材料力學課程設計龍門刨床門架計算

材料力學課程設計材料力學課程設計 計算說明書計算說明書 設計題目 設計題目 龍門刨床門架 學號學號 2009760120097601 姓名 姓名 張浩張浩 指導教師 指導教師 完成時間 完成時間 1 設計的目的 任務及要求 設計的目的 任務及要求 1 1 材料力學課程設計的目的 材料力學課程設計的目的 本課程設計是在系統(tǒng)學完材料力學課程之后 結(jié)合工程實際中的問題 運 用材料力學的基本理論和計算方法 獨立地計算工程中的典型零部件 以達到 綜合運用材料力學知識解決工程實際問題的目的 同時 可以使學生將材料力 學的理論和現(xiàn)代計算方法及手段融為一體 即從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代 的計算方法 又提高了分析問題 解決問題的能力 既是對以前所學知識的綜 合運用 又為后續(xù)課程的學習打下基礎 并初步掌握工程設計思想和設計方法 使實際工作能力有所提高 具體有以下六項 1 使所學的材料力學知識系統(tǒng)化 完整化 2 在系統(tǒng)全面復習的基礎上 運用材料力學知識解決工程實際中的問 題 3 由于選題力求結(jié)合專業(yè)實際 因而課程設計可以把材料力學知識與 專業(yè)需要結(jié)合起來 4 綜合運用以前所學的各門課程的知識 使相關學科的知識有機地聯(lián) 系起來 5 初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法 6 為后續(xù)課程的教學打下基礎 1 2 材料力學課程設計的任務和要求材料力學課程設計的任務和要求 參加設計者要系統(tǒng)復習材料力學課程的全部基本理論和方法 獨立分析 判斷設計題目的已知條件和所求問題 畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖 列出 理論依據(jù)并導出計算公式 獨立編制計算程序 通過計算機給出計算結(jié)果 并 完成設計計算說明書 1 設計計算說明書的要求 設計計算說明書是該題目設計思路 設計方法和設計結(jié)果的說明 要求書 寫工整 語言簡練 條理清晰 明確 表達完整 具體內(nèi)容應包括 設計題目的已知條件 所求及零件圖 畫出結(jié)構(gòu)的受力分析計算簡圖 按比例標明尺寸 載荷及支座等 靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)和及與之相應的全部求和過程 畫出全部內(nèi)力圖 并標明可能的各危險截面 危險截面上各種應力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點處的應力狀態(tài)圖 各危險點的主應力大小及主平面的位置 選擇強度理論并建立強度條件 列出全部計算過程的理論依據(jù) 公式推導過程以及必要的說明 對變形及剛度分析要寫明所用的能量法計算過程及必要的內(nèi)力圖和單位 力圖 疲勞強度計算部分要說明循環(huán)特性 r max min m 的計算 所查 各系數(shù)的依據(jù) 疲勞強度校核過程及結(jié)果 并繪 a 出構(gòu)件的持久極限曲線 2 分析討論及說明部分的要求 分析計算結(jié)果是否合理 并討論其原因 改進措施 提出改進設計的初步方案及設想 提高強度 剛度及穩(wěn)定性的 措施及建議 3 程序計算部分的要求 程序框圖 計算機程序 含必要的語言說明及標識符說明 打印結(jié)果 數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設計計算說明書上 2 設計題目 龍門刨床門架計算設計題目 龍門刨床門架計算 某龍門刨床門架示意圖如圖 所示 可簡化為圖 所示的鋼架 尺寸如圖 所示 危險工況有最大切削力 F 另外有兩種力矩 Me1 Me2 作用位置及 作用方式如圖所示 門架材料為灰鑄鐵 HT250 1 校核門架的強度 取安全系數(shù) n 3 2 求門架上加力點的水平 垂直位移 數(shù)據(jù) F 110kN Me1 50kN m Me2 47kN m 設 a 0 6m l 0 8m 查表得 E 100GPa G 40GPa 3 超靜定部分分析求解 超靜定部分分析求解 判斷超靜定次數(shù) 此結(jié)構(gòu)為 12 次超靜定結(jié)構(gòu) 分析外載荷 F Me1 Me2 分別單獨作用于結(jié)構(gòu)上的情況 1 最大水平切削力 F 單獨作用時 簡化受力圖如圖所示 由圖可知 該結(jié)構(gòu)是一個平面 空間系統(tǒng) 因此 在結(jié)構(gòu)的任意橫截面 處 作用在此結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的內(nèi)力素均為零 此外 構(gòu)件形狀關于 y 軸對稱 外載荷關于 y 軸也對稱 所以 在結(jié)構(gòu)對稱面的橫截面處 反對稱內(nèi)力素也 為零 將構(gòu)件沿對稱面截開作為靜定基 加兩對多余約束力 X1 X2 如圖所 示 建立多余約束處的變形協(xié)調(diào)條件 在截開的對稱面處 相對轉(zhuǎn)角為零 由 正則方程有 11X1 12X2 1F 0 22X2 21X1 2F 0 取左半部份分別畫出靜定基在 F 2 X1 1 X2 1 單獨作用下的內(nèi)力圖 如 圖所示 由非圓截面扭轉(zhuǎn)公式可得立柱的 It 1h1b1 2h2b2 7 69 10 4m4 其中 h1 0 4 b1 0 3 h2 0 36 b2 0 26 1 0 179 2 0 184 橫梁對 Y 軸的慣性矩 Iy 3 14 10 5 m4 其中 h1 0 2 b1 0 12 h2 0 18 b2 0 1 12 3 11h b 12 3 22h b 立柱對 X 軸的慣性矩 Ix 5 89 10 4m4 其中 h1 0 4 b1 0 3 h2 0 36 b2 0 26 12 3 11h b 12 3 22h b 由圖形互乘法得 11 2 43 10 7 m4 ty C GIEI M x M y EI a t GI l 2 22 2 17 10 7 m4 ty C GIEI M x M y EI a t GI l 12 21 2 60 10 8 m4 t GI x M t GI l 1F 8 58 10 4m4 t GI x M t GI Fal 2 2F 4 01 10 3 m4 ty C GIEI M x M y EI Fa 4 2 t GI Fal 2 將以上結(jié)果帶入正則方程得 X1 1 57kN m X2 18 29kN m 2 力矩 Me1單獨作用于此結(jié)構(gòu)時 該結(jié)構(gòu)為平面對稱結(jié)構(gòu) Me1為反對 稱載荷 因此 在結(jié)構(gòu)對稱面的橫截面處 對稱內(nèi)力素等于零 將構(gòu)件沿對稱面截開作為靜定基 并加兩對多余約束力 X3 X4 如圖所示 建立多余約束處的變形協(xié)調(diào)條件 在截開的對稱面處 相對垂直位移為零 由正則方程有 33X3 34X4 3F 0 44X4 43X3 4F 0 取右半部份 分別畫出靜定基在 Me1 2 X3 1 X4 1 單獨作用下的內(nèi)力圖 如圖所示 橫梁對 Z 軸的慣性矩 1 38 10 5 m4 其中 h1 0 12 b1 0 2 h2 0 1 b2 0 18 1z I 12 3 11h b 12 3 22h b 立柱對 Z 軸的慣性矩 3 73 10 4 m4 其中 h1 0 3 b1 0 4 h2 0 26 b2 0 36 2z I 12 3 11h b 12 3 22h b 由由圖形互乘法得 33 6 76 10 8 m4 z C EI M 1 3 3 z EI a 2 2 2 z EI la 44 5 99 10 8 m4 z C EI M 1 3 3 z EI a 2 2 z EI la 34 43 7 72 10 9 m4 z C EI M 2 2 z EI la 3F 3 21 10 4 m4 z C EI M 2 1 2 z e EI alM 4F 3 58 10 3 m4 z C EI M 1 1 2 4 z e EI Ma 2 1 2 z e EI alM 將以上結(jié)果帶入正則方程得 X3 2 11kN m X4 60 04kN m 3 力矩 Me2單獨作用于此結(jié)構(gòu)時 該結(jié)構(gòu)為一個平面空間系統(tǒng) 作用在 結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的內(nèi)力素為零 此外 該結(jié)構(gòu)關于 y 軸對稱 Me2為作用在其上的 對稱載荷 因此 在結(jié)構(gòu)對稱面的橫截面處 反對稱內(nèi)力素等于零 將構(gòu)件沿對稱面截開作為靜定基 并加兩對多余約束力 X5 X6 如圖所示 建立多余約束處的變形協(xié)調(diào)條件 在截開的對稱面處 相對轉(zhuǎn)角為零 由 正則方程有 55X5 56X6 5F 0 66X6 65X5 6F 0 取左半部份分別畫出靜定基在 Me2 2 X5 1 X6 1 單獨作用下的內(nèi)力圖 如圖所示 由圖形互乘法得 5F 0 6F 0 于是可得 X5 0 X6 0 綜上可得出所有多余約束力 此結(jié)構(gòu)就化為靜定問題 4 門架強度的校核 門架強度的校核 由于該結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu) 故可沿對稱面截出一半 取左半部份對其強度進 行校核 如圖所示 將其分為三部分 橫梁一 橫梁二 立柱 分別對其進行 校核 4 1 橫梁一的強度校核 1 外力分析 橫梁一上作用有多余約束力矩 X1和多余約束力 X3 2 內(nèi)力分析 畫出內(nèi)力圖 如下圖所示 忽略剪力 根據(jù)內(nèi)力圖確定危險截面 橫梁一受兩向彎曲 左端截面最危險 由于構(gòu)件的材料為灰鑄鐵 是脆性材料 抗壓不抗拉 因此 危險點為左端截 面的 A 點 如圖所示 Mz max X3a 1 266kN m My max X1 1 57kN m 求得 3 強度校核 對 A 點進行應力分析 查表 2 1 得 灰鑄鐵 b 250MPa n 3 故許用應力 根據(jù)第一強度理論 滿足強度條件 因此橫梁一是安全的 max1 4 2 橫梁二的強度校核 1 外力分析 橫梁二上作用有外載荷以及多余約束力 X4和多余 2 2 2 21eeMMF 約束力矩 X2 2 內(nèi)力分析 畫出內(nèi)力圖 確定危險截面 分別畫出橫梁二的彎矩圖以及扭矩 圖 如下所示 一 彎矩圖 34 max 1014 3 m z I W y y 34 max 1 1103 2m y I W z z MPa W M W M y y z z A5 10 max 1 max max MPa n b 3 83 二 扭矩圖 由上圖可以看出橫梁二受兩向彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形 危險截面為左 右兩端截 面 3 強度校核 先對右端截面進行校核 根據(jù)應力分析 可以判定出截面上可能的危險點是 B C D 三點 如圖所示 先分析 B 點 B 點處正應力最大 但扭轉(zhuǎn)切應力為零 得出 由于 所以 B 點不安全 因而對于 C D 點就沒有繼續(xù)校 max1 核的必要了 因此 橫梁二不滿足強度條件 是不安全的 4 3 立柱的強度校核 1 外力分析 2 內(nèi)力分析 畫出內(nèi)力圖 確定危險截面 一 彎矩圖 二 扭矩圖 mkNXMy 29 18 2 max 34 max 1014 3 m z I W y y MPa W M W M z z y y 4 160 max max max mkN M M e z 5 23 2 1 max 34 max 1 103 2m y I W z z 由上述內(nèi)力圖可知 立柱受兩向彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形 危險截面在立柱固定端 可能 危險點是 E F G 三點 如下圖 3 強度校核 1 對 E 點校核 E 點切應力為0 僅受正應力 由此可得 mkNMx 5 23max mkNMz 02 36max 33 max x x102 95Wm z I 由第一強度理論 因此 E 點滿足強度要求 安全 2 對 F 點校核 F 點同時存在正應力和切應力 由閉口薄壁桿件的自由扭轉(zhuǎn)公式 MPaMPa A F W M W M N z z x x 3 8346 24 max max max 33 max 2 105 2m x I W z z MPa w Mx 52 5 28 0 38 0 02 0 2 1024 2 3 MPa A F W MN x x F05 10 max 在 F 點處取單元體 如圖所示 所以 由第一強度理論 滿足強度條件 因此 F 點安全 3 對 G 點校核 G 點同時存在正應力和切應力 類似于 F 點 MPa A F W M N z z G49 16 max 由第三強度理論 于是 滿足強度條件 G 點安全 綜上所述 立柱滿足強度條件 5 求解門架上加力點的水平 垂直位移求解門架上加力點的水平 垂直位移 5 1z 軸方向位移 沿 F 方向加單位力1 如下圖所示 MPaMPa FF 3 8349 12 22 2 2 1 MPaMPa GG 3 8306 20 22 2 2 1 MPa46 8 由上圖 根據(jù)圖形互乘法可得沿 F 方向的水平位移 n i t xii n i i cii z GI Mw EI Mw 11 方向與單位力方向相同 5 2 x 軸方向位移 沿 x 軸方向加單位力1 如圖 tyxGI al Fa EI aaFa EI llFl 23 2 223 2 22 m1059 7 4 2 3 2 4 2 1 2222 zzz e EI al l X EI l l aX EI l l M n i t xii n i i cii x GI Mw EI Mw 11 yx e ttEI a aX EI l l M GI alX GI alX 222 1 2 12 方向與單位力方向相反 5 3 y 方向位移 沿 y 軸方向加單位力1 如圖所示 方向與單位力方向相同 6 6 改進措施 改進措施 由上述校核可知 中間橫梁是不安全的 改進方法有 1 合理設計和布置支座 彎矩是引起彎曲變形的主要因素 減小彎矩也就減小 應力強度 所以在不影響刨床工作的前提下 減小立柱之間的距離 2 將集中載荷適當分散 工程實際中 若能把集中力變成分散力 也可以去的 減小彎矩降低彎曲變形的效果 所以 作用在中間梁上的集中力 應盡量靠近 支座 以減小彎矩 降低應力 3 選擇合理的截面形狀 梁的合理截面形狀應該是 在不加大橫截面面積的條 件下 盡量使 z W 大一點 即應使比值 A z W 大一些 則這樣的截面就既合理 又經(jīng)濟 經(jīng)分析知 若將矩形截面中在中性軸附近的材料移至到中性軸較遠處 使截面成為工字型及槽型 則它們要比矩形截面更為合理 4 合理選材 彎曲變形還與材料的彈性模量 E 有關 對于不同的材料 E 數(shù)值 越大彎曲變形越小 所以為提高強度 可以選擇高強度鑄鋼 m1037 8 5 n i t xii i cii y GI Mw EI Mw 1 m1050 4 6 1 4 2 4 2 3 1 1 2 1 3 2 2222 z zzz e z e EI Xa aa EI alaX EI alaX EI a a M EI al M 7 C 程序部分程序部分 include void main float h1 h2 b1 b2 I p1A p1B p1C p 250 3 int i for i 0 i 4 i printf nInput the h1 b1 h2 b2 n scanf f f f f I h1 b1 b1 b1 h2 b2 b2 b2 12 printf I d 2e n i 1 I printf nInput the p1A n scanf f if p1A p printf n1 橫梁在 A 安全 n else printf n1 橫梁在 A 不安全 n printf nInput the p1B n scanf f if p1B p printf n2 橫梁在 B 安全 n else printf n