解放CA－10B汽車前橋在滿載行駛、緊急制動和轉(zhuǎn)向側(cè)滑三種工況下的強度設(shè)計、疲勞校核及剛度計算--第9個數(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

班級 姓名 材料力學(xué)課程設(shè)計專業(yè)： 機制本班級： 作者： 題目：解放CA10B汽車前橋在滿載行駛、緊急制動和轉(zhuǎn)向側(cè)滑三種工況下的強度設(shè)計、疲勞校核及剛度計算指導(dǎo)老師： 一、 課程設(shè)計的目的材料力學(xué)課程設(shè)計的目的是在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料力學(xué)后，能結(jié)合工程中的實際問題，運用材料力學(xué)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(xué)的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使我們將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計算方法及手段融為一體。既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；既把以前所學(xué)的知識綜合應(yīng)用，又為后繼課程打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程中的設(shè)計思想和設(shè)計方法，對實際工作能力有所提高。1）使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化，完整化。讓我們在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運用材料力學(xué)知識解決工程實際問題。2）綜合運用以前所學(xué)的各門課程的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機地聯(lián)系起來。3）使我們初步了解和掌握工程實踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。二、 課程設(shè)計的任務(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，獨立分析、判斷設(shè)計題目的已知所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導(dǎo)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(shè)計計算說明書。三、 設(shè)計題目解放CA10B載貨汽車前橋的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示（不計圓角、孔、槽的影響），汽車的前輪距為L，鋼板彈簧中心距為R，汽車輪胎的半徑（負載下或行駛中）為r，前軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），薄壁截面的厚度均為t，有關(guān)數(shù)據(jù)見表1。a)b)圖1 解放CA10B汽車前橋a) 工程圖 b) 力學(xué)模型17007404902901202808083.5110132926583706583120528595241807022001200.840.781.81.60.80.10.05表1 固定數(shù)據(jù)表（尺寸單位：mm）已知汽車滿載靜止時前軸左右鋼板彈簧座的載荷為，如圖2所示。圖2 汽車滿載靜止時前橋的力學(xué)簡圖下面給出幾種工況時的受力情況。1. 動載工況汽車行駛在不平路面時受到垂直沖擊，每個輪胎的支反力變?yōu)?，前輪的行駛阻力為，如圖3所示。圖3 汽車動載時前橋的力學(xué)簡圖2. 制動工況制動時，由于減速慣性力的影響，更多的汽車重量向前橋轉(zhuǎn)移，前橋增載而后橋減載，當(dāng)緊急制動時，每個車輪的法向載荷增為，每個車輪的切向制動力為，如圖4所示。圖4 汽車緊急制動時前橋的力學(xué)簡圖3. 側(cè)滑工況汽車前輪側(cè)向滑移時，兩側(cè)車輪承受的垂直載荷不同，地面對輪胎的反力沿軸向，如圖5所示。 圖5 汽車側(cè)滑時前橋的力學(xué)簡圖要求完成下列問題：（1） 畫出前橋的內(nèi)力圖。（2） 計算危險截面的主應(yīng)力及方位，依據(jù)強度條件進行校核。（3） 定性分析靜載、動載、緊急制動、側(cè)滑四種工況下前橋的變形特點。（4） 按圖示簡化后的變截面結(jié)構(gòu)，計算前橋AK兩截面的相對垂直位移和在xOy平面內(nèi)的相對轉(zhuǎn)角。注意：a）計算時不計主銷中心距與兩輪距之間尺寸的差異。b）可將圓弧ABC視為AC直線來近似計算。c）將AG、GS、SJ、JO段分別視為等截面進行計算。表2 設(shè)計計算數(shù)據(jù)1.動載工況2.制動工況/kN/kN/kN/kN0.2715.2712.9416.151、 畫出前橋的內(nèi)力圖動載工況時，前橋拐角=arctan HA/ l120.77°將支反力和行駛阻力分別移至A、D點，將FAy分解成沿AC方向和垂直于AC方向的兩力，如下圖所示。Fa=FAy·Sin5.42 kNFb= FAy·Cos14.28 kN對前橋進行受力分析：Fy = 0 ；MA = 0 有對稱性知：FAy = FDy ; FKy = FHy 則FAy = FDy = FKy = FHy = 15.27 kN 同理: FAz = FDz = FKz = FHz = 0.27 kN1、拉力Fn2、Fz3、Mz4、Fy5、My6、Me2、 計算危險截面的主應(yīng)力及方位，依據(jù)強度條件進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） AG段：截面為矩形。危險界面面在G處。受力狀態(tài)為拉及兩向彎曲組合。Fz = Fcy 5.80 kNFy = Fcz 0.11 kNMGz = Mcz·1.83 kN·mMGy = Mcy·34.66 N·mWGz =7.463083×WGy=5.844583×Gz =24.52MpaGy =0.59Mpa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max =Gz +Gy+拉=26.11 Mpa < =180 Mpa 安全。由矩形截面應(yīng)力分布圖知:在矩形截面上切應(yīng)力在中性軸處O點達到最大，且，O點單元體如圖所示 。 1.65 MPa 0.031 MPa 1.65 MPa << =70 MPa經(jīng)基本校核可知:在AG段正應(yīng)立即切應(yīng)力均滿足強度條件。（2） GS段：截面為工字形?？赡艿奈ｋU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C處進行校核。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處危險點為A、B兩點，點A受最大拉應(yīng)力，點B受最大壓應(yīng)力。Az = 71.15Mpa （Ymax為形心軸到底邊的距離） Ay = 2.26MpaBz = -49.26MpaBy = -2.44Mpa拉 = 1.33Mpa 由于各力產(chǎn)生的線應(yīng)變均沿AC方向，故經(jīng)基本強度校核max =Az+Ay +拉= 74.74Mpa < =180 Mpa 安全，該段滿足強度條件。補充強度校核: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)，需按強度理論進行校核。故選取圖示D點:Dz = = = 26.64( yD = Z - 18.37mm ) Dy = = 0.84 拉 =1.33 MpaD =Dz +Dx+拉 = 28.81 Mpa = 12.87 Mpa（ = 6.61 ）= 0.061Mpa （忽略）（ 2.39 ）D點單元體如下圖所示按第三強度理論檢驗得: 38.63 Mpa < =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，故危險界面在K處。顯然，危險點為A、B兩點，點A受最大拉應(yīng)力，點B受最大壓應(yīng)力。由內(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 。Az = 105.41Mpa （ymax為形心軸到底邊的距離） Ay = 0.93MpaBz = -65.50MpaBy = -2.14MpaC =Cz=Az = 105.41Mpa故max =Az+Ay = 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，且max= 0.370Mpa << = 70 Mpa由于max很小，忽略不計，故利用A點進行校核，max < =180 Mpa 安全。補充強度校核: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)，需按強度理論進行校核。由于該截面尺寸中上邊長a較下邊長大的多，選取圖示D、E兩點: Dz = = = 57.15( yD = Z - 28.42mm ) Dy = = 0.43 D =Dz +Dz = 57.58MpaEz = = -17.24( yE= h - Z - 8.58 mm ) Ey = -Dy = -0.43 顯然E <D 。 = 11.40Mpa（ = 6.54 ） = 10.34Mpa < （ = 5.93 ） = =0.040 Mpa （忽略）（ 4.79 ）按第三強度理論檢驗得: = 61.93 Mpa < =180 Mpa 安全。表3.危險截面參數(shù)表（數(shù)據(jù)由程序得出）參數(shù)GSSJJOZ/mm30.36764740.42344529.5Ymax/mm42.36764752.42344541.5Iz/3.055109×3.645573×4.27297×Iy/1.275570×3.77984×3.46982×It/1.926144×Az/ Mpa71.15105.41Ay/ Mpa2.260.93A/ Mpa74.74106.34Bz/ Mpa-49.26-65.50By/ Mpa-2.44-2.14B/ Mpa-50.37-67.64C/ Mpa72.48105.41/ Mpa0.3703、 定性分析靜載、動載、緊急制動、側(cè)滑四種工況下前橋的變形特點1、靜載:當(dāng)汽車處于靜載時，前橋只受豎直平面內(nèi)的支持力和車身重力，會在豎直平面xOy內(nèi)有微小彎曲和拉伸變形，形變量對稱分布。2、動載:當(dāng)汽車處于動載時，前橋除受到豎直平面內(nèi)的支持力和車身重力外，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，形變量對稱分布。3、緊急制動: 當(dāng)汽車處于緊急制動時時，前橋受到豎直平面內(nèi)的支持力和車身重力，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，形變量對稱分布。4、側(cè)滑:汽車側(cè)滑時，兩輪承受的垂直載荷不同，地面對輪胎的反力沿軸向，將輪胎受力簡化至A、D點如下圖所示，在豎直平面xOy內(nèi)前橋受到豎直平面內(nèi)的支持力，地面反力和車身重力，會有復(fù)雜的彎曲、拉伸或壓縮變形，變形量不對稱，水平面xOz內(nèi)無形變。4、 按圖示簡化后的變截面結(jié)構(gòu)，計算前橋AK 兩截面的相對垂直位移和在xOy平面內(nèi)的相對轉(zhuǎn)角1、計算AK兩截面的垂直位移，在AK兩截面施加一對相對的單位力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 = 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196216 GPa，取E = 200GPa） =2×tc 4.710 mm（由附頁中程序得出）故4.710mm即為A、K兩截面的垂直位移。參數(shù)AGGCCSSKKJJOa / N·m00.120.290.440.480.48b / N·m0.120.290.440.480.480.48c /kN·m01.824.436.637.337.33d / kN·m1.824.436.637.337.337.33i /×3.0971803.0551093.0551093.6455733.6455734.27297l /mm128.34181.82148.2541.7541.75328.25tc /mm001510.20020.49480.18310.19951.33852、計算AK兩截面在xOy平面內(nèi)的相對轉(zhuǎn)角，在A、K處施加一對相對的單位力矩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兩截面的相對轉(zhuǎn)角。4、 計算m-m截面的疲勞強度，疲勞安全系數(shù)n=31、計算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×。It = 1.57×Mz=4.43+(7.33-4.43)( ) 6.11 KN·mMy=83.75+(135.05-83.75) 113.45N·m84.60 Mpa 3.07Mpa=87.67 Mpa81.13 Mpa3.31 Mpa=85.44 Mpa =84.60 Mpa 故，由切應(yīng)力分布圖知：棱角處(A、B兩點)切應(yīng)力為0，最大切應(yīng)力存在于C點，且max= 0.46Mpa << = 70 Mpa，由于max很小，忽略不計。補充強度校核: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)，需按強度理論進行校核。 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 Mpa2、計算疲勞強度:由汽車前橋運動工況知:m-m截面循環(huán)特性為:r = 0。=87.67 Mpa，=43.84 Mpa, =43.84 Mpa=1.64<3=23.375 Mpa，=11.69 Mpa, =11.69 Mpa=3.94>3通過計算可知：剪應(yīng)力滿足疲勞強度條件，而正應(yīng)力不滿足，需要進行改進，可采取如下改進措施:(1)、減少應(yīng)力集中，。(2)、采用強化工藝，提高表面質(zhì)量，。(3)、采用高強度的材料，。(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、 計算應(yīng)力#include<stdio.h>#include<math.h>#infefine yita 2.0 /*即為*/#indefine t 0.024float xxz(float a,float b,float h) /*計算形心軸*/ float z; float Iz,Iz1,Iz2,Iz3,Ymax,Wz; z=(a*t*(h-t)+t*(h-2t)*(h-t)/2)÷(a*t+b*t+t*(h-2t); return z;float Ymax(float a,float b,float z) /*計算Ymax*/ if(b<a) Ymax=z+t/2; else Ymax=h-z-t/2; return Ymax;float szgxj(float a,float b,float h) /*計算豎直面內(nèi)慣性矩*/ float z=xxz(float a,float b,float h) Iz1=1/12*a*t3+(h-t-z)2; Iz2=1/12*b*t3+z2*a*t; Iz3=1/12*t*(h-2*t)3+t*(h-2t)*(h-t)÷2-z); Iz=Iz1+Iz2+Iz3; return Iz;float spgxj(float a,float b,float h) /*計算水平面內(nèi)慣性矩*/float Iy,Iy1,Iy2,Iy3; Iy1=1/12*t*a3; Iy2=1/12*t*b3; Iy3=1/12*(h-2*t)*t3; Iy=Iy1+Iy2+Iy3; return Iy;float nzgxj(float a,float b,float h) /*計算扭轉(zhuǎn)慣性矩It*/float it; it=yita*(a+b+h-2*t)*t3/3; return it;void main()float a,b,c； float z,ymax,Iz,Iy,It; float z1,ymax1,Az1,Ay1,A1,Bz1,By1,B1,C1,q1,l1; float Az,Ay,A,Bz,By,B,C,q,l,Mz,My,Me,Fn; /*q為切應(yīng)力，l為拉應(yīng)力*/ printf(“計算截面各項參數(shù)并校核n”);/*計算參數(shù)*/ printf(“請依次輸入工字鋼截面參數(shù)(上下邊長和高度)，單位“m”，以“，”隔開 n”); scanf(“%f,%f,%f”,&a,&b,&h); printf(“截面參數(shù)為 a=%4f，b=%4f,h=%4fn”,a,b,h); z=xxz(a,b,h); /*計算形心軸*/ z1=z*1000; printf("該工字鋼的形心軸為z=%8.6f mmn",z1); ymax=Ymax(a,b,z); ymax1=ymax*1000; printf("該工字鋼的形心軸到上下兩邊的最大距離為Ymax=%8.6f mmn",ymax1); Iz=szgxj(a,b,h); printf("該工字鋼的豎直平面內(nèi)的慣性矩為Iz=%8.6f m4n",Iz); Iy=spgxj(a,b,h); printf("該工字鋼的豎直平面內(nèi)的慣性矩為Iy=%8.6f m4n",Iy);/*輸入受力狀態(tài)*/ printf("請輸入危險截面的受力狀況，依次為Mz,My,Me,Fn,標(biāo)準(zhǔn)單位,以“，”隔開 n”") scanf("%f,%f,%f,%f",&Mz,&My,&Me,&Fn)； Mz/=1000; printf("Mz=%5.2f KN.m,My=%5.2f N.m,Me=%5.2f N.m,Fn=%5.2f N",Mz,My,Me,Fn);/*校核*/ if(Me>0) It=nzgxj(a,b,h); printf("該工字鋼扭轉(zhuǎn)慣性矩為It=%8.6f m4n",It); q=Me*t/It; q1=q/106; printf("該工字鋼的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為=%8.6f MPan",q); else q=0; if(Fn>0) l=Fn÷(a*t+b*t+t*(h-2*t); l1=l/106; printf("該工字鋼截面的拉應(yīng)力為l=%8.6f MPan",l); else l=0; Az=Mz*ymax/Iz; Az1=Az/106; Ay=My*b/(Iy*2); Ay1=Ay/106; A=Az+Ay+l; A1=A/106; printf("該工字鋼截面A點的應(yīng)力狀況為Az=%5.2f MPa,Ay=%5.2f MPa,A=%5.2f MPa",Az1,Ay1,A1); Bz=-1*Mz*(h-ymax)/Iz; Bz1=Bz/106; By=-1*My*a/(Iy*2); By1=By/106; B=Bz+By+l; B1=B/106; printf("該工字鋼截面B點的應(yīng)力狀況為Bz=%5.2f MPa,By=%5.2f MPa,B=%5.2f MPa",Bz1,By1,B1); C=Az+l; C1=C/106; printf("該工字鋼截面C點的應(yīng)力狀況為C=%5.2f MPa,扭轉(zhuǎn)=%5.2f MPa",C1,p1);2、 圖乘計算#include<stdio.h>#include<math.h>#infefine E 200000000000float bjmtc(float a,float b,float c,float d,float l,float i)float tc; l/=1000; c*=1000; d*=1000; i*=10-6; tc=(a*l*(c+d)/2+(b-a)*l*(c+2*(d-c)/3)/2)/(E*i); tc*=103; return tc;void main()float a,b,c,d,l,i,tc; printf("請輸入單位力圖上兩點坐標(biāo)值，單位“N*m”，以“，”隔開n")； scanf("%f,%f",&a,&b); printf("請輸入內(nèi)力圖上兩點坐標(biāo)值，單位“Kn*m”，以“，”隔開n")； scanf("%f,%f",&c,&d); printf("請輸入該段長度，單位“mm”，以“，”隔開n")； scanf("%f",&l); printf("請輸入該段慣性矩，單位“10-6 m4”，以“，”隔開n")； scanf("%f",&i); tc=bjmtc(a,b,c,d,l,i); printf("該段圖乘結(jié)果為%6.4f mm",tc); 設(shè)計體會通過材料力學(xué)的學(xué)習(xí)，使我初步了解材料力學(xué)的任務(wù)是在滿足強度，剛度和穩(wěn)定性的要求下，以最經(jīng)濟的代價，為構(gòu)件確定合理的尺寸，選擇適宜的材料，為構(gòu)件設(shè)計提供了必要的理論基礎(chǔ)和計算方法。而且通過此次的課程設(shè)計，使我對材料力學(xué)知識掌握的更為牢固，并掌握了一定的設(shè)計方法和步驟及解決困難的方法。此后，我會更加扎實的學(xué)習(xí)所學(xué)課程并廣泛涉獵其他學(xué)科，在提高專業(yè)知識水平的基礎(chǔ)上進一步提高自己的綜合素質(zhì)。24