材料力学课程设计--曲柄轴的强度设计及变形计算

材料力学课程设计--曲柄轴的强度设计及变形计算(导师好，课程设计是我这两天赶工的，质量不怎么好，你帮我改改，其中1.2，4.2，4.3没有完成，不知道怎么写，您帮我看看想一下，3.1的第三强度公式我感觉有点不会，您也帮着看一下。

幸好有您这个导师，嘻嘻，感谢呀。

祝勇哥圣诞元旦双节快乐，新春快乐假期美好。

———学生：东禹材料力学课程设计题目：曲柄轴的强度设计及变形计算单位：理学院班级：力学 11-1姓名：宫东禹指导教师：宋志勇目录一、绪论二、力学模型与内力分析三、强度分析。

四、变形计算与刚度分析。

五、总结。

一、绪论1.1、课程设计目的意义：材料力学课程设计是材料力学课程的重要实践性环节。

通过结合工程实际，自行设计结构形式，并对杆件结构进行内力、应力变形位移计算等，校核杆件结构的强度和刚度、稳定性，并对结构进行改进。

进一步巩固和加深材料力学课程中的基本理论知识，初步掌握对材料力学中分析、计算的步骤和方法，培养和提高独立分析问题和运用所学理论知识解决实际问题的能力、通过自由设计结构、锻炼创新思维能力。

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；既是对以前所学知识的综合运用，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。

具体有以下几方面：1、对之前学过的相关力学知识的全面复习，使学生的力学知识系统化、完整化；2、综合运用力学理论知识解决工程中的实际问题。

3、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。

4、由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可以为学生后续的毕业设计打下基础，进行提前锻炼。

5、初步了解和掌握工程实践中的分析思想和计算方法。

1.2、结构的工程应用背景简介：（简单的介绍你所设计的结构在工程的使用，比如哪些领域，有何作用）1.3、课程设计的主要任务内容：参加设计者要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，根据给出题目，搜集相关资料，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，列出理论依据并导出计算公式，并校核强度和刚度，对结构进行优化和改进分析并完成设计报告。

1、本次课程设计要求依据所学材料力学基本理论，分析内力和应力、变形，从强度、刚度的安全因素出发，设计相应几何尺寸、并进行计算分析。

2、原则上各班同学必须独立完成，每名同学所采用的原始数据不能重复。

3、本次课程设计要求最终上交一份课程设计报告。

4、要求每名同学完成题目的结构设计和力学分析，绘制必需的图、表，并最终撰写课程设计报告一份。

基本内容包括：①了解结构工程背景或在工程中应用，确定材料参数②作出结构杆件的内力分布图③设计结构杆件的几何尺寸或结构杆件的截面④进行应力状态分析⑤利用强度理论进行校核⑥变形计算⑦结构杆件的优化和改进分析二、力学模型、内力分析2.1、力学模型简介（介绍你所问题的几何结构，要求有结构图；约束情况；材料属性参数等）7、题目：曲柄轴的强度设计及变形计算1） 题目内容：材料为球墨铸铁QT400-10，[]MPa 120=σ，曲柄臂抽象为矩形，如下图示。

D h 2.1=，32=h b ，e l 5.1=，l l 5.04=。

2）设计要求与技术指标：安全系数n=2、需设计曲柄颈直径、主轴颈直径；校核强度；计算A 截面转角y θ，z ϑ。

设计参数 F/kN W/kN l 1 l 2 l 3 e/mm a (°) 第15组208.2400240130100122.2、载荷简化：2.3、内力分析内力分布图：内力分析：①主轴颈FB 段左端1-1截面为危险截面。

②曲柄颈CD 段中间2-2截面为危险截面。

③曲柄臂以DF 段下端3-3截面为危险截面。

三、强度分析 3.1、强度理论简述由零件图可知，键槽处有扭转切应力，无弯曲正应力。

由于机器时开时停，可以视作脉动循环变化。

因主轴颈处于两向弯曲于扭转的组合变形，可用第三强度理论计算 第三强度理论对于象低碳钢这一类的塑性材料,在单向拉伸试验时材料就是沿斜截面发生滑移而出现明显的屈服现象的。

这时试件在横截面上的正应力就是材料的屈服极限ss ，而在试件斜截面上的最大剪应力(即45°斜截面上的剪应力)等于横截面上正应力的一半。

于是，对于这一类材料，就可以从单向拉伸试验中得到材料的极限值xy τxyτ =ss /2按此理论的观点，屈服破坏条件是()max2xy ss c ττ==÷由公式(1-56)可知，在复杂应力状态下下一点处的最大剪应力为 ()13max 2s s τ-=其中的1s 、3s 分别为该应力状态中的最大和最小主应力。

故式(c)又可改写为()131322s s ss ss ss -=-=或将上式右边的ss 除以安全系数及的材料的容许拉应力[]s ，故对危险点处于复杂应力状态的构件，按第三强度理论所建立的强度条件是： ()[]13s s s -≤3.2、应力分析曲柄臂的危险截面应力分布图：根据应力分布图，可以判断出可能的危险点有D1、D2、D3。

对D1点进行应力分析由于D1点处于单向拉伸、所以正应力的代数叠加即()[]333333242236675.55N x xx zz N F M M A W W W l l l F e F bh b h bh MPa σσ=+++-⋅=++=所以D 1安全对D 2点进行应力分析，由于D 2点有扭转切应力，查表得: 0.231α=0.858V =()3242248.27y BZ M F l l MPa ab hab hτ-=== D 2点的正应力为轴力和绕z 轴的弯矩共同引起，即()()3242421313336.736By N z N z W l l l F l l F M F b hMPa A W bhσ+---=+=+=由于D 2点处于二向应力状态，故选择第三强度理论计算[]2234103.29r MPaσστσ=+=所以D 2点安全对D 3点进行应力分析[]2333332230.85848.2741.4139.056491.56z N x N x r v MPa MPaF eF M F bh MPa A W bh MPa ττσσστσ'==⨯=⋅'=+=+=''=+=所以D 3点安全3.3、强度分析由零件图可知，键槽处有扭转切应力，无弯曲正应力。

由于机器时开时停，可以视作脉动循环变化。

131maxmin max max min 38.0216002xx p m a M M D MPa W πττττγτττ======∴==由于切应力是脉动循环，因此用以下公式进行疲劳强度校核:1a mn nK ττττττψτεβ-=≥+其中1160MPa τ-= 0.05τψ=0.76τε=查表得: 400bMPaσ=1.20K τ=0.95β=14.92a mn nK ττττττψτεβ-==+主轴颈的疲劳强度符合要求3.4、杆件截面尺寸设计主轴颈D 和曲柄轴颈的直径d因主轴颈处于两向弯曲于扭转的组合变形，可用第三强度理论计算[][]2231222223122222221111113222222331113324413232322017121819561201063.83=64y z x r P y z x y z x y z x M M M D W W M M W W M M M M M M W D D M M M D mm D mmπσσσστσππσπ=+==⎛⎫⎛⎫=-=+=+ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭=++=++≤≥++=++⨯⨯≥解得：取同理，曲柄颈的曲度计算也可以用第三强度理论[][]222222223222222322222233222613243232322129062412010:49.96501.2231.264772513r y z x y z x y z x M M M M M M W Dd M M M d mm d mm h Db h h mm mm b h mm σστσππσπ=+=++=++≤≥++=++⨯⨯≥====⨯===解得取四、变形计算与刚度分析、稳定性分析 4.1、变形计算理论方法求y θ在截面A 加以单位力偶矩yM ，并作出单位力偶矩作用下的弯矩图：()()121414011.5631.56310.4920.258B AZ BZ AZ E AZ F BZ M F N l l F F NE MF l l N m F M F l l N m===+=-=-=--=-⋅=-=-⋅点弯矩为点的弯矩为()()441294112931234h 20.196b 3150? 0.27641015*********.826464150100.196775110118226.5121210.27p cic i i y iE GPa D EPa m D d El El E Gl hb Pa m M M El βμππβμωωθ--=∴===⨯⨯==⨯⨯=⋅=∴=⨯⨯⨯⨯⨯=⋅==⋅+⨯+=+∑由图乘法:查表得:杆件的抗弯刚度为El 杆件的刚扭刚度为由公式()()()212 0.355110.5120.40.0919560.50.220.0912180.210232310.50.3550.50.3550.3550.210.09201719560.3550.0919560.0912182322 10.2iy py M N mGl l El l El θ=⋅⎡-⎤⎛⎫=-⨯⨯++-⨯⨯⨯ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦-++⎛⎫⨯⨯-⨯++⨯⨯+⨯⨯ ⎪⎝⎭++⨯∑()()30.3550.2109201712180.3553 19560.120.512180.120.21 4.67710plGl rad⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎛⎫⨯-⨯+⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦+⨯⨯+⨯⨯=⨯ 求zθ在截面A 加一个单位力偶矩zM 并作出单位力偶矩作用下的弯矩图zM()()12y 14140 1.5631.56310.4920.258B Ay By Ay E A F By M lF N l l F F NE MF l l N m F M F l l N m===+=-=-=⋅--=⋅=⋅-=-⋅点弯矩为点弯矩为()()()()412968222129431123469.8215010775110 5.8911077511015010127676.612121110.50.21120.40.093220.56240.220.090.220.0912906240.2123323z El El Pa m EA Ehb Pa m hb El E Pa m El θ==⋅==⨯⨯⨯⨯=⨯⋅⨯⨯==⨯⨯=⋅⎡-⎛⎫=⨯-⨯⨯++⨯-⨯+⨯-⨯-⨯⨯ ⎪⎝⎭由公式()()()2310.50.3550.50.3550.0912906240.3550.09624232110.3550.210.3550.210.0912906240.3550.0912*******3220.120.56240.120.2120170.12 1.6138980El El EA⎤⎢⎥⎣⎦⎡-+⎤⎛⎫⨯⨯-⨯++⨯⨯ ⎪⎢⎥⎝⎭⎢⎥+⎢⎥-+⎛⎫+⨯⨯-⨯-+⨯⨯⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯-⨯()3.12 1.6133.01610rad-⨯=⨯4.2、刚度分析4.3、稳定性分析五、总结5.1、结构优化设计根据疲劳破坏的分析，裂纹源通常是在有应力集中的部位产生，而且构件持久极限的降低，很大程度是由于各种影响素带来的应力集中影响。