材力终极版.doc

材料力学课程设计材料力学课程设计说明书设计题目 五种传动轴的静强度，变形及疲劳强度的计算汽车工程学院 专业 班设计者 选课号 序号 指导教师 2012 年10 月17 日目录一、材料力学课程设计的目的3二、材料力学课程设计的任务和要求 3三、材料力学课程设计的题目 3四、材料力学课程设计的具体设计方案3（一）绘出传动轴的受力简图3（二）作扭矩图和弯矩图5（三）根据强度条件设计等直轴的直径7（四）计算齿轮处轴的挠度9（五）对阶梯传动轴进行疲劳强度计算10五、针对该题的C语言程序17六、设计体会27七、参考文献27一、材料力学课程设计的目的本课程设计的目的是在于系统学习完材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立的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的计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力，又为后继课程（零件、专业课等）打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。具体的有以下六项： 1.使学生的材料力学知识系统化完整化；2.在全面复习的基础上，运用材料力学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知识与专业需要结合起来；4.综合运用以前所学习的各门课程的知识，使相关学科的只是有机的联系起来；5.初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法； 6.为后续课程的教学打下基础。二、材料力学课程设计的任务和要求 要求参加设计者，要系统地复习材料力学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，列出理论依据和导出计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。三、材料力学课程设计的题目 传动轴的材料均为优质碳素结构钢（牌号45），许用应力 =80MPa,经高频淬火处理，b =650MPa,-1 =300Mpa，-1 =155MPa。磨削面的表面，键槽均为端铣加工，阶梯轴过度圆弧r均为2mm，疲劳安全系数n =2。 要求：1. 绘出传动轴的受力简图；2. 作出扭矩图和弯矩图；3. 根据强度条件设计等直轴的直径；4. 计算齿轮处轴的挠度（均按直径的等直杆计算）；5. 对阶梯传动轴进行疲劳强度计算。（若不满足，采取改进措施使其满足疲劳强度要求）；6. 对所采取数据的理论根据作必要的说明。 说明：1. 坐标的选取按图所示；2. 齿轮上的力F与节圆相切；3. 表中P为直径为D的带轮的传递的功率，P1为直径为D1的带轮传递的功率。G1为小带轮的重量，G2为大带轮的重量；4. 为静强度条件所确定的轴径，以mm为单位，并取偶数。设=1.1 本次课程设计采用第20组数据。P=30.9kW, P1=10.3kW, n=1000r/min, D=850mm,D1=400mm, D2=250mm, G1=450N, G2=850N, a=600mm, =45.四、材料力学课程设计的具体设计方案（一）绘出传动轴的受力简图零件图1零件图2分析零件图1可得：M=9549=9549=295.064NmM1=9549=98.355Nm根据在传动轴旋转方向上力矩守恒得（顺时针方向为正）：解得：=2225.513N,=491.773N,=694.268N传动轴的受力简图为:(二) 作扭矩图和弯矩图由受力图可求支反力： =2199.068N =2149.927N =1675.501N =1980.979N 沿y轴方向的剪力图： 沿z轴方向的剪力图： 扭矩图： 沿y轴方向的弯矩图： 沿z轴方向的弯矩图：(3) 根据强度条件设计等直轴的直径1.材料为传动轴45号钢，为塑性材料，采用第三强度理论校核。由扭矩图和弯矩图可确定危险截面在D截面右侧和E截面左侧。在D截面右侧：=2069.913Nm，=1127.492Nm，=295.064Nm=2375.466Nm在E截面左侧：=1289.956Nm，=1188.588Nm，=295.064Nm=1778.705Nm，所以满足D截面右侧即可。=80MPa解得：=67.125mm，取=68mm。由=1.1=61.818mm,=62mm=56.364mm,=58mm=52.727mm,=54mm 2.校核是否满足静强度条件 对U截面左侧进行校核。在U截面左侧：=1882.295Nm，=1096.994Nm，=196.709Nm=2187.468Nm=62mm所以不满足强度条件。取=66mm，由=1.1=72.600mm，取=74mm=60.000mm，取=60mm=54.545mm取=56mm3. 校核是否满足静强度条件 需对P截面左侧，V截面右侧，E截面左侧进行校核。 =1778.705Nm 在P截面左侧：=1507.059Nm，=1035.849MPa，=196.709MPa =1839.267Nm 在V截面右侧：=1679.935Nm，=1158.040Nm，=295.064Nm =2061.625Nm 因此 =60mm，所以不满足强度条件。取=66mm。由=1.1=72.600mm,=74mm=81.400mm,=82mm=60.000mm,=60mm综上所述：=82mm =74mm =66mm =60mm（四）计算齿轮处轴的挠度1. 沿y轴方向加一单位力F=1，并作出单位力作用下的弯矩图图。沿y轴方向的弯矩图：图：其中E=200GPa，=利用图乘法求沿y轴方向的挠度：=1.998mm2.沿z轴方向加一单位力F=1，并作出单位力作用下的弯矩图图。沿z轴方向的弯矩图：图： =1.529mm3. =2.515mm（5） 对阶梯传动轴进行疲劳强度计算1. 对传动轴键槽进行疲劳强度计算 该轴键槽为端铣加工，=650MPa，所以根据材料力学第2版P369页图13-10a可查得=1.8，根据材料力学第2版P369页图13-10b可查得=1.62。因为该轴为高频淬火，=650MPa，根据材料力学第2版P369页表13-4可查得=2.4。传动轴在弯扭组合交变应力下工作，因此疲劳强度条件为：n=2，=，。=-，所以弯矩循环系数r=-1，为对称循环；=0，所以扭矩循环系数r=0，为脉动循环。，=，=，=根据材料力学第2版P369页表13-5可查得=0.10。在D截面右侧处，=82mm，根据材料力学第2版P369页表13-2可查得=0.73， =0.72。在D截面右侧处：=2069.913Nm，=1127.492Nm，=295.064Nm=43.554MPa=2.725MPa=6.706=109.630=6.693n=2 安全在B截面右侧处和E截面左侧处，=66mm，根据材料力学第2版P369页表13-2可查得=0.78， =0.74。在B截面右侧处：=1319.441Nm，=1005.301Nm，=196.709Nm=58.770MPa=3.485MPa=5.309=87.892=5.299n=2 安全在E截面左侧处：=1289.956Nm，=1188.588Nm，=295.064Nm=62.146MPa=5.227MPa=5.020=58.595=5.002n=2 安全2. 对传动阶梯轴进行疲劳强度计算由于=650MPa，=82mm =74mm =66mm =60mm，阶梯轴过渡圆弧均为r=2mm，根据材料力学（第2版）P368页图13-9a,图13-9b,图13-9c,图13-9d,图13-9e可查得：在H截面处=0.0333，=1.1，所以=1.78，=1.42在P截面处=0.0303，=1.1212，所以=2.17，=1.46在U截面处=0.0270，=1.1081，所以=2.24，=1.50在V截面处=0.0303，=1.2424，所以=2.35，=1.67在W截面处=0.033，=1.1，所以=1.78，=1.42在H截面处：在H截面处，=60mm，根据材料力学第2版P369页表13-2可查得=0.81， =0.76。=659.721Nm，=502.650Nm，=0Nm=39.112MPa=0MPa=8.377=+=8.377n=2 在P截面处：在P截面处，=66mm，根据材料力学第2版P369页表13-2可查得=0.78， =0.74。=1507.059Nm，=1035.849MPa，=196.709MPa=64.791MPa=3.485MPa=3.994=96.479=3.991n=2 在U截面处：在U截面处，=74mm，根据材料力学第2版P369页表13-2可查得=0.75， =0.73。=1882.295Nm，=1096.994Nm，=196.709Nm=54.763MPa=2.472MPa=4.402=131.183=4.400n=2 在V截面处：在V截面处，=66mm，根据材料力学第2版P369页表13-2可查得=0.78， =0.74。 =1679.935Nm，=1158.040Nm，=295.064Nm=51.289MPa=3.708MPa=4.480=79.371=4.473n=2 在W截面处：在W截面处，=60mm，根据材料力学第2版P369页表13-2可查得=0.81， =0.76。=644.978Nm，=594.294Nm，=0Nm=41.358MPa=0MPa=7.992=+=7.992n=2 各截面的参数如下：校核点参数初始应力集中系数尺寸系数表面质量系数敏感系数直径(mm)D1.801.620.730.722.40.1082B1.801.620.780.742.40.1066E1.801.620.780.742.40.1066H1.781.420.810.762.40.1060P2.171.460.780.742.40.1066U2.241.500.750.732.40.1074V2.351.670.780.742.20.1066W1.781.420.810.762.40.1060校核点（MPa）（MPa）D43.5542.7256.706109.6306.693B58.7703.4855.30987.8925.299E63.1465.2275.02058.5955.002H39.11208.377+8.377P64.7913.4853.99496.4793.991U54.7632.4724.402131.1384.400V51.2893.7084.48079.3714.473W41.35807.922+7.922各校核面的计算结果如下：综上所述，阶梯轴的各个截面均符合疲劳强度要求，不需要改善措施。如果不满足要求可通过增加过渡圆角半径和提高表面质量等措施使之满足疲劳强度措施。 五、针对该题的C语言程序#include#include#define Pi 3.141593float Max1(float a,float b,float c) return(sqrt(pow(a,2)+pow(b,2)+pow(c,2);float Max2(float d,float e) return(de?d:e);float Max3(float a,float b,float c) float Max2(float d,float e); return (Max2(Max2(a,b),c);int qu(float n) int g; if(int)n)%2=0&(n-(int)n)!=0.0) g=(int)n)+2; else if(int)n)%2=1)g=(int)n)+1; else g=(int)n; return(g);float F1(float a,float b) float c; c=a*b/sqrt(pow(a,2)+pow(b,2); return (c);float F2(float a,float b,float c) float f; f=300*2.4*b/(a*c); return(f);float F3(float a,float b,float c) float f; f=155/(c/2*(0.1+a/b/2.4); return (f);void F4(float d,float *p1,float *p2) if(d0.020&d0.030&d0.040&d0.050&d0.060&d0.070&d0.080&d0.100&d0.120&d0.150&db) printf(不安全n);d2=pow(32*MmaxU/Pi/Sgm,1.0/3)*1000;printf(d2=%0.3fmm,d2);d2=qu(d2);printf(取d2=%dmm,(int)d2);d1=d2*1.1;printf(nd1=%0.3fmm,d1);d1=qu(d1);printf(取d1=%dmm,(int)d1);d3=d2/1.1;printf(nd3=%0.3fmm,d3);d3=qu(d3);printf(取d3=%dmm,(int)d3);d4=d3/1.1;printf(nd4=%0.3fmm,d4);d4=qu(d4);printf(取d4=%dmm,(int)d4); else printf(安全);c=d3;d2=pow(32*MmaxU/Pi/Sgm,1.0/3)*1000;printf(n校核d3是否满足静强度条件：);MmaxP=Max1(MPy,MPx,MPz);MmaxV=Max1(MVy,MVx,MVz);printf(nMPx=%0.3fNm,MPy=%0.3fNm,MPz=%0.3fNm,MPx,MPy,MPz);printf(nMVx=%0.3fNm,MVy=%0.3fNm,MVz=%0.3fNm,MVx,MVy,MVz);printf(nMEx=%0.3fNm,MEy=%0.3fNm,MEz=%0.3fNmn,MEx,MEy,MEz);printf(MmaxP=%0.3fNm,MmaxV=%0.3fNm,MmaxE=%0.3fNm,MmaxP,MmaxV,MmaxE);printf(nd3=%0.3fmm,pow(32*Max3(MmaxE,MmaxV,MmaxP)/Pi/Sgm,1.0/3)*1000); if(pow(32*Max3(MmaxE,MmaxV,MmaxP)/Pi/Sgm,1.0/3)*1000c) printf(n不安全n);d3=pow(32*Max3(MmaxE,MmaxV,MmaxP)/Pi/Sgm,1.0/3)*1000;printf(d3=%0.3fmm,d3);d3=qu(d3);printf(取d3=%dmm,(int)d3);d2=d3*1.1;printf(nd2=%0.3fmm,d2);d2=qu(d2);printf(取d2=%dmm,(int)d2);d1=d2*1.1;printf(nd1=%0.3fmm,d1);d1=qu(d1);printf(取d1=%dmm,(int)d1);d4=d3/1.1;printf(nd4=%0.3fmm,d4);d4=qu(d4);printf(取d4=%dmm,(int)d4); else printf(安全); printf(n最后直径的取值：);printf(nd1=%dmm,d2=%dmm,d3=%dmm,d4=%dmmn,(int)d1,(int)d2,(int)d3,(int)d4); printf(计算齿轮处轴的挠度：n); M_=a; Iy=Iz=Pi*pow(d1/1000,4)/64;fy=(1/2*MBy*a*2/3*M_+MBy*2*a*3/4*M_+1/2*(MDy-MBy)*2*a*2/3*M_+MEy*a*3/8*M_+1/2*(MDy-MEy)*a*5/12*M_+1/2*MEy*a/6*M_)/(Iz*E)*1000;fz=(1/2*MBz*a*2/3*M_+MBz*3*a*5/8*M_+1/2*(MEz-MBz)*3*a/2*M_+1/2*MEz*a/6*M_)/(Iy*E)*1000;f=sqrt(pow(fy,2)+pow(fz,2);printf(fy=%0.3fmmn,fy);printf(fz=%0.3fmmn,fz);printf(f=%0.3fmmn,f);printf(对阶梯传动轴进行疲劳强度计算：);printf(n对传动轴的键槽进行疲劳强度计算：);printf(n在D截面右侧处：);printf(n根据查表可得：nK=_n);scanf(%f,&KyzD);printf(K=_);scanf(%f,&KxD);F4(d1/1000,&EyzD,&ExD);n1(KyzD,KxD,EyzD,ExD,MDy,MDz,MDx,d1/1000,&nyzD,&nxD,&nxyzD);printf(nnyzD=%0.3f,nxD=%0.3f,nxyzD=%0.3f,nyzD,nxD,nxyzD);if(nxyzD=2)printf(n安全);else printf(n不安全);printf(n在B截面右侧处：);KyzB=KyzD;KxB=KxD;F4(d3/1000,&EyzB,&ExB);n1(KyzB,KxB,EyzB,ExB,MBy,MBz,MBx,d3/1000,&nyzB,&nxB,&nxyzB);printf(nnyzB=%0.3f,nxB=%0.3f,nxyzB=%0.3f,nyzB,nxB,nxyzB);if(nxyzB=2)printf(n安全);else printf(n不安全);printf(n在E截面左侧处：);KyzE=KyzD;KxE=KxD;F4(d3/1000,&EyzE,&ExE);n1(KyzE,KxE,EyzE,ExE,MEy,MEz,MEx,d3/1000,&nyzE,&nxE,&nxyzE);printf(nnyzE=%0.3f,nxE=%0.3f,nxyzE=%0.3f,nyzE,nxE,nxyzE);if(nxyzE=2)printf(n安全);else printf(n不安全);printf(n对传动阶梯轴进行疲劳强度计算：n);e=r/d4;h=d3/d4;printf(在H界面处：r/4=%f 3/4=%fn,e,h);printf(根据查表可得：nK=_n);scanf(%f,&KyzH);printf(K=_n);scanf(%f,&KxH);F4(d4/1000,&EyzH,&ExH);n1(KyzH,KxH,EyzH,ExH,MHy,MHz,MHx,d4/1000,&nyzH,&nxH,&nxyzH);printf(nnyzH=%0.3f,nxH=%0.3f,nxyzH=%0.3f,nyzH,nxH,nxyzH);if(nxyzH=2)printf(n安全);else printf(n不安全);e=r/d3;h=d2/d3;printf(n在P界面处：r/3=%f 2/3=%fn,e,h);printf(根据查表可得：nK=_n);scanf(%f,&KyzP);printf(K=_n);scanf(%f,&KxP);F4(d3/1000,&EyzP,&ExP);n1(KyzP,KxP,EyzP,ExP,MPy,MPz,MPx,d3/1000,&nyzP,&nxP,&nxyzP);printf(nnyzP=%0.3f,nxP=%0.3f,nxyzP=%0.3f,nyzP,nxP,nxyzP);if(nxyzP=2)printf(n安全);else printf(n不安全);e=r/d2;h=d1/d2;printf(n在U界面处：r/2=%f 1/2=%fn,e,h);printf(根据查表可得：nK=_n);scanf(%f,&KyzU);printf(K=_n);scanf(%f,&KxU);F4(d2/1000,&EyzU,&ExU);n1(KyzU,KxU,EyzU,ExU,MUy,MUz,MUx,d2/1000,&nyzU,&nxU,&nxyzU);printf(nnyzU=%0.3f,nxU=%0.3f,nxyzU=%0.3f,nyzU,nxU,nxyzU);if(nxyzU=2)printf(n安全);else printf(n不安全);e=r/d3;h=d1/d3;printf(n在V界面处：r/3=%f 1/3=%fn,e,h);printf(根据查表可得：nK=_n);scanf(%f,&KyzV);printf(K=_n);scanf(%f,&KxV);F4(d2/1000,&EyzV,&ExV);n1(KyzV,KxV,EyzV,ExV,MVy,MVz,MVx,d2/1000,&nyzV,&nxV,&nxyzV);printf(nnyzV=%0.3f,nxV=%0.3f,nxyzV=%0.3f,nyzV,nxV,nxyzV);if(nxyzV=2)printf(n安全);else printf(n不安全);e=r/d4;h=d3/d4;printf(n在W界面处：r/4=%f 3/4=%fn,e,h);printf(根据查表可得：nK=_n);scanf(%f,&KyzW);printf(K=_n);scanf(%f,&KxW);F4(d4/1000,&EyzW,&ExW);n1(KyzW,KxW,EyzW,ExW,MWy,MWz,MWx,d4/1000,&nyzW,&nxW,&nxyzW);printf(nnyzW=%0.3f,nxW=%0.3f,nxyzW=%0.3f,nyzW,nxW,nxyzW);if(nxyzW=2)printf(n安全n);else printf(n不安全n);*改进措施*if(nxyzD=2)&(nxyzB=2)&(nxyzE=2)&(nxyzH=2)&(nxyzP=2)&(nxyzU=2)&(nxyzV=2)&(nxyzW=2)printf(疲劳强度满足，不需要改进措施。);else printf(疲劳强度不满足，通过增加过渡圆角r实现改进：); while(!(nxyzD=2)&(nxyzB=2)&(nxyzE=2)&(nxyzH=2)&(nxyzP=2)&(nxyzU=2)&(nxyzV=2)&(nxyzW=2)&(Min1(Min1(d1-d2,d2-d3),d3-d4)r)r=r+1.0;e=r/d4;h=d3/d4;printf(n在H界面处：r/4=%f 3/4=%fn,e,h);printf(根据查表可得：nK=_n); scanf(%f,&KyzH); printf(K=_n); scanf(%f,&KxH);n1(KyzH,KxH,EyzH,ExH,MHy,MHz,MHx,d4/1000,&nyzH,&nxH,&nxyzH);e=r/d3;h=d2/d3;printf(n在P界面处：r/3=%f 2/3=%fn,e,h);printf(根据查表可得：nK=_n); scanf(%f,&KyzP); printf(K=_n); scanf(%f,&KxP); n1(KyzP,KxP,EyzP,ExP,MPy,MPz,MPx,d3/1000,&nyzP,&nxP,&nxyzP);e=r/d2;h=d1/d2;printf(n在U界面处：r/2=%f 1/2=%fn,e,h);printf(根据查表可得：nK=_n); scanf(%f,&KyzU); printf(K=_n); scanf(%f,&KxU);n1(KyzV,KxV,EyzV,ExV,MVy,MVz,MVx,d3/1000,&nyzV,&nxV,&nxyzV);e=r/d3;h=d1/d3;printf(n在V界面处：r/3=%f 1/3=%fn,e,h);