解放CA-10B汽車(chē)前橋在滿(mǎn)載行駛、緊急制動(dòng)和轉(zhuǎn)向側(cè)滑三種工況下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞校核及剛度計(jì)算--第9個(gè)數(shù)據(jù)027 1527 1294 1615--西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)
《解放CA-10B汽車(chē)前橋在滿(mǎn)載行駛、緊急制動(dòng)和轉(zhuǎn)向側(cè)滑三種工況下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞校核及剛度計(jì)算--第9個(gè)數(shù)據(jù)027 1527 1294 1615--西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《解放CA-10B汽車(chē)前橋在滿(mǎn)載行駛、緊急制動(dòng)和轉(zhuǎn)向側(cè)滑三種工況下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞校核及剛度計(jì)算--第9個(gè)數(shù)據(jù)027 1527 1294 1615--西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)(25頁(yè)珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、班級(jí) 姓名 材料力學(xué)課程設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè): 機(jī)制本 班級(jí): 作者: 題目:解放CA-10B汽車(chē)前橋在滿(mǎn)載行駛、緊急制動(dòng)和轉(zhuǎn)向側(cè)滑三種工況下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞校核及剛度計(jì)算 指導(dǎo)老師: 一、 課程設(shè)計(jì)的目的 材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的是在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料力學(xué)后,能結(jié)合工程中的實(shí)際問(wèn)題,運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計(jì)算方法,獨(dú)立地計(jì)算工程中的典型零部件,以達(dá)到綜合運(yùn)用材料力學(xué)的知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題之目的。同時(shí),可以使我們將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)算方法及手段融為一體。既從整
2、體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計(jì)算方法,又提高了分析問(wèn)題,解決問(wèn)題的能力;既把以前所學(xué)的知識(shí)綜合應(yīng)用,又為后繼課程打下基礎(chǔ),并初步掌握工程中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法,對(duì)實(shí)際工作能力有所提高。 1)使所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化,完整化。讓我們?cè)谙到y(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題。 2)綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門(mén)課程的知識(shí)(高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)等),使相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。 3)使我們初步了解和掌握工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 二、 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法,獨(dú)立分析、判斷設(shè)計(jì)題
3、目的已知所求問(wèn)題,畫(huà)出受力分析計(jì)算簡(jiǎn)圖和內(nèi)力圖,列出理論依據(jù)并導(dǎo)出計(jì)算公式,獨(dú)立編制計(jì)算程序,通過(guò)計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果,并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。 三、 設(shè)計(jì)題目 解放CA-10B載貨汽車(chē)前橋的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示(不計(jì)圓角、孔、槽的影響),汽車(chē)的前輪距為L(zhǎng),鋼板彈簧中心距為R,汽車(chē)輪胎的半徑(負(fù)載下或行駛中)為r,前軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(牌號(hào)45),薄壁截面的厚度均為t,有關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。 a) b) 圖1 解放CA-10B汽車(chē)前橋 a) 工程圖 b) 力學(xué)模型 1700 740 490 290 120 280 80
4、 83.5 110 132 92 65 83 70 65 83 120 52 85 95 24 180 70 2 200 120 0.84 0.78 1.8 1.6 0.8 0.1 0.05 表1 固定數(shù)據(jù)表(尺寸單位:mm) 已知汽車(chē)滿(mǎn)載靜止時(shí)前軸左右鋼板彈簧座的載荷為,如圖2所示。 圖2 汽車(chē)滿(mǎn)載靜止時(shí)前橋的力學(xué)簡(jiǎn)圖 下面給出幾種工況時(shí)的受力情況。 1. 動(dòng)載工況 汽車(chē)行駛在不平路面時(shí)受到垂直沖擊,每個(gè)輪胎的支反力變?yōu)?,前輪的行駛?/p>
5、力為,如圖3所示。 圖3 汽車(chē)動(dòng)載時(shí)前橋的力學(xué)簡(jiǎn)圖 2. 制動(dòng)工況 制動(dòng)時(shí),由于減速慣性力的影響,更多的汽車(chē)重量向前橋轉(zhuǎn)移,前橋增載而后橋減載,當(dāng)緊急制動(dòng)時(shí),每個(gè)車(chē)輪的法向載荷增為,每個(gè)車(chē)輪的切向制動(dòng)力為,如圖4所示。 圖4 汽車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)前橋的力學(xué)簡(jiǎn)圖 3. 側(cè)滑工況 汽車(chē)前輪側(cè)向滑移時(shí),兩側(cè)車(chē)輪承受的垂直載荷不同,地面對(duì)輪胎的反力沿軸向,如圖5所示。 圖5 汽車(chē)側(cè)滑時(shí)前橋的力學(xué)簡(jiǎn)圖 要求完成下列問(wèn)題: (1) 畫(huà)出前橋的內(nèi)力圖。 (2) 計(jì)算危險(xiǎn)截面的主應(yīng)力及方位,依據(jù)強(qiáng)度條件進(jìn)行校核。 (3) 定性分析靜載、動(dòng)載、緊急制動(dòng)、側(cè)滑四種工況下前橋的
6、變形特點(diǎn)。 (4) 按圖示簡(jiǎn)化后的變截面結(jié)構(gòu),計(jì)算前橋AK兩截面的相對(duì)垂直位移和在xOy平面內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)角。 注意: a)計(jì)算時(shí)不計(jì)主銷(xiāo)中心距與兩輪距之間尺寸的差異。 b)可將圓弧ABC視為AC直線來(lái)近似計(jì)算。 c)將AG、GS、SJ、JO段分別視為等截面進(jìn)行計(jì)算。 表2 設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù) 1.動(dòng)載工況 2.制動(dòng)工況 /kN /kN /kN /kN 0.27 15.27 12.94 16.15 1、 畫(huà)出前橋的內(nèi)力圖 動(dòng)載工況時(shí),前橋拐角α=arctan HA/ l1≈20.77° 將支反力和行駛阻力分別移至A、D點(diǎn),將FAy分解成沿AC方向和垂直于AC方向
7、的兩力,如下圖所示。 Fa=FAy·Sinα≈5.42 kN Fb= FAy·Cosα≈14.28 kN 對(duì)前橋進(jìn)行受力分析: ΣFy = 0 ;ΣMA = 0 有對(duì)稱(chēng)性知:FAy = FDy ; FKy = FHy 則FAy = FDy = FKy = FHy = 15.27 kN 同理: FAz = FDz = FKz = FHz = 0.27 kN 1、拉力Fn 2、Fz 3、Mz 4、Fy 5、My 6、Me 2、 計(jì)算危險(xiǎn)截面的主應(yīng)力及方位,依據(jù)強(qiáng)度條件進(jìn)行校核 將前橋按照截面形狀分成四段,分別為AG段、GS段、SJ段、JO段。 (1
8、) AG段: 截面為矩形。危險(xiǎn)界面面在G處。受力狀態(tài)為拉及兩向彎曲組合。 Fz = Fcy? ≈ 5.80 kN Fy = Fcz? ≈ 0.11 kN MGz = Mcz·≈1.83 kN·m MGy = Mcy·≈34.66 N·m WGz =≈7.463083× WGy=≈5.844583× σGz =≈24.52Mpa σGy =≈0.59Mpa σ拉 =≈1.00Mpa 由于MGz、MGy、Fn使前橋產(chǎn)生的線應(yīng)變均沿AG方向,故 σmax =σGz +σGy+σ拉=26.11 Mpa < [σ] =180 Mpa 安全。由矩形截面應(yīng)力分布圖知:在
9、矩形截面上切應(yīng)力在中性軸處O點(diǎn)達(dá)到最大,且,O點(diǎn)單元體如圖所示 。 ≈ 1.65 MPa ≈ 0.031 MPa ≈ 1.65 MPa << [τ] =70 MPa 經(jīng)基本校核可知:在AG段正應(yīng)立即切應(yīng)力均滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。 (2) GS段: 截面為工字形??赡艿奈kU(xiǎn)截面在C處和S處,由于S處受力狀況和K處相同且各力均小于K處,故只對(duì)C處進(jìn)行校核。 由內(nèi)力圖知:C處Fz=14.28 kN, Fy=0.27 kN ,Mz=4.43 kN·m ,My=83.75 N·m , Fn= 5.42kN。顯然,C處危險(xiǎn)點(diǎn)為A、B兩點(diǎn),點(diǎn)A受最大拉應(yīng)力,點(diǎn)B受最大壓應(yīng)力。 σAz = ≈
10、71.15Mpa (Ymax為形心軸到底邊的距離) σAy = ≈2.26Mpa σBz = ≈-49.26Mpa σBy = ≈-2.44Mpa σ拉 = ≈1.33Mpa 由于各力產(chǎn)生的線應(yīng)變均沿AC方向,故經(jīng)基本強(qiáng)度校核 σmax =σAz+σAy +σ拉= 74.74Mpa < [σ] =180 Mpa 安全,該段滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。 補(bǔ)充強(qiáng)度校核:在剪力與彎矩都比較大的截面,在其腹板與翼緣交界處,其正應(yīng)力與切應(yīng)力均較大,是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),需按強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。故選取圖示D點(diǎn): σDz = = = 26.64 ( yD = Z - ≈ 18.37mm
11、) σDy = = 0.84 σ拉 =1.33 Mpa σD =σDz +σDx+σ拉 = 28.81 Mpa = ≈12.87 Mpa ( == 6.61 ) =≈ 0.061Mpa (忽略)( ≈2.39 ) D點(diǎn)單元體如下圖所示 按第三強(qiáng)度理論檢驗(yàn)得: ≈38.63 Mpa < [σ] =180 Mpa 安全。 (3) SJ段、JO段: 截面為工字形。由于SK段為兩向彎扭組合并存在兩向剪力、KO段僅為兩向彎組合,且SJ段Iz小于JO段,故危險(xiǎn)界面在K處。顯然,危險(xiǎn)點(diǎn)為A、B兩點(diǎn),點(diǎn)A受最大拉應(yīng)力,點(diǎn)B受最大壓應(yīng)力。 由
12、內(nèi)力圖知:K處Fz=15.27 KN , Fy=0.27 KN ,Mz=7.33 KN·m ,My=135.05 N·m ,Me=29.7 N·m 。 σAz = ≈105.41Mpa (ymax為形心軸到底邊的距離) σAy = ≈0.93Mpa σBz = ≈-65.50Mpa σBy = ≈-2.14Mpa σC =σCz=σAz = ≈105.41Mpa 故σmax =σAz+σAy = 106.34 Mpa 由切應(yīng)力分布圖知:棱角處切應(yīng)力為0,最大切應(yīng)力存在于C點(diǎn),且 τmax= ≈0.370Mpa << [τ] = 70 Mpa 由于τmax很小,忽略不計(jì),故
13、利用A點(diǎn)進(jìn)行校核,σmax < [σ] =180 Mpa 安全。 補(bǔ)充強(qiáng)度校核:在剪力與彎矩都比較大的截面,在其腹板與翼緣交界處,其正應(yīng)力與切應(yīng)力均較大,是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),需按強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。由于該截面尺寸中上邊長(zhǎng)a較下邊長(zhǎng)大的多,選取圖示D、E兩點(diǎn): σDz = = = 57.15 ( yD = Z - ≈ 28.42mm ) σDy = = 0.43 σD =σDz +σDz = 57.58Mpa σEz = = -17.24 ( yE= h - Z - ≈ 8.58 mm ) σEy = -σDy = -0.43 顯然σ
14、E <σD 。 = ≈11.40Mpa ( == 6.54 ) = ≈10.34Mpa < ( == 5.93 ) = =0.040 Mpa (忽略) ( ≈4.79 ) 按第三強(qiáng)度理論檢驗(yàn)得: = ≈61.93 Mpa < [σ] =180 Mpa 安全。 表3.危險(xiǎn)截面參數(shù)表(數(shù)據(jù)由程序得出) 參數(shù) GS SJ JO Z/mm 30.367647 40.423445 29.5 Ymax/mm 42.367647 52.423445 41.5 Iz/ 3.055109× 3.645573× 4.27297
15、× Iy/ 1.275570× 3.77984× 3.46982× It/ 1.926144× σAz/ Mpa 71.15 105.41 σAy/ Mpa 2.26 0.93 σA/ Mpa 74.74 106.34 σBz/ Mpa -49.26 -65.50 σBy/ Mpa -2.44 -2.14 σB/ Mpa -50.37 -67.64 σC/ Mpa 72.48 105.41 τ/ Mpa 0.370 3、 定性分析靜載、動(dòng)載、緊急制動(dòng)、側(cè)滑四種工況下前橋的變形特點(diǎn) 1、靜載
16、:當(dāng)汽車(chē)處于靜載時(shí),前橋只受豎直平面內(nèi)的支持力和車(chē)身重力,會(huì)在豎直平面xOy內(nèi)有微小彎曲和拉伸變形,形變量對(duì)稱(chēng)分布。 2、動(dòng)載:當(dāng)汽車(chē)處于動(dòng)載時(shí),前橋除受到豎直平面內(nèi)的支持力和車(chē)身重力外,還有水平方向的行駛阻力及水平力引起的扭矩,這時(shí)前橋在豎直平面xOy內(nèi)有較大彎曲和拉伸變形,水平面xOz內(nèi)有微小彎曲和扭轉(zhuǎn)變形,形變量對(duì)稱(chēng)分布。 3、緊急制動(dòng): 當(dāng)汽車(chē)處于緊急制動(dòng)時(shí)時(shí),前橋受到豎直平面內(nèi)的支持力和車(chē)身重力,水平平面內(nèi)的較大行駛阻力及水平力引起的扭矩,這時(shí)前橋在豎直平面xOy內(nèi)有較大彎曲和拉伸變形,水平面xOz內(nèi)有較大彎曲和扭轉(zhuǎn)變形,形變量對(duì)稱(chēng)分布。 4、側(cè)滑:汽車(chē)側(cè)滑時(shí),兩輪承受的垂直載
17、荷不同,地面對(duì)輪胎的反力沿軸向,將輪胎受力簡(jiǎn)化至A、D點(diǎn)如下圖所示,在豎直平面xOy內(nèi)前橋受到豎直平面內(nèi)的支持力,地面反力和車(chē)身重力,會(huì)有復(fù)雜的彎曲、拉伸或壓縮變形,變形量不對(duì)稱(chēng),水平面xOz內(nèi)無(wú)形變。 4、 按圖示簡(jiǎn)化后的變截面結(jié)構(gòu),計(jì)算前橋AK 兩截面的相對(duì)垂直位移和在xOy平面內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)角 1、計(jì)算AK兩截面的垂直位移,在AK兩截面施加一對(duì)相對(duì)的單位力1。設(shè)D、K處支反力分別為x、y,方向均豎直向上。 0 ;-0.48 + (0.48+0.74) × x + 1.7y = 0 ; 0 ;-0.48 + 0.74x + 1.22y = 0 ; 求得: x = -1 , y
18、= 1 故施加單位力后,前橋受力如圖所示: 由莫爾積分圖乘法可知: + ; = + = + = 2.287532m+4.282162m = 6.569694mm (其中: = b·h = 5.39× ; = = 4.08× 45#鋼彈性模量為196~216 GPa,取E = 200GPa) =2×Σtc ≈4.710 mm(由附頁(yè)中程序得出) 故4.710mm 即為A、K兩截面的垂直位移。 參數(shù) AG GC CS SK KJ JO a / N·m 0 0.12 0.29 0.44 0.48 0.48 b / N·m
19、 0.12 0.29 0.44 0.48 0.48 0.48 c /kN·m 0 1.82 4.43 6.63 7.33 7.33 d / kN·m 1.82 4.43 6.63 7.33 7.33 7.33 i /× 3.097180 3.055109 3.055109 3.645573 3.645573 4.27297 l /mm 128.34 181.82 148.25 41.75 41.75 328.25 tc /mm 0.0151 0.2002 0.4948 0.1831 0.1995 1.3385 2
20、、計(jì)算AK兩截面在xOy平面內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)角,在A、K處施加一對(duì)相對(duì)的單位力矩1。故施加單位力矩后,前橋受力如圖所示: rad =1.844+9.238+1.337+3.982 rad ≈2.847 rad 即為所求AK兩截面的相對(duì)轉(zhuǎn)角。 4、 計(jì)算m-m截面的疲勞強(qiáng)度,疲勞安全系數(shù)n=3 1、計(jì)算m-m截面應(yīng)力狀態(tài): m-m截面為工字形截面,受力狀態(tài)為兩相彎扭組合,并存在兩向剪力。Fz=15.27 kN , Fy=0.27 kN ,Me=29.7 N·m , Iz =3.055109×,Iy =1.275570×
21、。 It = ≈1.57× Mz=4.43+(7.33-4.43)( ) ≈ 6.11 KN·m My=83.75+(135.05-83.75) ≈113.45N·m ≈84.60 Mpa ≈3.07Mpa =87.67 Mpa ≈81.13 Mpa ≈3.31 Mpa =85.44 Mpa ==84.60 Mpa 故, 由切應(yīng)力分布圖知:棱角處(A、B兩點(diǎn))切應(yīng)力為0,最大切應(yīng)力存在于C點(diǎn),且τmax= ≈0.46Mpa << [τ] = 70 Mpa,由于τmax很小,忽略不計(jì)。 補(bǔ)充強(qiáng)度校核:在剪力與彎矩
22、都比較大的截面,在其腹板與翼緣交界處,其正應(yīng)力與切應(yīng)力均較大,是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),需按強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。 ≈36.68 Mpa ≈1.13 Mpa =37.81Mpa ≈13.74 Mpa (= 6.61) ≈0.065 Mpa (略去) (= 2.39) 故在單元體D處,=37.81 Mpa,=13.74 Mpa 由= 得: ,, =23.375 Mpa 2、計(jì)算疲勞強(qiáng)度: 由汽車(chē)前橋運(yùn)動(dòng)工況知:m-m截面循環(huán)特性為:r = 0。 =87.67 Mpa,=43.84 Mpa, =43.84 Mpa =1.64<3 =23.3
23、75 Mpa,=11.69 Mpa, =11.69 Mpa
=3.94>3
通過(guò)計(jì)算可知:剪應(yīng)力τ滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度條件,而正應(yīng)力σ不滿(mǎn)足,需要進(jìn)行改進(jìn),可采取如下改進(jìn)措施:
(1)、減少應(yīng)力集中,。
(2)、采用強(qiáng)化工藝,提高表面質(zhì)量,。
(3)、采用高強(qiáng)度的材料,。
(4)、采用更加合理的截面,比如將工字型截面換成箱形截面。
附錄
1、 計(jì)算應(yīng)力
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