材料力学课程设计

１ 材料力学课程设计 说明书 ２ 目录

一、课程设计目的 ---------------03

二、课程设计任务和要求 ---------------03

三、课程设计题目 ---------------04

四、课程设计计算过程

1. 画出力学简图，求出外力 ---------------05 强度计算 ---------------07 刚度计算 ---------------08 B截面的实际位移 ---------------16

2.疲劳强度校核 ---------------19 3.超静定校核设计

超静定校核设计 ---------------20

校核疲劳强度 ---------------22

五、循环计算程序 ---------------24

六、课程设计总结 ---------------30

七、参考文献 ---------------30 ３

一、 课程设计目的 材料力学课程设计的目的是在于系统的学习材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学设计的基本原理和计算方法，独立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工程实际问题的目的。同时，可以使我们将材料力学的理论和现代的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；既是对以前学到的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合运用，又为以后学习的课程（机械设计、专业课等）打下了基础，并初步掌握了工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。具体有以下六项： 1.使我们的材料力学知识系统化，完整化。 2.在系统的全面的复习的基础上，运用材料力学的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的知识和专业需要结合起来。 4.综合运用以前所学的各门课程知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），是相关学科知识有机的联系起来。 5.初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。 6.为以后课程的学习打下基础。 二、 课程设计任务和要求

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，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，独立编制计算程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。 ４

三、 课程设计题目 设计题目：车床主轴设计 某车床主轴尺寸及受力情况如图1所示。在A、B、C三个支座的中间支座B处，轴承与轴承座之间有间隙，正常工作时，B处轴承不起支撑作用，此时轴处于A、C两支座下的静定状态。当B截面处弯曲变形大于间隙δ时，轴处于A、B、C三支座下的静不定状态。轴截面E处装有斜齿轮，其法向压力角为α，螺旋角为β，工作处的切削力有xF、yF、zF（在进行强度、刚度计算时，可以

不计轴向力xF的影响，而以弯曲、扭转变形为主）。轴的材料为优质碳素结构钢（45钢），表面磨削加工，氮化处理。其他已知数据见表1。 1. 试按静定梁（A、C支撑）的强度、刚度条件设计等截面空心圆轴外径D(d/D值可见数据表2)，并计算这时轴上B截面处的实际位移。 2. 在安装齿轮的E截面处有一铣刀加工的键槽，试校核此截面处的疲劳强度。规定的安全系数n=3（1=420MPa，1=240MPa）。 3. 对静不定情况（A、B、C支撑），同时根据强度、刚度条件设计外径D，并用疲劳强度理论校核。 设计数据：表1： )( )( δ/m [ζ]/MPa mfD/][ mfE/][

radc/][



20 10 4105.0 150 4103.3 4105.3 0.0028 注意：设计中不考虑轴的旋转静定要求和热变形的影响，并且将各轴承视为刚体，且不产生刚体位移，不考虑制造工艺和尺寸链等因素。 表2：（设计计算数据表Ⅰ-13）

ml1 ml2

ml

3 ma mb mR

0.16 0.49 0.15 0.12 0.16 0.12  

minrn kwP Dd NF

Hy NF

Hz

45 500 5.0 0.70 4200 2000 ５

图一： 四、 课程设计设计过程 1. 画出力学简图，求出外力

由公式可知min/}{}{9549rnkwpMe=m.5000.59549N=95.49N.m R

Me

tF=m12.0m.49.95N=795.75N ６

由斜齿轮受力分析得： costantF

rF=010cos020tan75.795=294.10N

则有：cossinrFtFEyF=354.72N sincosrFtFEzF

=770.64N

由工件DH受力平衡及作用力与反作用力，代入NHFNHF2000z,4200y

求得： NHFDFNHFDF2000zz,4200yy

m.32016.0x2000NNNbHzFDyM m.672m16.0x4200NNbHyFDzM 强度计算，画出弯矩、扭转图

由受力分析求出A点的支反力： 0321)(lHyFDzMaEyFllAyFFCzM

0321)(lHzFDyMaEzFllAzFFCyM 解上面的方程，则有: NAFNAyF12.1096z,59.1937 ７

根据已知分别作出Y、Z方向的弯矩图，如下图所示： 由扭矩图和两弯矩图可知，C截面为危险截面，在该截面上的弯矩和扭转值分别为：

mNMMMc 08.4421213022620=2y2z m.49.95x NM 由于轴的材料为优质碳素结构钢（45钢）为塑性材料，选择第三强度理论进行校核设计：

由 ][1223rXCMMW 22][1XCMMW ８

7.0,)1(6444DdDI a150][P 代入数据解得：mD211006.5

刚度设计

a、根据D点刚度条件设计轴径，在D点分别沿y、z轴加一单位力：

作出弯矩图： ９

用图形互乘法求解： 93.15388.58053.0211

08.012.0321cM 71.6712.088.5802 135.015.012.0212cM

3472.288.58062012.0213

0.14=12.012.015.0323cM

01125.015.015.0214 520=320320620324cM

EIMMMMEIEIM

fccccciiD63.27-1-44332211z 



作出弯矩图： １０

1338.27292.102653.021 0.08=12.0321cM 2304.112312.092.10262 0.135=15.012.0212cM

5048.1692.1026130212.0213

0.14=12.012.015.0323cM

01125.015.015.0214 1092=672672-1302324cM

EIMMMMEIEIM

fccccciiDz00.53144332211



由弯曲的刚度条件：ffmax

，

mfEIfffDzDyD422103.3,77.59 １１

取PaE910210 7.0,)1(6444DdDI ][ffD，代入数据计算得：

mD221093.6

b、根据E点刚度条件设计轴径，在E点分别沿y、z轴加一单位力：

作出弯矩图： １２

02597.0098.053.0211 684.61=92.1026321cM 3-21088.5098.012.021

1118.61=92.102692.1026-1302312cM

EIMMEIEIM

fccciiEy72.2412211



作出弯矩图：

02597.0098.053.0211 387.25580.88321cM 3-21088.5098.012.021