1、材料力学课程设计计算说明书设计题目： 龙门刨床门架 学号: 20097601 姓名： 张浩 指导教师： 完成时间： 1. 设计的目的、任务及要求。1.1 材料力学课程设计的目的。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。同时，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体，即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
2、所提高。具体有以下六项：（1） 使所学的材料力学知识系统化、完整化。（2） 在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际中的问题。（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知识与专业需要结合起来。（4） 综合运用以前所学的各门课程的知识，使相关学科的知识有机地联系起来。（5） 初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。（6） 为后续课程的教学打下基础。1.2 材料力学课程设计的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
3、算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。（1）.设计计算说明书的要求设计计算说明书是该题目设计思路、设计方法和设计结果的说明，要求书写工整，语言简练，条理清晰、明确，表达完整。具体内容应包括：.设计题目的已知条件、所求及零件图。.画出结构的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。.静不定结构要画出所选择的基本静定系统和及与之相应的全部求和过程。.画出全部内力图，并标明可能的各危险截面。.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。.各危险点的主应力大小及主平面的位置。.选择强度理论并建立强度条件。.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。.对变形及刚
4、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。.疲劳强度计算部分要说明循环特性， ， ，r ， ， maxinm的计算，所查 ， 各系数的依据，疲劳强度校核过程及结果，并绘a出构件的持久极限曲线。（2）.分析讨论及说明部分的要求.分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。.提出改进设计的初步方案及设想。.提高强度、刚度及稳定性的 措施及建议。（3）.程序计算部分的要求.程序框图。计算机程序（含必要的语言说明及标识符说明） 。打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上） 。2.设计题目：龙门刨床门架计算某龙门刨床门架示意图如图所示，可简化为图所示的钢架，尺寸如图所示。危险工况有最
5、大切削力 F，另外有两种力矩 Me1、Me2 ，作用位置及作用方式如图所示。门架材料为灰铸铁（HT250） 。1）校核门架的强度。 （取安全系数 n=3）2）求门架上加力点的水平、垂直位移。数据：F=110kN ，Me1=50kNm，M e2=47kNm。设 a=0.6m，l=0.8m。查表得：E=100GPa，G=40GPa。 3超静定部分分析求解判断超静定次数，此结构为 12 次超静定结构。分析外载荷 F、M e1、Me2分别单独作用于结构上的情况。（1） 最大水平切削力 F 单独作用时，简化受力图如图所示。由图可知，该结构是一个平面空间系统，因此，在结构的任意横截面处，作用在此结构平面内
6、的内力素均为零，此外，构件形状关于 y 轴对称，外载荷关于 y 轴也对称，所以，在结构对称面的横截面处，反对称内力素也为零。将构件沿对称面截开作为静定基，加两对多余约束力 X1、X 2，如图所示。建立多余约束处的变形协调条件，在截开的对称面处，相对转角为零，由正则方程有11X112X21F022X221X12F0取左半部份分别画出静定基在 F/2，X1=1，X2=1 单独作用下的内力图，如图所示。由非圆截面扭转公式可得立柱的It1h1b12h2b27.6910 -4m4（其中h1=0.4，b1=0.3，h2=0.36，b2=0.26，1=0.179 ，2=0，184）横梁对 Y 轴的惯性矩：
7、Iy= =3.1410-5 m4（其中 h1=0.2，b1=0.12，h2=0.18，b2=0.1 ）12332立柱对 X 轴的惯性矩：Ix= =5.8910-4m4（其中 h1=0.4，b1=0.3，h2=0.36，b2=0.26 ）31hb32由图形互乘法得：11= = =2.4310-7 m4tyCGIEIMx yEatIl222= = =2.1710-7 m4tyCGIEIMx yEatIl12= 21= = =2.6010-8 m4tIx tl1F= = =-8.5810-4m4tGIx tIFal22F= =- =-4.0110-3 m4tyCIEIMx yEI2tGFal将以上结
8、果带入正则方程得：X1=1.57kNmX2=18.29kNm（2）力矩 Me1 单独作用于此结构时，该结构为平面对称结构，M e1 为反对称载荷，因此，在结构对称面的横截面处，对称内力素等于零。将构件沿对称面截开作为静定基，并加两对多余约束力 X3、X 4，如图所示。建立多余约束处的变形协调条件，在截开的对称面处，相对垂直位移为零，由正则方程有33X334X43F044X443X34F0取右半部份，分别画出静定基在 Me1/2，X3=1，X4=1 单独作用下的内力图，如图所示。横梁对 Z 轴的惯性矩：= =1.3810-5 m4（其中 h1=0.12，b1=0.2，h2=0.1，b2=0.18
9、 ）1zI23hb32立柱对 Z 轴的惯性矩：= =3.7310-4 m4（其中 h1=0.3，b1=0.4，h2=0.26，b2=0.36 ）2zI13hb23由由图形互乘法得：33= = =6.7610-8 m4zCEIM 13za2zEIl44= = =5.9910-8 m4zI 13z2zIl34= 43= = =7.7210-9 m4zCEI 2zla3F= =- =-3.2110-4 m4zIM 21zeIl4F= = =3.5810 -3 m4zCEI 14zeIa21zeEIl将以上结果带入正则方程得：X3=-2.11kNmX4=60.04kNm（3）力矩 Me2 单独作用于此
10、结构时，该结构为一个平面空间系统，作用在结构平面内的内力素为零，此外，该结构关于 y 轴对称，Me2 为作用在其上的对称载荷，因此，在结构对称面的横截面处，反对称内力素等于零。将构件沿对称面截开作为静定基，并加两对多余约束力 X5、X 6，如图所示。建立多余约束处的变形协调条件，在截开的对称面处，相对转角为零，由正则方程有55X556X65F066X665X56F0取左半部份分别画出静定基在 Me2/2，X5=1，X6=1 单独作用下的内力图，如图所示。由图形互乘法得：5F =0，6F=0于是可得：X5=0X6=0综上可得出所有多余约束力，此结构就化为静定问题。4. 门架强度的校核。由于该结构
11、为对称结构，故可沿对称面截出一半，取左半部份对其强度进行校核，如图所示，将其分为三部分：横梁一，横梁二，立柱，分别对其进行校核。4.1.横梁一的强度校核：1.外力分析：横梁一上作用有多余约束力矩 X1和多余约束力 X3。2.内力分析：画出内力图，如下图所示，忽略剪力，根据内力图确定危险截面，横梁一受两向弯曲，左端截面最危险。由于构件的材料为灰铸铁，是脆性材料，抗压不抗拉，因此，危险点为左端截面的 A 点，如图所示：Mz,max=X3a=1.266kNm ，My,max=X 1=1.57kNm求得：3.强度校核：对 A 点进行应力分析查表 2-1 得，灰铸铁 b =250MPa，n=3 故许用应
12、力根据第一强度理论 满足强度条件，因此横梁一是安全的。max14.2.横梁二的强度校核：1.外力分析：横梁二上作用有外载荷 以及多余约束力 X4和多余2,1eMF约束力矩 X2。2.内力分析：画出内力图，确定危险截面。分别画出横梁二的弯矩图以及扭矩图，如下所示： （一）弯矩图 34max0.3mzIWyy 34max11103.2myIWzz MPaMyzA 5.10max,1max,max, MPanb3.8（二）扭矩图由上图可以看出横梁二受两向弯曲和扭转组合变形，危险截面为左、右两端截面，3.强度校核：先对右端截面进行校核，根据应力分析，可以判定出截面上可能的危险点是B,C,D 三点。如图
13、所示先分析 B 点，B 点处正应力最大，但扭转切应力为零 。，得出：由于 ，所以 B 点不安全，因而对于 C,D 点就没有继续校max1核的必要了，因此，横梁二不满足强度条件，是不安全的。4.3.立柱的强度校核：1.外力分析2.内力分析：画出内力图，确定危险截面。（一）弯矩图（二）扭矩图kNXMy 29.82ax, 34max10.3mzIWyy MPWzy 4.160max,ax, kNez 5.21ax,340.yIzz 由上述内力图可知，立柱受两向弯曲和扭转组合变形，危险截面在立柱固定端，可能危险点是 E、F、G 三点，如下图：3. 强度校核：(1). 对 E 点校核，E 点切应力为0
14、，仅受正应力，由此可得：，mkNMx5.23ma, mkNMz 02.36ax,3-axx10.9WzI由第一强度理论：因此 E 点满足强度要求，安全。(2). 对 F 点校核，F 点同时存在正应力和切应力。由闭口薄壁杆件的自由扭转公式：MPaMPaAFWNzx 3.846.2max,ma,max 3max2105.Izz MPawMx 52.8.03.02.142MPaAMNxF 05.1ma, 在 F 点处取单元体，如图所示：所以，由第一强度理论，满足强度条件，因此 F 点安全。(3). 对 G 点校核，G 点同时存在正应力和切应力，类似于 F 点。， ，MPaAWMNz49.16max,
15、由第三强度理论，于是，满足强度条件，G 点安全。综上所述，立柱满足强度条件。5.求解门架上加力点的水平、垂直位移。5.1z 轴方向位移，沿 F 方向加单位力1，如下图所示：MPaPaFF 3.849.1221 MPaMPaG 3.806.221 4.8由上图，根据图形互乘法可得沿 F 方向的水平位移nitxiiniiciiz GIMwEI11（方向与单位力方向相同） 5.2 x 轴方向位移，沿 x 轴方向加单位力1，如图：tyx IalFIaFIlFl 23232m1059.74232421 zzze EIalXEIlaXEIlMnitxiiniiciix GIwEIM11 yxett EIa
16、XEIlMGIalXIalX 221212 （方向与单位力方向相反） 5.3 y 方向位移，沿 y 轴方向加单位力1，如图所示：（方向与单位力方向相同） 6、改进措施由上述校核可知，中间横梁是不安全的。改进方法有：1.合理设计和布置支座。弯矩是引起弯曲变形的主要因素，减小弯矩也就减小应力强度。所以在不影响刨床工作的前提下，减小立柱之间的距离。2.将集中载荷适当分散。工程实际中，若能把集中力变成分散力，也可以去的减小弯矩降低弯曲变形的效果。所以，作用在中间梁上的集中力，应尽量靠近支座，以减小弯矩，降低应力。3.选择合理的截面形状。梁的合理截面形状应该是：在不加大横截面面积的条件下，尽量使 zW大
17、一点，即应使比值 /AzW大一些，则这样的截面就既合理、又经济。经分析知，若将矩形截面中在中性轴附近的材料移至到中性轴较远处，使截面成为工字型及槽型，则它们要比矩形截面更为合理。4.合理选材。弯曲变形还与材料的弹性模量 E 有关。对于不同的材料，E 数值越大弯曲变形越小。所以为提高强度，可以选择高强度铸钢。m037.85nitxiiiciiy GIMwEI1m105.46 142423121 32 zzzzeze EIXaEIalXEIalXIaIalM 7、 C 程序部分。#includevoid main()float h1,h2,b1,b2,I,p1A,p1B,p1C,p=250/3;i
18、nt i;for(i=0;i4;i+)printf(“nInput the h1,b1,h2,b2n“);scanf(“%f,%f,%f,%f“,I=(h1*b1*b1*b1-h2*b2*b2*b2)/12;printf(“I%d=%.2en“,i+1,I);printf(“nInput the p1An“); scanf(“%f“,if(p1Ap)printf(“n1 横梁在 A 安全。n“);else printf(“n1 横梁在 A 不安全。n“);printf(“nInput the p1Bn“); scanf(“%f“,if(p1Bp)printf(“n2 横梁在 B 安全。n“);
19、else printf(“n2 横梁在 B 不安全。n“);printf(“nInput the p1Cn“); scanf(“%f“,if(p1Cp)printf(“n 立柱在 C 安全.n“);else printf(“n 立柱在 C 不安全.n“);8、设计体会材料力学是一门被各个工程广泛应用的学科，是通过理论与实验来进行强度、刚度、稳定性以及材料的力学性能的研究。在保证安全、可靠、经济节省的前提下，为构件选择适当的材料，确定合理的截面形状和尺寸提供基本理论和计算方法。通过这次的课程设计，我对材料力学有了更深一层的认识，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。 对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！9、参考文献1 聂毓琴，孟广伟 .材料力学M.北京：机械工业出版社，2004.2 刘鸿文.材料力学实验M.北京：高等教育出版社，1992.3李苏红等 . CATIA V5 实体造型与工程图设计 北京：科学出版社，20084 C 程序设计 谭浩强著 3 版北京清华大学出版社 2005.7.
