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1、（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和改进，已经发展到了比较完善 的程度
2、。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(5)进行强度分析、变形计算(6)完成设
3、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、小，许用应力打，G处输入传矩为M,曲轴颈中点受切向力R、径向力Fr的作用，且f =gr 2曲柄臂简化为矩形截面，且满足：h=1.4D, h/b=3/2 , l3 =1.2r肩关数据见表1,表2。表1固定数据li / m12 / mE/GPa&/MPa0.150.201800.27140表2设计计算数据I3P/kWn/(r/min)r/ m192900.07题目要求：(1)回出曲轴的内力图。(2)设计曲轴颈直径d,主轴颈直径Do(3)校核曲柄臂的强度。(4)用能
4、量法计算A-A截面的转角9y, 9zo2、模型简化b）力学模型图1单缸柴油机曲轴简化图1 一曲轴颈2 一曲柄臂3 一主轴颈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。2.计算切向力、径向力3.平衡条件计算反力c （1）在XOYF面内:(2)在XOZ面内:内力分析:1）内力图:M=9549P/N=625.6N/mFt=M/r=8937.5NFr=Ft/2=4468.7N、F = 0 FAy FFy -Fr = 0，Mk=0- FAyli FFyl2 =0解得:FBy=1915.2NF Ay=2553.5N% F = 0Faz Ffz -
5、Ft =0、Mk = 0-FazIi Ffz12 =0解得：Ffz=3830.4NF az=5107.1N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）337.10 ； 553.51915.2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d1 .在XOYF面内弯矩：Mz = _FRAy l1=383.0N.m2 .在平面内弯矩：My =
6、 -Fraz l1=766.1N.m3 .My和Mz合成弯矩：M = Mz2 My2 =856.5N.m4 .扭矩：T =FRAZMR=357.5N.m5 .如用第四强度理论设计:；（仃1 仃 2） +（仃2 _仃3） +（仃 3 _仃4） 122W M0.75T -c屋-二321 2 0.75T2d n 40.5 所以取 d=45.0mm二.设计主轴1 .Mz=FByX L2=383.0N.m2 .My=FBzX L2=766.1 N.m3 .M=、My2 Mz2 =856.5 N.m4 .T=Me=625.6 N.m5 .仍用第四强度理论设计Vm 2 +0.75T2 b WD3 _ 32-
7、：-M 2 0.75T2 n b JD至42.6所以取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Di, D2, D3Fn =FRBy = = 1915.2NMX =Me - FRBzLD =626.6-3830.4 45, 2 F000 = 540.4 N.m 2MZ =FRByM h2 +b =1915.2x(0.2 + 0.042-2) = 423.3 N.m 2bT = My = Fbz x ( L2+ ) =846.5 N.m
8、Fsz = Frbz = 3830.4 N二 c二正应力Fn m, Fnbh Wz - bh6Mz可=23.6MPa=43.0 MPa b ID点因扭矩My引起切应力 用=33.0 MPa 11 hb2D点与Fsz对应切应力T 2t2 =3邑=2.2 MPa2bhD点总切应力td =期+t2 =35.2 MPa用第四强度理论J%2 +332 = 65.4 MPaw 仃满足强度条件四、变形计算1 用能量法计算A-A截面的转角Oy, 6zo采用图乘法分别求解截面的转角By, 8z。求8y在截面A加一单位力偶矩加FnMxMzFn6Mx6 MzbhWxWzbhbhb h图6受力分析图由平衡方程得：Fa
9、z - -Ffz =-1- =1 = 2.86NLi L20.15 0.20B点的弯矩为：益=1及| A = 12864 0.15=0.69 N mE点的弯矩为LLC11.2 0.07 一M e = Faz , L2 1 = 2.86 1 0.20 - = 0.45N m2 J 22 J单位力偶矩作用下的内力图 疝与外载荷作用下的内力图My如下（弯矩画在受压的一侧，单位：N , n）:耀7内力图当h=63.0mm b=42.0mm寸,h/b=1.5,查材料力学中表知 ”0.196二 D49EI1 =E=180 10964-3 4二 45 1064_ 一 .3 4二d49 二 45 10EI2
10、=E 180 106464 4=36232Pa m二 36232Pa m4杆件的抗扭刚度：GIpE -hb3 180 109 0.196 63 423 10-12 八4=64831Pa m2(1 +口2 1 0.27 Oj Meir=2.62 X10A-3rad方向与单位力偶相同单位力偶矩Mz单位力偶矩作用下的内力图与外载荷作用下的内力图如下（弯矩画在受压的一侧）0.450.69内力用 2553.51915.22-862.86EA = Ebh =180x109x42x63x10-6 =4.76x108Pa m2-3hb39 63x423x10J24EI =E 180x10 x =70013Pa
11、 m1212则应用能量法可解:11 门nw.=1.38x 10A-3rad方向与单位力偶相同五、结论两周的课程设计结束了,在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识,也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同 学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄,学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程.午里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是
12、为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下了坚实的基础。在这次课程设计中我们都受益良多。参考文献：1 .刘鸿文.材料力学I D.北京:高等教育出版社,2010: 210-3322 .刘鸿文.材料力学H D.北京:高等教育出版社,2010: 26-103备注：1、表的标注方法(表中字体一律为5号)表1模型数据表序号弹性模量泊松比长度a(m)长度b(m)长度c(m)长度d(m)1 200GPa0.31.32.350.4图1蜂窝板切面3、参考文献(字体为小四)1徐丽娜.神经网络控制M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1999: 66-892黄永兴，徐丽娜.我国股价指数的时间序列模型研究J.安徽工业大学学 报.2002,21(4):114-1173柳晓燕.一种NURBS曲线曲面形状修改的新方法D.西安:西北大学硕士论文，2007
