….…………...…13　　參考文獻………………………………………………………19　　設計感想…………………………………

5、………......………..19　?。ǜ剑合鄳腸語言求解程序）　　一、設計目的　　本課程設計是在系統(tǒng)學完材料力學課程之后，結(jié)合工程實際中的問題，運用材料力學的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學知識解決工程實際問題的目的。同時，可以使學生

6、將材料力學的理論和現(xiàn)代計算方法及手段溶為一體，即從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；即是對以前所學知識（高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機和材料力學等）的綜合運用，又為后續(xù)課程（機械設計、專業(yè)課等）的學習打下基礎，并初步掌握工程設計思想和設計方法，使實際工作能力有所提高。具體有以下六項：　　使所學的材料力學知識系統(tǒng)化、完整化。

7、　　在系統(tǒng)全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程實際中的問題。　　由于選題力求結(jié)合專業(yè)實際，因而課程設計可以把材料力學知識與專業(yè)需求結(jié)合起來。　　綜合運用以前所學的各門課程的知識（高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機等），使相關學科的知識有機地聯(lián)系起來。　　初步了解和掌握工程實

8、踐中的設計思想和設計方法。　　為后續(xù)課程的教學打下基礎。　　二、設計任務和要求　　參加設計者要系統(tǒng)復習材料力學課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設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，理出理論依據(jù)并導出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機給出計算結(jié)

9、果，并完成設計計算說明書。　　2.1設計計算說明書的要求設計計算說明書是該題目設計思想、設計方法和設計結(jié)果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達完整。具體內(nèi)容應包括：　　1.設計題目的已知條件、所求及零件圖。　　2.畫出構(gòu)件的受力分析計算簡圖，按比例標明尺寸、載荷及支座等。</p&g

10、t;　　3.靜不定結(jié)果要畫出所選擇的基本靜不定系統(tǒng)及與之相應的全部求解過程。　　4.畫出全部內(nèi)力圖，并標明可能的各危險截面。　　5.危險截面上各種應力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點處的應力狀態(tài)圖。　　6.各危險點的主應力大小及主平面位置。　　7.選擇

11、強度理論并建立強度條件。　　8.列出全部計算過程的理論根據(jù)、公式推導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.疲勞強度計算部分要說明循環(huán)特征，，，r，，的計算，所查k，ε，β各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強度校核過程及結(jié)果，并繪出構(gòu)件的持久極限曲線。</p

12、>　　2.2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、改進措施。　　2.提出改進設計的初步方案及設想。　　3.提高強度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。　　2.3程序計算部分的要求&

13、lt;b>　　1.程序框圖　　2.計算機程序（含必要的語言說明及標識符說明）。　　3.打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設計說明書上）。　　2.4材料力學課程設計的一般過程　　材料力學課程設計與工程中的一般設計過程相似，從分析設計方案開始到進行必要的計算

14、，并對結(jié)構(gòu)的合理性進行分析，最后得出結(jié)論。應合理安排時間，避免前松后緊，甚至不能按時完成設計任務。　　材料力學課程設計可大致分為以下幾個階段：　　設計準備階段。認真閱讀材料力學課程設計指導書，明確設計要求，結(jié)合設計題目復習材料力學課程的有關理論知識，制定設計的步驟、方法以及時間分配方案等。　　從外力及變形分析入手

15、，分析計算內(nèi)力、應力及變形，繪制各種內(nèi)力圖及位移、轉(zhuǎn)角曲線。　　建立強度、剛度條件，并進行相應的設計計算以及必要的公式推導。　　編制計算機程序并調(diào)通程序。　　上機計算，并打印出結(jié)果。　　整理數(shù)據(jù)結(jié)果并書寫設計計算說明書。　　分析討

16、論設計和計算的合理性、優(yōu)缺點，以及相應的改進意見和措施。　　問題重述　　傳動軸的材料均為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），許用應力[σ]=80MPa，經(jīng)高頻淬火處理，，，。磨削軸的表面，鍵槽均為端銑加工，階梯軸過渡圓弧均為2mm，疲勞安全系數(shù)。　　3.1要求：&l

17、t;/b>　　繪出傳動軸的受力簡圖。　　做扭矩圖及彎矩圖。　　根據(jù)強度條件設計等直軸的直徑。　　計算齒輪處軸的撓度（均按直徑的等直桿計算）。　　對階梯傳動軸進行疲勞強度計算。（若不滿足，

18、采取改進措施使其滿足疲勞強度要求）。　　對所取數(shù)據(jù)的理論根據(jù)做必要的說明。　　3.2說明：　　坐標的選取均按圖所示。　　齒輪上的力F與節(jié)圓相切。　　表中P為直徑為D的帶輪傳遞的功率，為直徑為的

19、帶輪傳遞的功率。為小帶輪的重量，為大帶輪的重量。　　為靜強度條件所確定的軸徑，以mm為單位，并取偶數(shù)。設　　設計計算數(shù)據(jù)：　　四、設計計算過程　　4.1傳動軸受力簡圖&l

20、t;p>　　求支座反力：　　, 　　，　　，　　，.

21、　　4.2彎矩圖及扭矩圖　　4.2.1彎矩圖　　XOY面　　各分力單獨作用：　　合彎矩圖：</

22、p>　　XOZ面　　各分力單獨作用：　　合彎矩圖　　4.2.2扭矩圖：　　4.3設計等直軸軸

23、的直徑　　根據(jù)第三強度理論：　　分析最大截面：　　解得：　　分析B截面：<

24、;b>　　解得：　　分析D截面：　　解得：　　綜上所述，取，由　　?。?lt;/b>

25、　　經(jīng)校核各軸均滿足靜強度的要求。　　4.4求齒輪軸的撓度　　已知： 　　根據(jù)圖乘法：　　XOY平面：<p

26、>　　Y方向：　　XOZ平面：　　各力彎矩圖：　　Z方向：　　綜上：<

27、/p>　　與XOY面得夾角為　　4.5對階梯傳動軸進行疲勞強度計算（若不滿足，采取改進措施使其滿足疲勞強度）　　問題分析及數(shù)據(jù)的搜集：　　因為該軸鍵槽為端銑加工，σb=650MPa，所以根據(jù)《材料力學》表13-10a可查得=1.81，根據(jù)《材料力學

28、》13-10b可查得=1.62。　　因為該軸經(jīng)高頻淬火處理，σb=650MPa，=1.81，所以根據(jù)《材料力學》表13-4可查得=2.4。　　由于此傳動軸工作在彎扭組合交變應力狀態(tài)下，因此在進行疲勞強度計算時疲勞強度條件可寫成。　　，，，。<p&

29、gt;　　，故彎矩循環(huán)系數(shù)r=-1,循環(huán)特征為對稱循環(huán)；　　，故扭矩循環(huán)系數(shù)r=0,循環(huán)特征為脈動循環(huán)。　　所以，。　　其中，，。　　參照《材料力學》表13-5可選取。&l

30、t;p>　　4.5.1 在B截面?zhèn)忍帲?lt;/p>　　，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)《材料力學》表13-2可查得，。　　4.5.2 在D截面處：　　，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)《材料力學》表13-2可查得，。　　4.5.3 在F截面處：&l

31、t;/p>　　，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)《材料力學》表13-2可查得，。　　，，　　疲勞強度計算　　由于σb=650MPa，，，，,　　，階梯軸過

32、渡圓弧r均為2mm，根據(jù)《材料力學》表13-9a，表13-9c，表13-9d，表13-9e可查得：　　在P截面處　　在Q截面處　　在V截面處

33、　　在W截面處　　在P截面處：　　，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)《材料力學》表13-2可查得，。　　在Q截面處：　　，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45）

34、，根據(jù)《材料力學》表13-2可查得，。　　在V截面處：　　，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)《材料力學》表13-2可查得，。　　在W截面處：　　，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號4

35、5），根據(jù)《材料力學》表13-2可查得，。　　五、參考文獻　?。?）聶玉琴，孟廣偉主編. 材料力學（第二版）[M]. 北京：機械公業(yè)出版社，2008.　?。?）譚浩強主編. C程序設計（第三版）[M]. 北京：清華大學出版社，2006.

36、;　?。?）侯洪生，焦永和主編，計算機繪圖實用教程[M]. 北京：科學出版社，2005.　　六、設計感想　　通過此次設計，我在知識上得以鞏固，方法上開闊了思路，為以后學習、科研以及工作都打下了良好的基礎。　　材料力學課程設計，建立在材料力學、c語言編程、高等數(shù)學、工程圖學及C

37、AD制圖等基礎上，綜合應用，在設計中，還涉及到數(shù)據(jù)的查詢、分析、整理以及電子說明書的排版工作，都是理論學習遠遠不夠的。　　整個設計，首先審題，分析試題類型，此題涉及受力分析、應力分析、強度計算、撓度計算、強度校核、疲勞極限校核等等，需要熟悉運用圖乘法等常見方法；之后根據(jù)分析結(jié)果，進行縝密的計算，涉及參數(shù)的過程采用查找《材料力學》、《機械設計手冊》和上網(wǎng)查詢的方法，補充數(shù)據(jù)；并根據(jù)設計要求，運用C

38、語言編程，編制出計算疲勞強度的相應程序，大大減小了計算量；然后，運用工程圖學和CAD，繪出設計中涉及到的圖；最后，運用wps將所有過程匯總整合，完整的制作出電子版的課程設計。　　在這次設計中，遇到了不少問題，知識的遺忘，數(shù)據(jù)的查詢等等，但通過不懈的努力都一一克服了，總之，這次課程設計讓我從整體上體會了設計的縝密性，使我受益匪淺。　　附：相應的c語言求解程

39、序　　#include<stdio.h>　　#include<math.h>　　#define PI 3.141592653　　#define n 2 /* 規(guī)定的安全系數(shù)*/　　#define sigma

40、_1 300e6 /*正應力的持久極限*/　　#define tao_1 155e6 /*切應力的持久極限*/　　#define t 15 /*數(shù)組的大小*/　　void main()　　{&

41、lt;b>　　int m,i;　　float d[t],My[t],Mz[t],Mx[t],k_sigma[t],k_tao[t],ipxl_sigma[t],ipxl_tao[t],beita[t],pusai_tao[t]; /*直徑d的單位為m*/　　float M[t],W[t],Wp[t],sigma_max[t],t

42、ao_max[t],n_sigma[t],n_tao[t],n_sigma_tao[t];　　printf("共有幾組數(shù)據(jù):m=");　　scanf("%d",&m); /*m為需要校核的截面數(shù)，即數(shù)據(jù)的組數(shù)*/　　for(i=0;i<m;i++)</p

43、>　　{　　printf("請輸入第%d組相關數(shù)據(jù):\n",i+1);printf(" ");　　printf("圓軸直徑d:"); scanf("%f",&d[i]); printf("\n

44、");printf(" ");　　printf("彎矩My:"); scanf("%f",&My[i]); printf("\n");printf(" ");　　printf("彎矩Mz:"); scanf("

45、;%f",&Mz[i]); printf("\n");printf(" ");　　printf("扭矩Mx:"); scanf("%f",&Mx[i]); printf("\n");printf(" ");

46、printf("正應力的有效應力集中系數(shù)k_sigma:");scanf("%f",&k_sigma[i]); printf("\n");printf(" ");　　printf("切應力的有效應力集中系數(shù)k_tao:"); scanf("%f",&k_tao[

47、i]); printf("\n");printf(" ");　　printf("正應力的尺寸系數(shù)ipxl_sigma:"); scanf("%f",&ipxl_sigma[i]);printf("\n");printf(" ");

48、;　　printf("切應力的尺寸系數(shù)ipxl_tao:"); scanf("%f",&ipxl_tao[i]); printf("\n");printf(" ");　　printf("表面質(zhì)量系數(shù)beita:"); scanf("%f",&beita[i]);

49、 printf("\n");printf(" ");　　printf("敏感系數(shù)pusai_tao:"); scanf("%f",&pusai_tao[i]); printf("\n");　　}</p&g

50、t;　　d[i]='\0';My[i]='\0';Mz[i]='\0';Mx[i]='\0';k_sigma[i]='\0';k_tao[i]='\0';ipxl_sigma[i]='\0';ipxl_tao[i]='\0';beita[i]='\0';pusai_tao[

51、i]='\0';　　for(i=0;i<m;i++)　　{　　float wanju(float My,float Mz); /*調(diào)用求彎矩的函數(shù)*/　　float kwjmxs(float d); /*調(diào)用求抗

52、彎截面系數(shù)的函數(shù)*/　　float knjmxs(float d); /*調(diào)用求抗扭截面系數(shù)的函數(shù)*/　　float max_zhengyl(float M,float W); /*調(diào)用求最大正應力的函數(shù)*/　　float max_qieyl(float Mx,float Wp); /*調(diào)用求最大切應力的函數(shù)*/

53、　　float zhengylaqys(float k_sigma,float ipxl_sigma,float beita,float sigma_max); /*調(diào)用求正應力作用下構(gòu)件的安全工作因數(shù)的函數(shù)*/　　float qieylaqys(float k_tao,float ipxl_tao,float beita,float pusai_tao

54、,float tao_max); /*調(diào)用求切應力作用下構(gòu)件的安全工作因數(shù)的函數(shù)*/　　float wnzhaqys(float n_sigma,float n_tao); /*調(diào)用求彎扭組合作用下構(gòu)件的安全因數(shù)的函數(shù)*/　　M[i]=wanju(My[i],Mz[i]);　　W[i]=kwjmxs(d[i]);

55、　　Wp[i]=knjmxs(d[i]);　　sigma_max[i]=max_zhengyl(M[i],W[i]); /*計算最大正應力*/　　tao_max[i]=max_qieyl(Mx[i],Wp[i]); /*計算最大切應力*/　　n_sigma[i]=zhen

56、gylaqys(k_sigma[i],ipxl_sigma[i],beita[i],sigma_max[i]); /*計算在單一正應力作用下的安全因數(shù)*/　　n_tao[i]=qieylaqys(k_tao[i],ipxl_tao[i],beita[i],pusai_tao[i],tao_max[i]); /*計算在單一切應力作用下的安全因數(shù)*/　　n_

57、sigma_tao[i]=wnzhaqys(n_sigma[i],n_tao[i]); /*計算在彎扭組合條件下的構(gòu)件的安全因數(shù)*/　　if(My[i]==0&&Mz[i]==0)　　n_sigma_tao[i]=n_tao[i];　　if(Mx[i]==0)<p&g

58、t;　　n_sigma_tao[i]=n_sigma[i];　　}　　M[i]='\0';W[i]='\0';Wp[i]='\0';sigma_max[i]='\0';tao_max[i]='\0';n_sigma[i]='\0&

59、#39;;n_tao[i]='\0';n_sigma_tao[i]='\0';　　i=0;　　printf("校核結(jié)論如下:\n\n");　　while(n_sigma_tao[i]!='\0')</p

60、>　　{　　printf("在第%d個截面處\n",i+1);printf(" ");　　if(My[i]==0&&Mz[i]==0)　　printf("tao_max[%d]=%g

61、\n n_tao[%d]=%g\n n_sigma_tao[%d]=%g\n",i+1,tao_max[i],i+1,n_tao[i],i+1,n_sigma_tao[i]);　　else　　printf("sigma_max[%d]=%g\n tao_max[%d]=%g\n n_sigma[%

62、d]=%g\n n_tao[%d]=%g\n n_sigma_tao[%d]=%g\n",i+1,sigma_max[i],i+1,tao_max[i],i+1,n_sigma[i],i+1,n_tao[i],i+1,n_sigma_tao[i]);　　if(n_sigma_tao[i]>n)　　printf(" 在第%d個截面

63、處,n_sigma_tao=%f>n=2,滿足疲勞強度要求\n",i+1,n_sigma_tao[i]);　　else　　printf(" 在第%d個截面處,n_sigma_tao=%f<n=2,不不滿足疲勞強度要求\n",i+1,n_sigma_tao[i]);</p

64、>　　i++;　　}　　printf("\n");　　if(i==m)　　printf("所校核的截

65、面均滿足疲勞強度要求");　　}　　/*求彎矩的函數(shù)，M=sqrt(My*My+Mz*Mz)*/　　float wanju(float My,float Mz)　　{

66、　　return(sqrt(My*My+Mz*Mz));　　}　　/*求抗彎截面系數(shù)的函數(shù),W=1.0/32*PI*pow(d,3)*/　　float kwjmxs(float d)　　{<

67、;/b>　　return(1.0/32*PI*pow(d,3));　　}　　/*求抗扭截面系數(shù)的函數(shù),Wp=1.0/16*PI*pow(d,3)*/　　float knjmxs(float d)<p

68、>　　{　　return(1.0/16*PI*pow(d,3));　　}　　/*求最大正應力的函數(shù)，sigma_max=M/W*/　　float max_zhengyl(float M,fl

69、oat W)　　{　　return(M/W);　　}　　/*求最大切應力的函數(shù)，tao_max=Mx/Wp*/　　float max_qieyl(floa

70、t Mx,float Wp)　　{　　return(Mx/Wp);　　}　　/*求正應力作用下構(gòu)件的安全工作因數(shù)，n_sigma=sigma_1/(k_sigma*sigma_max/(ipxl_

71、sigma*beita))*/　　float zhengylaqys(float k_sigma,float ipxl_sigma,float beita,float sigma_max)　　{　　float n_sigma;　　n_

72、sigma=sigma_1/(k_sigma*sigma_max/(ipxl_sigma*beita));　　return(n_sigma);　　}/*求切應力作用下構(gòu)件的安全工作因數(shù)，n_tao=tao_1/(k_tao*tao_a/(ipxl_tao*beita)+pusai_tao*tao_m)*/　　fl

73、oat qieylaqys(float k_tao,float ipxl_tao,float beita,float pusai_tao,float tao_max)　　{　　float tao_a,tao_m,n_tao;　　tao_a=tao_max/2.0;</p

74、>　　tao_m=tao_max/2.0;　　n_tao=tao_1/(k_tao*tao_a/(ipxl_tao*beita)+pusai_tao*tao_m);　　return(n_tao);　　}/*求彎扭組合作用下構(gòu)件的安全因數(shù)n_sigma_tao=n_sigma*n_tao

75、/sqrt(n_sigma*n_sigma+n_tao*n_tao)*/　　float wnzhaqys(float n_sigma,float n_tao)　　{　　float n_sigma_tao;　　n_sigma_tao=n

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