材料力学课程设计(底盘车架的静力分析及强度、刚度计算)
车架静强度分析报告
m ＝82Mpa， a ＝25 Mpa， ＝0.54。
按照线性估算加载 200％后近似得到比利时路工况， 马头根部为 m ＝90Mpa，
a ＝90Mpa， ＝0；D 处为 m ＝164Mpa， a ＝164Mpa， ＝0；
按照各路段行驶的比率来分配各种工况下对车架的累加疲劳破坏。 根据线性 疲劳损伤积累理论，小于疲劳极限 的应力对疲劳寿命没有影响。设定摩托车 在平坦的马路、乡间道路以及比利时路上行驶时的应力循环系数分别为 1 ， 2 ，
第一章
一、静强度分析的准则
车架静强度分析
三轮摩托车车架静强度分析的设计， 应该针对通常最普遍的车架失效形式来 设计。通常车架的静强度破坏主要是疲劳造成的焊缝撕裂、断裂。除了在焊接工 艺和质量检查工艺中应该注意外， 在有限元分析中， 应该按照疲劳强度进行校核。 如果按照传统的静强度设计，应该合理的确定许用应力。本文将分别按照静强度 设计和疲劳强度设计的方法来校核车架。并对两种方法进行比较分析。 二、有限元应力分析结果 车架材料为：Q235，有限元分析过程中材料参数为：
（1-2）
（1-3）
s S a m s S a m
（1-4）
式（1-2）是应力副安全系数，式（1-3）是最大应力安全系数，式（1-4） 是材料位于塑性安全区的屈服强度安全系数计算公式。其中：
kN m N0 N
（1-5）
上式Hale Waihona Puke N0 为无限寿命，N 为设计寿命，
m
N 0 9 107 1.765。 N 6 10 4
乡间道路工况估算如下，取马头根部最高应力点静载应力为 45Mpa，在前端 加载 130％后 为 54.9Mpa，在前端加载 70％后 为 36.2Mpa，于是近似得到 m ＝45Mpa， a ＝10 Mpa， ＝0.66。取 D 处最高应力点静载应力为 82Mpa，在后 悬挂加载 130％后 为 107Mpa，在后悬挂加载 70％后 为 58Mpa，于是近似得到
车架强度、刚度仿真分析方法
车架强度、刚度仿真分析方法1.概述1.1汽车前舱盖也称大梁。
汽车的基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置﹑前桥﹑后桥支承在车轮上。
具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。
车架的功用是支撑、连接汽车的各总成，使各总成保持相对正确的位置，并承受汽车内外的各种载荷。
1.2使用软件说明ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如NASTRAN, I－DEAS, AutoCAD等。
是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。
ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。
目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。
ANSYS Mechanical是利用ANSYS的求解器进行结构和热分析的。
其可进行结构、动态特性、热传递、磁场及形状优化的有限元分析。
1.3相关力学理论刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。
是材料或结构弹性变形难易程度的表征。
材料的刚度通常用弹性模量E来衡量。
在宏观弹性范围内，刚度是零件荷载与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。
它的倒数称为柔度，即单位力引起的位移。
刚度可分为静刚度和动刚度。
刚度是使物体产生单位变形所需的外力值。
刚度与物体的材料性质、几何形状、边界支持情况以及外力作用形式有关。
材料的弹性模量和剪切模量（见材料的力学性能）越大，则刚度越大。
2.前处理2.1定义材料建立几何模型后，进入Engineering Data界面，选择钢材料作为车架分析的材料。
《材料力学》课程教案1
《材料力学》课程教案1（一）轴向拉伸或压缩时的变形教学安排 ● 新课引入工程当中的构件要满足强度、刚度和稳定性的要求。
之前学习了轴向拉伸或压缩时杆的内力，应力，也就是强度问题。
今天转而讨论刚度问题。
工程当中构件因不满足刚度要求而失效的例子比比皆是，所谓刚度就是构件抵抗变形的能力，即一根杆件在设计好了之后，在正常的使用情况下，不能发生太大的弹性变形。
要想限制变形，首先应计算出变形。
如何计算？● 新课讲授一、纵向变形 （一）实验：杆件在受轴向拉伸时，在产生纵向变形的同时也产生横向变形。
纵向尺寸有所增大，横向尺寸有所减少。
思考：如图所示，杆件的纵向变形（axial deformation ）的大小？ 实验结论：F l ∝∆、l l ∝∆、A l 1∝∆AlF l ⋅∝∆⇒ 需引入比例常数，方可写成等式。
比例常数？ （二）推导：杆件原长为l ，受轴向拉力F 之后，杆件长度由l 变成l 1，杆件纵向的绝对变形l l l -=∆1。
为了消除杆件长度对变形的影响，引入应变的概念ε。
当变形是均匀变形时，应变等于平均应变等于单位长度上的变形量，因此l l∆=ε。
学过的有关于ε的知识，即拉伸压缩的胡克定律（Hook’s law ）：当应力不超过材料的比例极限时，应力与应变成正比，写成表达式即：εσ⋅=E )(p σσ<，σ（stress)，ε(strain)。
杆件横截面上的应力：AF A F N ==σ 将应力和应变两式代入胡克定律中，得到：l lE AF ∆⋅=结论：纵向变形l ∆的表达式：EAFll =∆ )(p σσ< ——胡克定律（重点）含义：①E ——弹性模量，反映材料软硬的程度。
单位MPa 。
②在应力不超过比例极限时，杆件的伸长量l ∆与拉力F 成正比，与杆件的原长l 成正比，与弹性模量E 和横截面积A 成反比。
EA ——抗拉刚度，EA 越大，变形越小。
③两个胡克定律，一个是描述应力和应变的关系，一个是表示力和变形的关系，但本质上都是一样的。
材料力学课程设计知识分享
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材料力学课程设计
一、静定部分梁的强度和刚度计算
（一）目的：对梁进行强度和刚度计算，并对梁截面
上各点进行应力状态分析。
（二）力学简图，如下图1.1
图1.1
（三）已知条件：[σ]=140Mpa，[w]=a/150，
E=210GPa
a(m) F(kN) q(kN/m) (kN/m) 8 35 11 14 （四）1.1列出剪力和弯矩方程，并画出剪力图和弯矩图。
求A、B处的支座反力，其受力分析如下图
由静力平衡方程
Σ=0, +q?2a?a-2a+F?3a=0
Σ=0, +2a - q?2a?a +F?a=0
解得=141.375kN =69.625kN
剪力和弯矩方程进行分段分析，选取坐标如上图
在CA(08m)段上：（x）=0
M（x）==14
在AB(16m24m)段上：（x）=-q(x-a)=157.625-11x
M（x）=+(x-a)-q
=-5.5+157.625x-895 在BD(24)段上：（x）=F=0
M（x）= 35x-1120
令（x）=-q(x-a)=157.625-11x=0，解出x=14.33(m)
则M（x）=+(x-a)-q=-5.5+157.625x-
895=243.68 ，即为抛物线顶点，再带入x=24,可得=-280 kN?m 绘制剪力图与弯矩图如下：
1.2根据正应力强度条件选择工字钢型号。
抗弯截面系数W===2000
查表可得取50c型号工字钢，且50c型号钢的各尺寸及参数如下所示：
型号h b d t 截面面积
50c 500 163 16.0 14.0 50600 139.304 2080 41.8。
某铁路车辆车架结构设计及静强度计算与试验
某铁路车辆车架结构设计及静强度计算与试验一、引言铁路车辆车架是连接车轮和车体的重要构件，承载着整个车体结构和列车荷载，其结构设计及静强度计算与试验对于确保列车安全运行至关重要。
本文将对某铁路车辆车架的结构设计、静强度计算及试验进行介绍和分析，以期为相关研究提供参考。
二、车架结构设计1. 车架材料选择车架的材料选择一般需要考虑强度、刚度、耐疲劳性能以及焊接性能等因素。
在某铁路车辆车架设计中，一般选用高强度低合金钢作为主要材料，其具有较高的强度和韧性，能够满足铁路车辆在运行过程中的荷载要求。
2. 车架结构形式3. 结构连接方式车架的结构连接方式对于整个车架的强度和稳定性具有重要影响。
在某铁路车辆车架设计中，一般采用焊接和螺栓连接方式，以确保车架的稳定性和连接强度。
三、静强度计算1. 车架结构的有限元建模为了对车架结构进行静强度计算，需要进行有限元建模分析。
对车架的整体结构进行建模，并将其分解为有限元模型，以便对车架结构进行有限元分析。
在有限元建模的基础上，对车架结构进行受力分析，通过施加荷载和边界条件，计算车架结构在静态加载下的应力分布和变形情况，以获取车架的静态强度性能。
3. 静强度校核计算根据车架结构的受力分析结果，进行静强度校核计算，包括轴向拉压、弯矩和剪力等受力情况的计算，并对车架结构的各个部位进行强度评定，以确保车架在运行过程中能够满足强度要求。
四、静强度试验1. 静强度试验方案制定为了验证静强度计算结果的准确性，需要进行静强度试验。
在试验前需要制定详细的试验方案，包括荷载大小、试验条件、测量参数等内容。
2. 静强度试验装置设计根据静强度试验方案，设计相应的静强度试验装置，确保对车架结构的加载和测量能够满足试验要求。
在试验进行过程中，按照制定的试验方案对车架结构进行载荷加荷，并对其进行应力应变测量，以获取车架结构的静态强度性能。
五、结论通过对某铁路车辆车架的结构设计及静强度计算与试验的研究分析，可以得出结论：在车架结构设计中，选择合适的材料和结构形式对于确保车架的静强度具有重要影响；在静强度计算中，通过有限元建模和受力分析可以获取车架结构的应力分布情况，进而进行静强度校核计算；在静强度试验中，通过对车架结构进行载荷加荷和应力应变测量，可以验证静强度计算的准确性。
某铁路车辆车架结构设计及静强度计算与试验
某铁路车辆车架结构设计及静强度计算与试验一、引言铁路交通作为重要的运输方式，对车辆的安全性和稳定性要求非常高。
在铁路车辆中，车架作为支撑整个车辆结构的重要部件，其设计和性能直接关系到车辆的运行安全和稳定性。
对铁路车辆车架结构的设计及静强度计算与试验显得尤为重要。
本文将以某铁路车辆车架结构设计及静强度计算与试验为案例，从设计理念、计算方法到实际试验结果进行详细分析和总结，为铁路车辆车架结构的设计与研究提供参考。
二、车架结构设计1. 设计理念某铁路车辆采用了框架式车架结构，其设计理念是在保证车架整体刚性和强度的前提下，尽可能减轻车架的重量，提高车辆的运行速度和能效。
为了实现这一设计理念，车架的结构采用了轻量化材料，并加强了关键部位的结构连接。
2. 结构特点某铁路车辆车架的结构特点主要包括：（1）采用高强度轻质材料，如铝合金和高强度钢材；（2）采用焊接和螺栓连接的结构形式，提高了车架的整体刚性；（3）关键部位采用加强筋和支撑，提高了车架的承载能力。
三、静强度计算1. 计算方法在车架结构设计中，静强度计算是至关重要的环节。
某铁路车辆车架的静强度计算主要采用了有限元分析和材料力学理论相结合的方法。
具体步骤包括：（1）建立车架的有限元模型，包括关键部位的约束和加载条件；（2）根据车架的实际荷载及运行工况，进行静载分析和动载分析；（3）根据材料力学理论，对车架各部位的应力、变形和疲劳寿命进行计算。
2. 计算结果静强度计算的结果表明，某铁路车辆车架在正常运行工况下具有足够的强度和刚性，能够满足铁路运行的安全要求。
计算结果还为车架的优化设计提供了依据，包括加强关键部位的结构连接和降低车架的重量。
四、静强度试验1. 试验准备为验证静强度计算的准确性，某铁路车辆车架进行了静强度试验。
试验准备主要包括：（1）确定试验方案，包括试验加载和测量点；（2）准备试验样品，包括车架的关键部位和焊接接头；（3）安装试验设备，进行试验加载和数据采集。
材料力学刚度计算公式
材料力学刚度计算公式材料力学中，刚度是一个非常重要的物理量，它描述了物体对外力的抵抗能力，也可以理解为物体的弹性特性。
在工程设计和材料选择中，刚度的计算是非常关键的，因为它直接影响着结构的稳定性和性能。
本文将介绍材料力学刚度的计算公式，帮助读者更好地理解和应用刚度的概念。
首先，我们来看一下刚度的定义。
在材料力学中，刚度通常用弹性模量（Young's modulus）来表示，它的单位是帕斯卡（Pascal，Pa）。
弹性模量描述了材料在受力时的变形程度，它是应力和应变之比，可以用下面的公式表示：\[ E = \frac{\sigma}{\varepsilon} \]其中，E代表弹性模量，σ代表应力，ε代表应变。
应力和应变分别是描述材料受力和变形程度的物理量，它们的计算公式如下：\[ \sigma = \frac{F}{A} \]\[ \varepsilon = \frac{\Delta L}{L} \]其中，F代表受力，A代表受力面积，ΔL代表长度变化，L代表初始长度。
通过上述公式，我们可以计算出材料的弹性模量，从而得到材料的刚度。
除了弹性模量，刚度还可以用刚度系数（stiffness coefficient）来表示。
刚度系数描述了材料在受力时的变形情况，它是受力和位移之比，可以用下面的公式表示：\[ k = \frac{F}{\Delta x} \]其中，k代表刚度系数，F代表受力，Δx代表位移。
刚度系数和弹性模量是两种不同的刚度描述方式，但它们都可以用来评估材料的刚度特性。
在工程实践中，刚度的计算是非常常见的工作。
通过刚度的计算，工程师可以评估材料的性能，选择合适的材料和结构设计方案。
此外，刚度的计算还可以帮助工程师预测材料在受力时的变形情况，从而指导结构的设计和使用。
总结一下，材料力学刚度的计算涉及到弹性模量和刚度系数两种物理量，它们都可以用来描述材料在受力时的抵抗能力和变形情况。
通过刚度的计算，工程师可以更好地理解材料的性能，指导工程设计和材料选择。
某铁路车辆车架结构设计及静强度计算与试验
某铁路车辆车架结构设计及静强度计算与试验本文介绍了一种铁路车辆车架的结构设计及静强度计算与试验。
为了保证车辆行驶的安全性和可靠性，车架的设计必须满足一定的设计和强度要求。
因此本文对车架的设计过程进行了详细描述，包括受力分析和材料选用等方面。
此外，本文还给出了车架的静强度计算方法，包括有限元分析方法和实测数据验证方法。
最后，本文进行了车架的静强度试验，并对试验结果进行了分析与总结。
车架结构设计车架是铁路车辆重要的承载部件，它必须能够承受各种外力和载荷，同时还要保证车辆的运行平稳和安全。
针对铁路客车设计的车架一般采用钢材为主要车架构件，采用焊接、铆接等方式进行组装。
在设计车架时，需要考虑车架的大小、形状、材料、受力情况和构造方式等因素。
此外，车架要保证其整体刚度和稳定性，可通过增加刚支、加固结构和选择适当材料等方式进行优化。
在本文中，我们选用了一辆铁路客车为例，对其车架设计进行了详细描述。
首先进行了受力分析，对车辆行驶时受到的外力和载荷进行了计算，同时还考虑了车架构件自重的影响。
然后根据受力分析结果，确定了车架的结构参数和材料选用。
最终得到了车架的三维模型和构件的详细图纸，为后续的制造和装配提供了基础。
静强度计算静强度计算是车架设计中非常重要的一部分，它可以有效地评估车架在静态负载下的强度和刚度性能。
本文中采用了有限元分析方法和实测数据验证方法进行车架的静强度计算。
有限元分析方法是一种广泛应用于复杂结构强度计算的计算方法。
在车架有限元分析中，我们将车架的几何模型离散化成有限元网格，然后通过数值方法求解结构在不同负载下的应力、应变分布。
有限元分析方法能够分析各种载荷情况下车架的应力分布，评估车架在静负载下的强度。
实测数据验证方法是通过在实际试验中测量车架受力和变形情况，然后将测量结果与有限元计算结果进行比较。
通过比较两者的不同，可以检验有限元模型和计算结果的准确性和合理性。
实测数据验证方法能够检验有限元模型和结果的可靠性，为车架设计提供更准确的理论依据。
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（5）危险截面上各种应力的分布规律图及由此判定各危险点处的应力状态图。 （6）各危险点的主应力大小及主平面位置。 （7）选择强度理论并建立强度条件。 （8）列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程以及必要的说明。 （9）对变形及刚度分析要写明所用的能量法计算过程及必要的内力图和单位力 图。
q 单独作用在 DF 段时：
图 3-17 qdf 单独作用示意图
图 3-18 qdf 单独作用弯矩图 利用图乘法（后述图乘法只给出最终化简结果）：
2qCF
2qCD
2qDF
ql 3
24EI
6l22l3
8l 2
l2 3
4l 2l 24
8l l l 234
3l 3 3
4l 2l 34
2
○6 q 单独作用在 FG 段时：
2
3
43
234
6EI
2
图 3-7 X2 处单位力单独作用示意图
图 3-8 X2 处单位力单独作用弯矩图
○3
F A
单独作用时：
图 3-9 FA 单独作用示意图
图 3-10 FA 单独作用弯矩图
第 9 页 共 39 页
利用图乘法，可以得到：
1FA
1 EI
[FAl1
(l 2
(l
l) 3
2
l ) (l l )2
2F 2FA 2FB 2qCF 2qFG
将上述求得
、
11
、
12
、
21
、
22
、
1F
2F
代入前述力法正则方程，可
得到：
X 1
F c
10516.722N
X 2
F D
43113.161N
分别对 F、G 两端取矩：
MF 0
FA (l1
l2
l3)
X1(l2
l3)
X 2l3
FGl4
FB (l4
图 3-4 基本静定系示意图
第 6 页 共 39 页
为求解两约束反力，本题考虑利用力法正则方程，以下是具体解法：
力法正则方程为：
12
11 X1 12 X 2 1F 0 21 X1 22 X 2 2F 0
欲求解 X1 和 X 2 ，需计算方程中其余各未知系数，即需求出 11 、 12 、 21 、
图 3-3 车架简化图 车架简化图如图 3-3 所示，该结构为三次超静定结构，由于该结构只在竖直 方向受力，在水平方向不受力，故可以 C 处以可动铰支座处理，因此车架进一步 可以简化为二次超静定结构。接着，去掉 C、D 两点处的支座，用竖直向上约束 反力 X1 、 X 2 表示，于是得到本题的一种基本静定系，如图 3-4 所示。
Iz 2
m =3.7558 b2h23 (b2 2t )(h2 2t )3 10-6 4 12
I z 3
m =2.7642 b3h33 (b3 2t )(h3 2t )3 10-6 4 12
之后求解 11 、 12 、 21 、 22 、 1F 、 2F 。
第 7 页 共 39 页
○1 x1 处单位力 1 单独作用时：
4.用能量法求出车架最大挠度 fmax 的值及所发生的截面，画出车架挠曲线的大
致形状。
5.若壁厚 t 不变，取 h / b 1.5 ，按等截面梁重新设计车架截面尺寸。
图 3-1 HZ140TR2 后置旅游车底盘车架简化图力学模型
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3.1 计算各处的支反力
本问的思路图如下：
图 3-2 求解支反力的思路导图
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综上，各固定端支反力为
Fc 10516.722N FD 43113.161N FF 36752.999N FG 17697.118N
3.2 画出车架的内力图：
(1)剪力图：
首先列写剪力方程：
FA
2680
FA
F c
q(x
l) 1
16000x
25436.722
F (x ) Q
FA
F c
F D
q(x
l) 1
16000x
68549.883
FA
Fc
FD
FF
q(x
l) 1
16000x
105302.882
FB 4600
［０，１１. ） ［１１. ，２７. ） ［２７. ，５８. ） ［５８. ，７.４） ［ ７.４ ， ９.5］
利用 matlab 程序可以作出车架的剪力图：
材料力学课程设计
HZ140TR2 后置旅游车底盘车架的静力分析
及强度、刚度计算
姓 名：
吴博宇
学 院：
汽车工程学院
专 业： 工科试验班（车辆工程）
学 号：
42160702
序 号：
190
题 号： 7.1 题 ,数据Ⅱ，序号 5
指导教师：
郭桂凯
日 期：
2018.10.13
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目录
1、设计目的..................................................................... 3 2、设计任务和要求......................................................... 3 3、设计题目..................................................................... 4 4、心得体会................................................................... 30 5、参考文献................................................................... 31 6、附录........................................................................... 32
l5)
ql42 2
q(l2
l3)2 2
0
MG 0
FA (l1
l2
l3
l4)
X1(l2
l3
l4)
X2 (l3
l4 ) FFl4
FBl5
q(l2
l3 2
l4 )2
0
F F
36752.999N
得到
F G
17697.118N
matlab 程序运行结果如下：
图 3-21 支反力 matlab 结果图
3、设计题目
HZ140TR2 后置旅游车底盘车架简化后如图 3-1 所示。满载时，前部受重力 FA 作用，后部受重力 FB 作用，乘客区均布载荷为 q (含部分车身重)，梁为变截面 梁。计算过程中忽略圆角的影响，并把梁抽象为等厚度闭口薄壁矩形截面的阶梯
梁。材料的弹性模量为 E 、许用应力 及有关数据有数表 3-1 给出。
图 3-5 X1 处单位力单独作用示意图
图 3-6 X1 处单位力单独作用弯矩图
利用图乘法，可以得到
11 =
1 EI
(l [2
l )2 3
2
2 3
(l 2
l 3
)
l (l 42
2
l) 3
2 3
(l 2
l )] 3
2
○2 x 2 处单位力 1 单独作用时：
利用图乘法，可以得到：
= 1 22 EI
2
l 2
210
160
2680
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FB / N 4600
表 3-2 设计计算数据（数据Ⅱ，序号 5） q / (N / mm)
16.0
1.计算前簧固定端 C 处、前簧滑板 D 处、后簧固定端 F 处、后簧滑板 G 处的支反 力。 2.画出车架的内力图。 3.画出各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线。
22 、1F 、2F ，本问考虑使用能量法求解以上各值，以下是具体求解过程：
参考《材料力学》公式（附录 A，P430，A-8）：
Iz
z 2dA
A
可以得到题设截面的惯性矩计算公式：
I bh3 (b2t )(h2t )3
z
12
利用 matlab 程序，得到：
即
I z1
m b1h13 (b1 2t )(h1 2t )3 =1.9625 10-6 4 12
图 3-19 qfg 单独作用示意图
图 3-20 qfg 单独作用弯矩图
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利用图乘法（后述图乘法只给出最终化简结果）：
ql 3(l l )
1qFG
42
3
24EI
2
ql l 3
2qFG
34
24EI
2
综○3 ○4 ○5 ○6 ，
1F 1FA 1FB 1qCF 1qFG
图 3-13 qcf 单独作用示意图
图 3-14 qcf 单独作用弯矩图 利用图乘法（后述图乘法只给出最终化简结果）：
3q(l l )4 4q(l l )3l
1qCF
2
3
2
34
24EI
2
q 单独作用在 CD 段时：
图 3-15 qcd 单独作用示意图
图 3-16 qcd 单独作用弯矩图
第 11 页 共 39 页
3 2 3
2
2
2 3
FA(l2
l) 3
2
+
F A
2
(l 1
l 2
l )l 34
2 (l
32