1、材料力学课程设计说明书-7.5-23 龙门刨床班 级：机械 5 班姓 名： 学 号：指导老师：完成时间：2016.09.19目录一设计的目的、任务及要求二设计题目三题目求解1. 约束力求解2. 校核门架的的强度3. 求门架上加力点的水平、垂直位移四C 语言程序部分五CATIA 有限元分析验证计算六设计感想七参考文件一材料力学课程设计的目的、任务及要求。1.设计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，独立的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。同时可以使学生间材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体
2、，既从整体上掌握了基本理论和现代计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识（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，又为后续课程（机械设计、专业课等）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
3、法。为后续课程的教学打下基础。2.设计的任务和要求参加设计者要系统股息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，画出手里分析计算简图和内力图，列出理论依据并到处计算公式，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。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。二设计题目1.已知某龙门刨床门架示意图如图 1 所示，可简化为图 2 所示的钢架，尺寸如图所示。危险工况有最大切削力 F，另外有两种力矩 、 ，作用位置及作用方式如图所示。门架材料为灰铸铁M1M2（HT250） 。（1）
4、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。已知数据：F=230kN =10kNm =45kNm。M1 M2查手册知灰铸铁 HT250 的 E=100GPa，G=40GPa。FMe1M e 2yxz8 0 08 0 01 2 0 0图 1 图 2xz4 0 03 6 0260300图 3 图 42.题目分析：（1）结构中存在两个空间的固定端，和一个空间的封闭结构，所以是 12 次超静定。（2）求解时应运用书 11.5 节中利用结构对称、载荷对称、平面-空间系统的知识进行求解。（3）利用力法正则方程，分别求解 F、 作用下的多余M1、 M2约束力。（4）对横梁
5、及立柱进行校核。（5）利用图形互乘法求解位移。三题目求解1.约束力求解（1）当 F 单独作用时该结构是关于 y 轴是对称结构，F 单独作用时为对称载荷，截面反对称内力素都为零。其次，此结构为平面-空间系统，所以在任意截面上作用于结构平面内的内力也为零。所以，只存在一个作用于 x-z 平面的弯矩。将结构沿着 z-y 平面截开，取左半部分为静定基，分别施加多余约束 于横梁上。令 ，画出力矩图1、 2 1=2=1yz2 0 01 8 0100120如下：X 1 = 111X 2 = 111图 1 图 2 图 3由二次超静定力法正则方程可知：111+122+12=0211+222+22=0对于非圆截面
6、立柱，利用插值法求得，所以1=0.1793， 2=0.0.1845柱 =11132232=7.691044梁 =1311223212=3.14105411=1梁 +柱 =2.4310-722=1梁 +柱 =2.1710-7由位移互等定理可得：12=21=柱 =2.6010-8F / 2F / 2 * 0 . 6F / 2 * 0 . 6F / 2 * 0 . 812=柱 =1.8010322=1梁 柱 =8.39103带入方程组，解得 （ ）1=3.29m 方向与 单 位力方向相同2=38.24m(方向与 单 位力方向相同 )（2）当 单独作用时1该结构是关于 y 轴是对称结构， 单独作用时为
7、反对称载1荷，截面对称内力素都为零。进行受力分析，固定端不存在垂直于结构平面的作用力，所以将结构沿着 z-y 平面截开，只存在一个作用于 y 方向的剪力。取左半部分为静定基，分别施加多余约束 于横梁上。令 ，画出力矩图如下：3、 4 3=4=1M e 1 / 2M e 1 / 2M e 1 / 2X 3 = 10 . 60 . 6X 4 = 10 . 60 . 6由二次超静定力法正则方程可知：333+344+312=0433+444+412=0梁 =1311223212=1.381054柱 =1311223212=3.73104433=11梁 +柱 =6.7610844=11梁 +柱 =5.9
8、9108由位移互等定理可得：34=43=柱 =7.721093=柱 =6.431054=1 1梁 +柱 =7.17104m带入方程组，解得 3=421.51(方向与 单 位力方向相 反 )4=12.02(方向与 单 位力方向相同 )（3）当 单独作用时2该结构是关于 y 轴是对称结构， 单独作用时为对称载荷，2截面反对称内力素都为零。进行受力分析，固定端不存在平行于结构平面的作用力，所以将结构沿着 z-y 平面截开，只存在一个作用于水平面的弯矩。取左半部分为静定基，分别施加多余约束 于横梁上。令 ，画出力矩图如下：5、 6 5=6=1由二次超静定力法正则方程可知：555+566+522=065
9、5+666+622=0M e 2 / 2M e 2 / 2M e 2 / 2X 5 = 11X 6 = 11由图可知，显然 = 0，而 ， ， ， 都不为零，5=6 55566566欲使方程组成立，则有N 5=6=0 m2. 校核门架的强度。（1）顶部梁架的校核由前面计算可知，顶部梁架受到 ， 的作用，为斜弯曲的1 3情况，危险截面在左侧端面，力矩图如图所示：X 1- X 3=-30.6=252.91=1=3.29yzp经过分析，灰铸铁的抗拉性能最差，所以截面 p 点受到两个方向的最大拉应力，为危险点。=梁 +梁 =11.58查资料得 HT250 的 =250Mpa，n=3, 所以 =83.3
10、3MPa =由第一强度理论， ,所以顶部横梁安全。 所以，下端横梁是不安全的。（3）立柱的校核原理同下端横梁的校核，立柱受到 ， , , ， ， 2 12 22 1 2的作用,为两弯、一扭和拉伸的复杂组合。3以及 4弯矩，扭矩以及轴力图如下：弯矩图：F / 2M e 2 / 2M e 1 / 2X 4 * 0 . 6X 3 * 0 . 6扭矩图：F / 2 * 0 . 6X 1X 2轴力图：X 3X 4 + X 3由以上图可知，危险截面在端面。XBAC压拉压拉校核 A 点：A 点只存在正应力。=3+4=11.60kA=0.30.4-0.260.36=0.02642=20.822 =69.50=
11、12 +40.6+30.6=1.96柱 =1311223212=5.891044=柱 +柱 +=38.20106由第一强度理论， ,所以，A 点安全。#define A E*Ix /定义变量#define B E*Iy#define C E*Iz1#define D E*Iz2#define H G*It#define J F/2#define K Me1/2#define N Me2/2void main()int i;float h1,h2,b1,b2,p1,p2,pA,pB,pC,p=250/3;double E,G,a,l,Me1,Me2,F,N1,N2,I5,X1, X2,X3,X4
12、,x,y,z,Ix,Iy,Iz1,Iz2,It;E=100e9; /为变量赋值G=40e9; a=0.6; l=0.8; Me1=1.0e4; Me2=4.5e4; F=2.3e5;N1=0.1793; N2=0.1845; X1=3.29e3;X2=3.824e4; X3=-0.42151e3; X4=1.202e4;for(i=0;i3)I+i=N1*h1*b1*b1*b1-N2*h2*b2*b2*b2;elseI+i=(h1*b1*b1*b1-h2*b2*b2*b2)/12;printf(“I%d=%.2en“,i,Ii);printf(“nInput the p1n“); /为 p1
13、赋值scanf(“%f“,if(p1p) /与许用应力比较，判断是否安全printf(“n 顶部梁架安全。n“);else printf(“n 顶部梁架不安全。n“);printf(“nInput the p2n“); /为 p2 赋值scanf(“%f“,if(p2p) /与许用应力比较，判断是否安全printf(“n 下端横梁在 M 安全。n“);else printf(“n 下端横梁在 M 不安全。n“);printf(“nInput the pA,pB,pCn“); /为 pA,pB,pC 赋值scanf(“%f,%f,%f“, if(pApelse printf(“n 立柱不安全。n
14、“);printf(“n 门架上加力点在 X、Y、Z 轴上的位移依次为 x、y、zn“);Ix=I1; Iy=I2; Iz1=I4; /为变量赋值Iz2=I3; It=I5;x=K*l*l/(2*C)-X4*a*l*l/(2*C)+X3*a*l*l/(2*C); /代入公式求解 x 方向位移printf(“nx=%.2en“,x);y=-K*l*a/C-K*a*a/(2*D)-X3*a*l*a/C+X4*a*l*a/C+X4*a*a*a/(3*D); /代入公式求解 y 方向位移printf(“y=%.2en“,y);z=J*l*2*l*l/(2*3*A)+J*a*2*a*a/(2*3*B)+
15、J*l*a*a/H-X2*l*a/H-X1*l*a/H-N*l*l*2/(3*A)-X2*a*a*2/(3*B); /代入公式求解 z 方向位移printf(“z=%.2en“,z);五CATIA 有限元分析验证计算通过 CATIA 建模，进行有限元分析，可以验证上述计算结果的真实性。首先建模，设置材料，修改材料属性。施加外力，观察变形。图一 变形图生成应力图像：图二 应力张量图图三 范米塞斯应力图由以上验证可知，底部横梁左端面应力最大，也最危险，这与前面的计算结果吻合。六设计感想原以为不太费力的一次课程设计却花费了这么长的时间，真的没想到。没真正入手之前，永远不知道自己有多少个细节没有掌握，
16、永远不知道知识点有多少个漏洞。我在完成课程设计的过程中了解到了一般零件的设计校核过程，使自己对实际工程问题有了一定的认识。在设计过程中，不仅查阅了多种资料，还学习使用了多种软件，如 CATIA，Word，Visio，C语言等，还对 Word 文档进行了独立排版，使自己的计算机水平有所提高，也发现了自己这方面的不足，为日后学习指明了方向。在设计过程中，扩展了自己的视野，同时也培养了自己对机械专业的兴趣，不过也遇到了不少问题，知识的遗忘，数据查询困难等等，但通过不懈的努力都一一克服了，自己也很欣慰。七. 参考文献材料力学 聂毓琴 孟广伟 机械工业出版社材料力学实验与课程设计 聂毓琴 吴宏 机械工业出版社 机械设计手册（第二版） 徐 灏 机械工业出版社 机械设计师手册 王少怀 机械工业出版社
