材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)龍門刨床門架計(jì)算
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材料力學(xué)課程設(shè)計(jì) 計(jì)算說明書 設(shè)計(jì)題目： 龍門刨床門架 學(xué)號: 20097601 姓名： 張浩 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 1. 設(shè)計(jì)的目的、任務(wù)及要求。 1.1 材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的。 本課程設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實(shí)際中的問題，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)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的目的。同時(shí)，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)算方法及手段融為一體，即從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計(jì)算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，又為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，使實(shí)際工作能力有所提高。具體有以下六項(xiàng)： （1） 使所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化、完整化。 （2） 在系統(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)際中的問題。 （3） 由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，因而課程設(shè)計(jì)可以把材料力學(xué)知識(shí)與專業(yè)需要結(jié)合起來。 （4） 綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門課程的知識(shí)，使相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來。 （5） 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。 （6） 為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。 1.2 材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 參加設(shè)計(jì)者要系統(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)題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計(jì)算簡圖和內(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，通過計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。 （1）.設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的要求 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書是該題目設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括： ①.設(shè)計(jì)題目的已知條件、所求及零件圖。 ②.畫出結(jié)構(gòu)的受力分析計(jì)算簡圖，按比例標(biāo)明尺寸、載荷及支座等。 ③.靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)和及與之相應(yīng)的全部求和過程。 ④.畫出全部內(nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險(xiǎn)截面。 ⑤.危險(xiǎn)截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)圖。 ⑥.各危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)力大小及主平面的位置。 ⑦.選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。 ⑧.列出全部計(jì)算過程的理論依據(jù)、公式推導(dǎo)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(jì)算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖。 ⑩.疲勞強(qiáng)度計(jì)算部分要說明循環(huán)特性， ， ，r ， ， 的計(jì)算，所查κ，ε，β各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強(qiáng)度校核過程及結(jié)果，并繪出構(gòu)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(jì)算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。 ②.提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的初步方案及設(shè)想。 ③.提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的 措施及建議。 （3）.程序計(jì)算部分的要求 ①.程序框圖。 ②計(jì)算機(jī)程序（含必要的語言說明及標(biāo)識(shí)符說明）。 ③打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計(jì)計(jì)算說明書上）。 2.設(shè)計(jì)題目：龍門刨床門架計(jì)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(xiǎn)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(qiáng)度。（取安全系數(shù)n=3） 2） 求門架上加力點(diǎn)的水平、垂直位移。 數(shù)據(jù)：F=110kN，Me1=50kNm，Me2=47kNm。 設(shè)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(jié)構(gòu)為12次超靜定結(jié)構(gòu)。分析外載荷F、Me1、Me2分別單獨(dú)作用于結(jié)構(gòu)上的情況。 （1） 最大水平切削力F單獨(dú)作用時(shí)，簡化受力圖如圖所示。 由圖可知，該結(jié)構(gòu)是一個(gè)平面—空間系統(tǒng)，因此，在結(jié)構(gòu)的任意橫截面處，作用在此結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的內(nèi)力素均為零，此外，構(gòu)件形狀關(guān)于y軸對稱，外載荷關(guān)于y軸也對稱，所以，在結(jié)構(gòu)對稱面的橫截面處，反對稱內(nèi)力素也為零。 將構(gòu)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(diào)條件，在截開的對稱面處，相對轉(zhuǎn)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(dú)作用下的內(nèi)力圖，如圖所示。 由非圓截面扭轉(zhuǎn)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(jié)果帶入正則方程得： X1=1.57kNm X2=18.29kNm （2）力矩Me1單獨(dú)作用于此結(jié)構(gòu)時(shí)，該結(jié)構(gòu)為平面對稱結(jié)構(gòu)，Me1為反對稱載荷，因此，在結(jié)構(gòu)對稱面的橫截面處，對稱內(nèi)力素等于零。 將構(gòu)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(diào)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(dú)作用下的內(nèi)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(jié)果帶入正則方程得： X3=-2.11kNm X4=60.04kNm （3）力矩Me2單獨(dú)作用于此結(jié)構(gòu)時(shí)，該結(jié)構(gòu)為一個(gè)平面空間系統(tǒng)，作用在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的內(nèi)力素為零，此外，該結(jié)構(gòu)關(guān)于y軸對稱，Me2為作用在其上的對稱載荷，因此，在結(jié)構(gòu)對稱面的橫截面處，反對稱內(nèi)力素等于零。 將構(gòu)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(diào)條件，在截開的對稱面處，相對轉(zhuǎn)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(dú)作用下的內(nèi)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(jié)構(gòu)就化為靜定問題。 4. 門架強(qiáng)度的校核。 由于該結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，故可沿對稱面截出一半，取左半部份對其強(qiáng)度進(jìn)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(jìn)行校核。 4.1.橫梁一的強(qiáng)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(nèi)力分析：畫出內(nèi)力圖，如下圖所示，忽略剪力，根據(jù)內(nèi)力圖確定危險(xiǎn)截面，橫梁一受兩向彎曲，左端截面最危險(xiǎn)。 由于構(gòu)件的材料為灰鑄鐵，是脆性材料，抗壓不抗拉，因此，危險(xiǎn)點(diǎn)為左端截面的A點(diǎn)，如圖所示： Mz,max=X3a=1.266kNm ，My,max=X1=1.57kNm 求得： 3. 強(qiáng)度校核：對A點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析 查表2-1得，灰鑄鐵σb =250MPa，n=3 故許用應(yīng)力 根據(jù)第一強(qiáng)度理論 滿足強(qiáng)度條件，因此橫梁一是安全的。 4.2.橫梁二的強(qiáng)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(nèi)力分析：畫出內(nèi)力圖，確定危險(xiǎn)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(zhuǎn)組合變形，危險(xiǎn)截面為左、右兩端截面， 3. 強(qiáng)度校核： 先對右端截面進(jìn)行校核，根據(jù)應(yīng)力分析，可以判定出截面上可能的危險(xiǎn)點(diǎn)是B,C,D三點(diǎn)。如圖所示 先分析B點(diǎn)，B點(diǎn)處正應(yīng)力最大，但扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為零 。 ， 得出： 由于，所以B點(diǎn)不安全，因而對于C,D點(diǎn)就沒有繼續(xù)校核的必要了，因此，橫梁二不滿足強(qiáng)度條件，是不安全的。 4.3.立柱的強(qiáng)度校核： 1. 外力分析 2. 內(nèi)力分析：畫出內(nèi)力圖，確定危險(xiǎn)截面。 （一）彎矩圖 （二）扭矩圖 由上述內(nèi)力圖可知，立柱受兩向彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形，危險(xiǎn)截面在立柱固定端，可能危險(xiǎn)點(diǎn)是 E、F、G三點(diǎn)，如下圖： 3. 強(qiáng)度校核： (1). 對E點(diǎn)校核，E點(diǎn)切應(yīng)力為0，僅受正應(yīng)力，由此可得： ， 由第一強(qiáng)度理論： 因此E點(diǎn)滿足強(qiáng)度要求，安全。 (2). 對F點(diǎn)校核，F(xiàn)點(diǎn)同時(shí)存在正應(yīng)力和切應(yīng)力。 由閉口薄壁桿件的自由扭轉(zhuǎn)公式： 在F點(diǎn)處取單元體，如圖所示： 所以，由第一強(qiáng)度理論， 滿足強(qiáng)度條件，因此F點(diǎn)安全。 (3). 對G點(diǎn)校核，G點(diǎn)同時(shí)存在正應(yīng)力和切應(yīng)力，類似于F點(diǎn)。 ， ， 由第三強(qiáng)度理論， 于是，滿足強(qiáng)度條件，G點(diǎn)安全。 綜上所述，立柱滿足強(qiáng)度條件。 5.求解門架上加力點(diǎn)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(jìn)措施 由上述校核可知，中間橫梁是不安全的。改進(jìn)方法有： 1. 合理設(shè)計(jì)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(yīng)力強(qiáng)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(dāng)分散。工程實(shí)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(yīng)盡量靠近支座，以減小彎矩，降低應(yīng)力。 3. 選擇合理的截面形狀。梁的合理截面形狀應(yīng)該是：在不加大橫截面面積的條件下，盡量使大一點(diǎn)，即應(yīng)使比值大一些，則這樣的截面就既合理、又經(jīng)濟(jì)。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(yuǎn)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(guān)。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(qiáng)度，可以選擇高強(qiáng)度鑄鋼。 7、 C程序部分。 #include下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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