材料力学课程设计报告.docx

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1、材料力学课程设计报告 （左侧装订，封皮标题居中） 材料力学课程设计报告 课设题目：曲柄轴强度设计与变形计算 单位：理学院 专业/班级：工程力学 一、前言 1、材料力学课程设计的目的意义 本课程设计是在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。与此同时，进一步加强对以前所学知识（高等数学、工程图学、理论力学、计算机等）的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，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。 2、工程背景 柴油机自十九世纪发明以来，经过一百多年的不断研究

2、和改进，已经发展到了比较完善的程度。它以热效率高功率和转速范围宽广，比重量较小的优点，在动力机械中占有及其重要的地位，广泛应用于国民经济和国防的各个领域中，尤其在船舶领域。 曲轴是柴油发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚度。 3、课程设计主要任务及要求 （1）查阅相关文献，介绍课程设计选题的工程背景 （2）根据设计题目建立课程设计选题计算简图 （3）绘制选题结构的内力图 （4）列出理论依据和导出的计算公式

3、（5）进行强度分析、变形计算 （6）完成设计说明书。 二、力学模型建立与内力分析 1、设计题目简介 某柴油机曲轴可以简化为下图所示的结构，材料为球墨铸铁（QT450-5）弹性常数为 E 、，许用应力，G 处输入传矩为M e ，曲轴颈中点受切向力 F t 、径向力F r 的作用，且2 t r F F =。 曲柄臂简化为矩形截面，且满足： h=1.4D, h/b=3/2，r l 2.13= 有关数据见表1，表2。 表1 固定数据 表2 设计计算数据I3 题目要求： （1）画出曲轴的内力图。 （2）设计曲轴颈直径d ，主轴颈直径D 。 （3）校核曲柄臂的强度。 （4）用能量法计算A-A 截面的转角y

4、 ，z 。 2、模型简化 b)力学模型 图1 单缸柴油机曲轴简化图 1曲轴颈 2曲柄臂 3主轴颈 3、内力分析 1)外力分析图： 图2 外力分析图 2)外力分析： 1.画出曲轴的计算简图（上图），计算外力偶矩。 M e =9549P/N=625.6N/m 2.计算切向力、径向力。 F t =M e /r=8937.5N F r =F t /2=4468.7N 3.平衡条件计算反力。 （1）在XOY 平面内: =0F 0=-+r Fy Ay F F F =0k M 021=+-l F l F Fy Ay 解得：F By =1915.2N F Ay =2553.5N （2）在XOZ 平面内： =0

5、F 0=-+t Fz Az F F F =0k M 021=+-l F l F Fz Az 解得：F Fz =3830.4N F Az =5107.1N 内力分析： 1)内力图： 内力图如图3所示，不计弯曲切应力，弯矩图画在纤维受压侧，根据内力图确定危截面。 (单位：力-N 力矩N m ) 图3 内力图 2）内力计算 （1）主轴颈的EF 左端（1-1为危险截面，受扭转和两向弯曲 （2）曲柄臂DE 段下端（2-2）为危险截面，受扭转、两向弯曲和压缩 （3）曲轴颈CD 段中间截面（3-3）为危险截面，受扭转和两向弯曲 三、杆件设计与强度分析 一设计曲轴颈直径d 1.在XOY 平面内弯矩： 1l F

6、 M RAy z ?-=383.0N.m 2.在平面内弯矩： 1l F M RAz y ?-=766.1N.m 3.My 和Mz 合成弯矩： My Mz M 2 2 +=856.5N.m 4.扭矩：R F T RAZ ?=357.5N.m 5.如用第四强度理论设计： 75.01)()()(21 2 2433221+-+-+-T M W 3d d 40.5 所以取d=45.0mm 二.设计主轴 1.M z =F By L2=383.0N.m 2.M y =F Bz L2=766.1 N.m =856.5 N.m 4.T=Me=62 5.6 N.m 5.仍用第四强度理论设计 3D D 42.6 所

7、以取d=45mm 三、校核曲柄臂的强度： 曲柄臂的危险截面为矩形截面，受扭转、两向弯曲及轴力的作用。为确定危险点的位置，画出曲柄臂上（2-2）截面应力分布图。 曲柄臂的强度计算: 根据应力分布图可判定出可能的危险点为1D ，2D ，3D 。 图5危险点分布图 N RBy F F =1915.2N 2X e RBz D M M F =-=626.63830.44521000540.4?= N.m 22Z RBy b M F l ? ?=?+= ? 1915.20.20.0422423.3?+=（） N.m T My =F Bz （L 2+ 2 b ）=846.5 N.m sz RBz F F =

8、3830.4 N c= 2266Fn Mx Mz Fn Mx Mz bh Wx Wz bh bh b h +=+ = 43.0 MPa 正应力 26N N z z D z F F M M bh W bh hb = +=+=23.6 MPa D 点因扭矩My 引起切应力12 T hb =33.0 MPa D 点与F SZ 对应切应力 2 232sz F bh =2.2 MPa D 点总切应力12D =+=35.2 MPa 用第四强度理论 =65.4 MPa 满足强度条件 四、变形计算 1用能量法计算A-A 截面的转角y ，z 。 采用图乘法分别求解截面的转角y ，z 。求y ： 在截面A 加一单

9、位力偶矩y M 图6受力分析图 由平衡方程得：N L L F F FZ AZ 86.220 .015.01 121=+=+= -= B 点的弯矩为： E 点的弯矩为 m 45.0207.02.120.086.2232?=? ? ?-?=? ? ?- ?=N L L F M AZ E 单位力偶矩作用下的内力图y M 与外载荷作用下的内力图y M 如下（弯矩画在受压 的一侧，单位:N m ） ： 当h =63.0mm ，b =42.0mm 时，h/b=1.5,查材料力学中表知=0.196 () () 4 34 9414 34 9 4 24510 180103623264 64 4510180103623264 64 D EI E Pa m d EI E Pa m -?=?=?=? =?