材料力學課程設計龍門刨床門架計算
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材料力學課程設計 計算說明書 設計題目： 龍門刨床門架 學號: 20097601 姓名： 張浩 指導教師： 完成時間： 1. 設計的目的、任務及要求。 1.1 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 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。具體內容應包括： ①.設計題目的已知條件、所求及零件圖。 ②.畫出結構的受力分析計算簡圖，按比例標明尺寸、載荷及支座等。 ③.靜不定結構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。 ④.畫出全部內力圖，并標明可能的各危險截面。 ⑤.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。 ⑥.各危險點的主應力大小及主平面的位置。 ⑦.選擇強度理論并建立強度條件。 ⑧.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。 ⑨.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力圖和單位力圖。 ⑩.疲勞強度計算部分要說明循環(huán)特性， ， ，r ， ， 的計算，所查κ，ε，β各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強度校核過程及結果，并繪出構件的持久極限曲線。 （2）.分析討論及說明部分的要求 ①.分析計算結果是否合理，并討論其原因、改進措施。 ②.提出改進設計的初步方案及設想。 ③.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 ①.程序框圖。 ②計算機程序（含必要的語言說明及標識符說明）。 ③打印結果（數(shù)據(jù)結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 某龍門刨床門架示意圖如圖①所示，可簡化為圖②所示的鋼架，尺寸如圖②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=50kNm，Me2=47kNm。 設a=0.6m，l=0.8m。 查表得：E=100GPa，G=40GPa。 ① ② ③ ④ 3．超靜定部分分析求解 判斷超靜定次數(shù)，此結構為12次超靜定結構。分析外載荷F、Me1、Me2分別單獨作用于結構上的情況。 （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，該結構是一個平面—空間系統(tǒng)，因此，在結構的任意橫截面處，作用在此結構平面內的內力素均為零，此外，構件形狀關于y軸對稱，外載荷關于y軸也對稱，所以，在結構對稱面的橫截面處，反對稱內力素也為零。 將構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)調條件，在截開的對稱面處，相對轉角為零，由正則方程有 δ11X1＋δ12X2＋Δ1F＝0 δ22X2＋δ21X1＋Δ2F＝0 取左半部份分別畫出靜定基在F/2，X1=1，X2=1單獨作用下的內力圖，如圖所示。 由非圓截面扭轉公式可得立柱的 It＝β1h1b1－β2h2b2＝7.6910-4m4（其中h1=0.4，b1=0.3，h2=0.36，b2=0.26，β1=0.179，β2=0，184） 橫梁對Y軸的慣性矩： Iy=－=3.1410-5 m4（其中h1=0.2，b1=0.12，h2=0.18，b2=0.1） 立柱對X軸的慣性矩： Ix=－=5.8910-4m4（其中h1=0.4，b1=0.3，h2=0.36，b2=0.26） 由圖形互乘法得： δ11==＋=2.4310-7 m4 δ22==＋=2.1710-7 m4 δ12=δ21===2.6010-8 m4 Δ1F==﹣=-8.5810-4m4 Δ2F==-=-4.0110-3 m4 將以上結果帶入正則方程得： X1=1.57kNm X2=18.29kNm （2）力矩Me1單獨作用于此結構時，該結構為平面對稱結構，Me1為反對稱載荷，因此，在結構對稱面的橫截面處，對稱內力素等于零。 將構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)調條件，在截開的對稱面處，相對垂直位移為零，由正則方程有 δ33X3＋δ34X4＋Δ3F＝0 δ44X4＋δ43X3＋Δ4F＝0 取右半部份，分別畫出靜定基在Me1/2，X3=1，X4=1單獨作用下的內力圖，如圖所示。 橫梁對Z軸的慣性矩： =－=1.3810-5 m4（其中h1=0.12，b1=0.2，h2=0.1，b2=0.18） 立柱對Z軸的慣性矩： =－=3.7310-4 m4（其中h1=0.3，b1=0.4，h2=0.26，b2=0.36）由由圖形互乘法得： δ33==＋=6.7610-8 m4 δ44==＋=5.9910-8 m4 δ34=δ43===7.7210-9 m4 Δ3F==-=-3.2110-4 m4 Δ4F==﹣－=﹣3.5810-3 m4 將以上結果帶入正則方程得： X3=-2.11kNm X4=60.04kNm （3）力矩Me2單獨作用于此結構時，該結構為一個平面空間系統(tǒng)，作用在結構平面內的內力素為零，此外，該結構關于y軸對稱，Me2為作用在其上的對稱載荷，因此，在結構對稱面的橫截面處，反對稱內力素等于零。 將構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)調條件，在截開的對稱面處，相對轉角為零，由正則方程有 δ55X5＋δ56X6＋Δ5F＝0 δ66X6＋δ65X5＋Δ6F＝0 取左半部份分別畫出靜定基在Me2/2，X5=1，X6=1單獨作用下的內力圖，如圖所示。 由圖形互乘法得： Δ5F=0，Δ6F=0 于是可得： X5=0 X6=0 綜上可得出所有多余約束力，此結構就化為靜定問題。 4. 門架強度的校核。 由于該結構為對稱結構，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. 內力分析：畫出內力圖，如下圖所示，忽略剪力，根據(jù)內力圖確定危險截面，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=1.266kNm ，My,max=X1=1.57kNm 求得： 3. 強度校核：對A點進行應力分析 查表2-1得，灰鑄鐵σb =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。 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和多余約束力矩X2。 2. 內力分析：畫出內力圖，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 （二）扭矩圖 由上圖可以看出橫梁二受兩向彎曲和扭轉組合變形，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. 內力分析：畫出內力圖，確定危險截面。 （一）彎矩圖 （二）扭矩圖 由上述內力圖可知，立柱受兩向彎曲和扭轉組合變形，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： ， 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(xiàn)點同時存在正應力和切應力。 由閉口薄壁桿件的自由扭轉公式： 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。 ， ， 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。 5.1z軸方向位移，沿F方向加單位力1，如下圖所示： 由上圖，根據(jù)圖形互乘法可得沿F方向的水平位移 （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： （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、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，盡量使大一點，即應使比值大一些，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。 7、 C程序部分。 #include
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