材料力學課程設計--車架的靜力及強度剛度分析

1、<p><b>　　材料力學課程設計</b></p><p>　　設計題目：HZ140TR2后置旅游車底盤 車架的靜力及強度剛度分析 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　課程設計的目的 …………………………………2</p><p>　　設計題目

2、 …………………………………………2</p><p>　　三、設計計算過程 ……………………………………3</p><p>　　1、計算C、D、F、G處支反力……………………………………………3</p><p>　　2、畫出車架內(nèi)力圖 ………………………………………………………6</p><p>　　3、畫出截面上彎曲正應力最大值沿軸線方向的

3、變化曲線 ……………8</p><p>　　4、求最大撓度并畫出撓度曲線 …………………………………………9</p><p>　　5、按等截面梁重新設計車架截面尺寸…………………………………17</p><p>　　四、程序設計…………………………………………17</p><p>　　五、設計體會…………………………………………20</

4、p><p>　　六、參考書目錄………………………………………20</p><p>　　一、課程設計的目的 </p><p>　　本課程設計的目的是在于系統(tǒng)學習完材料力學之后，能結(jié)合工程中的實際問題，運用材料 力學的基本理論和計算方法，獨立的計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學的知 識解決實際問題的目的。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

5、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，又為后 繼課程（零件、專業(yè)課等）打下基礎，并初步掌握工程中的設計思想和設計方法，對實際工作 能力有所提高。具體的有以下六項： </p><p>　　使學生的材料力學知識系統(tǒng)化完整化； </p><p>　　在全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程中的實際問題； </p><p>

6、　　由于選題力求結(jié)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(jié)合起來； </p><p>　　綜合運用以前所學習的各門課程的知識，使相關學科的只是有機的聯(lián)系起來； </p><p>　　初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法； </p><p>　　為后續(xù)課程的教學打下基礎。 </p><p><b>　　二、設計題

7、目</b></p><p>　　HZ140TR2后置旅游車底盤車架簡化后如下圖所示。</p><p>　　滿載時，前部受重力作用，后部受到重力作用，乘客區(qū)均布載荷為q（含部分車身重），梁為變截面梁。計算過程重忽略圓角的影響，并把梁抽象為等厚度閉口薄壁矩形截面的階梯梁。材料的彈性模量E、許用應力[σ]及有關數(shù)據(jù)由下面數(shù)表給出。</p><p>　　1.計算

8、前簧固定端C處，前簧滑板D處、后簧固定端F處、后簧滑板G處的支反力。</p><p>　　2.畫出車架的內(nèi)力圖。</p><p>　　3.畫出各截面上彎曲正應力最大值沿軸線方向的變化曲線。</p><p>　　4.用能量法求出車架最大撓度的值及所發(fā)生的截面，畫出車架撓曲線的大致形狀。</p><p>　　5.若壁厚t不變，取h/b=1.5，按

9、等截面梁重新設計車架截面尺寸。</p><p><b>　　三、設計計算過程</b></p><p>　　以下計算q=16000, =2680N, =4800N</p><p>　　1.計算前簧固定端C處，前簧滑板D處、后簧固定端F處、后簧滑板G處的支反力。</p><p>　　解：由題得，此連續(xù)梁為三次靜不定結(jié)構(gòu)，但由

10、于水平方向外力為0，所以此機構(gòu)可認為是二次靜不定結(jié)構(gòu)。這樣此結(jié)構(gòu)梁就滿足多跨梁及三彎矩方程的條件。左邊第一支座為固定絞支座，其余均為可動絞支座。</p><p>　　支座編號從左向右依次為0，1，2，3。以中間的兩個支座的約束反力矩為多余約束，取靜定基的每個跨度皆為簡支梁。這些簡支梁在原來的外載荷作用下的彎矩圖如下圖所示。為便于計算，令。</p><p>　　由上圖可知，各個部分形心位置&

11、lt;/p><p>　　a1=/2,a2=b2=/2,b3=/2.</p><p><b>　　由此可得，</b></p><p><b>　　w1=</b></p><p><b>　　w2=</b></p><p><b>　　w3=</

12、b></p><p>　　由上圖可知，各個部分形心位置</p><p>　　a1=/2,a2=b2=/2,b3=/2.</p><p>　　梁在左端和右端分別有外伸部分</p><p><b>　　根據(jù)三彎矩方程：</b></p><p>　　對跨度L1和L2寫出三彎矩方程為：</p&

13、gt;<p>　　對跨度L2和L3寫出三彎矩方程為：</p><p>　　解上面的方程組可得：</p><p>　　求得M1和M2以后，連續(xù)連三個跨度的受力情況如圖所示</p><p>　　可以把它們看成三個靜定梁，而且載荷和端截面上的彎矩（多余約束力）都是已知的，即為原結(jié)構(gòu)的相當系統(tǒng)。對每一跨度都可以求出支反力和彎矩圖，把這些圖連起來就是連續(xù)梁的剪力

14、圖和彎矩圖。</p><p><b>　　對AD段受力分析：</b></p><p><b>　　對DF段受力分析：</b></p><p><b>　　對BF段受力分析：</b></p><p>　　解上述方程組可得各點支反力如下表：</p><p>

15、　　2．畫出車架的內(nèi)力圖</p><p>　　剪力圖。單位（KN）</p><p>　　彎矩圖：單位（N.m）</p><p>　　3．畫出截面上彎曲正應力最大值沿軸線方向的變化曲線</p><p>　　彎曲正應力的最大值為：</p><p><b>　　其中可由公式：求得</b></p&g

16、t;<p>　　各截面上彎曲正應力最大值沿軸線方向的變化曲線如下圖。</p><p>　　4.用能量法求出車架最大撓度的值及所發(fā)生的截面，畫出車架撓曲線的大致形狀。</p><p>　　解：求出車架上特殊點的撓度，其中最大的就是車架最大撓度所在截面。為了便于計算，作出每一個載荷作用下的彎矩圖，然后利用圖乘法和疊加原理求其總和。</p><p>　　根據(jù)

17、上圖，作出每個載荷單獨作用時的彎矩圖：</p><p><b>　　Fa單獨作用時</b></p><p><b>　　Fb單獨作用時</b></p><p><b>　　Nc單獨作用時 </b></p><p>　　Ng單獨作用 </p><p>

18、;　　CD部分均布載荷單獨作用時</p><p>　　DF段均布載荷單獨作用時</p><p><b>　　FG段單獨作用時</b></p><p><b>　　求A點撓度</b></p><p>　　在A端加單位力，彎矩圖如上圖所示。由圖乘法可知：</p><p>　　Fa

19、單獨作用下A點撓度：</p><p>　　Fb單獨作用下A點撓度：</p><p>　　Nc單獨作用下A點撓度：</p><p>　　Ng單獨作用下A點撓度</p><p>　　CD部分均布載荷單獨作用時A點撓度：</p><p>　　DF段均布載荷單獨作用時A點撓度：</p><p>　　FG

20、段均布載荷單獨作用時A點撓度：</p><p><b>　　綜上得： </b></p><p>　　求CD中點E撓度，在E處加單位力1。</p><p>　　Fa單獨作用下CD中點撓度：</p><p>　　Fb單獨作用下CD中點撓度：</p><p>　　Nc單獨作用下CD中點撓度：</p

21、><p>　　Ng單獨作用下CD中點撓度</p><p>　　CD部分均布載荷單獨作用時CD中點撓度：</p><p>　　為便于計算，將CD部分一分為二，分別畫出其彎矩圖。然后圖乘。</p><p>　　DF段均布載荷單獨作用時CD中點撓度：</p><p>　　FG段均布載荷單獨作用時CD中點撓度：</p>

22、<p><b>　　綜上得： </b></p><p>　　求DF中點O撓度，在O處加單位力1。</p><p>　　Fa單獨作用下DF中點撓度：</p><p>　　Fb單獨作用下DF中點撓度：</p><p>　　Nc單獨作用下DF中點撓度：</p><p>　　Ng單獨作用下D

23、F中點撓度</p><p>　　CD部分均布載荷單獨作用時DF中點撓度：</p><p>　　DF段均布載荷單獨作用時DF中點撓度：</p><p>　　FG段均布載荷單獨作用時DF中點撓度：</p><p><b>　　綜上得： </b></p><p>　　求FG中點K撓度，在K處加單位力1。

24、</p><p>　　Fb單獨作用下DF中點撓度：</p><p>　　Fa單獨作用下DF中點撓度：</p><p>　　Nc單獨作用下DF中點撓度：</p><p>　　Ng單獨作用下DF中點撓度</p><p>　　CD部分均布載荷單獨作用時DF中點撓度：</p><p>　　DF段均布載荷

25、單獨作用時DF中點撓度：</p><p>　　FG段均布載荷單獨作用時DF中點撓度</p><p><b>　　綜上得： </b></p><p>　　求B端撓度，在B處加單位力1。</p><p>　　Fa單獨作用下B點撓度：</p><p>　　Fb單獨作用下B點撓度：</p>

26、<p>　　Nc單獨作用下B點撓度：</p><p>　　Ng單獨作用下B點撓度</p><p>　　CD部分均布載荷單獨作用時B點撓度：</p><p>　　DF段均布載荷單獨作用時B點撓度</p><p>　　FG段均布載荷單獨作用時B點撓度：</p><p><b>　　綜上得：</b&

27、gt;</p><p>　　由以上計算，可以得到車架在B端得撓度最大</p><p><b>　　49.5mm</b></p><p>　　車架撓曲線如下圖所示，單位mm.</p><p>　　5.若壁厚t不變，取h/b=1.5，按等截面梁重新設計車架截面尺寸。</p><p>　　解：根據(jù)彎曲正

28、應力的強度條件</p><p>　　由彎矩圖可知，最大彎矩發(fā)生在D點處。</p><p>　　根據(jù)上述方程組，經(jīng)過matlab運算如下：</p><p>　　所以結(jié)果b=0.0833m;h=1.5*b=0.1250m。</p><p><b>　　四、程序設計</b></p><p>　　#inc

29、lude<stdio.h></p><p><b>　　main()</b></p><p>　　{double FA=2680;</p><p>　　double l0=1.1,l1=1.6,l2=3.1,l3=1.6,l4=2.1;</p><p>　　double A1=l1/2,A2=l2/2,B2=

30、l2/2,B3=l3/2;</p><p>　　double M0,M1,M2,M3,w1,w2,w3;</p><p>　　double NC,ND,NF,ND1,ND2,NF1,NF2,NG,FB,q;</p><p>　　double lz1,lz2,lz3;</p><p>　　double b1=0.06,h1=0.1,b2=0.0

31、8,h2=0.12,b3=0.07,h3=0.11,t=0.005; </p><p><b>　　int n;</b></p><p>　　lz1=(b1*h1*h1*h1-(b1-2*t)*(h1-2*t)*(h1-2*t)*(h1-2*t))/12;</p><p>　　lz2=(b2*h2*h2*h2-(b2-2*t)*(h2-2*t

32、)*(h2-2*t)*(h2-2*t))/12;</p><p>　　lz3=(b3*h3*h3*h3-(b3-2*t)*(h3-2*t)*(h3-2*t)*(h3-2*t))/12; </p><p>　　printf("lz1=%e\nlz2=%e\nlz3=%e\n",lz1,lz2,lz3);</p><p>　　printf(

33、"Enter q,FB:\n"); </p><p>　　scanf("%lf,%lf",&q,&FB);</p><p>　　printf("q=%e,FB=%e\n",q,FB);</p><p>　　w1=q*l1*l1*l1/12;</p>&

34、lt;p>　　w2=q*l2*l2*l2/12;</p><p>　　w3=q*l3*l3*l3/12; </p><p>　　M0=-FA*l0;</p><p>　　M3=-FB*l4; </p><p>　　M1=((-6*(w2*A2

35、/l2+w3*B3/l3)-M3*l3)*l2-(-6*(w1*A1/l1+w2*B2/l2)-M0*l1)*2*(l1+l2))/(l2*l2-4*(l1+l2)*(l1+l2));</p><p>　　M2=((-6*(w2*A2/l2+w3*B3/l3)-M3*l3)-M1*l2)/(2*(l1+l2)); </p><p>　　ND1=-(-M0-q*l1

36、*l1/2+M1)/l1; </p><p>　　NC=FA+q*l1-ND1;</p><p>　　NF1=-(-M3-q*l3*l3/2+M2)/l3; </p><p>　　NG=FB+q*l3-NF1;</p><p>　　ND2=-(-q*l2*l2/2+M1-M2)/l2;</p><

37、p>　　NF2=q*l2-ND2;</p><p>　　ND=ND1+ND2;</p><p>　　NF=NF1+NF2;</p><p>　　printf("The result is:\n");</p><p>　　printf("M1=%e\nM2=%e\n",M1,M2);</p&g

38、t;<p>　　printf("FC=%e\nFD=%e\nFF=%e\nFG=%e\n",NC,ND,NF,NG);</p><p>　　printf("FD1=%e\nFD2=%e\nFF2=%e\nFF1=%e\n",ND1,ND2,NF2,NF1);</p><p><b>　　}</b></p>

39、;<p><b>　　C語言運行結(jié)果：</b></p><p>　　2、MATLAB程序</p><p>　　>> clear all</p><p>　　>> syms b;</p><p>　　>> vpa(expand(2.25*b^3/6-((b-0.01)*(

40、1.5*b-0.01)^3)/(9*b)-10.916/160000))</p><p><b>　　ans =</b></p><p>　　0.01125*b^2 - 0.0000000011111111111111111111111111111111/b - 0.000125*b - 0.000067613888888888893821922037524135&l

41、t;/p><p>　　>> p=[0.01125,-0.000125,-0.00006761,-0.00000000111];</p><p>　　>> r=roots(p)</p><p><b>　　r =</b></p><p><b>　　0.0833</b></p

42、><p><b>　　-0.0722</b></p><p><b>　　-0.0000</b></p><p><b>　　五、設計體會</b></p><p>　　材料力學課程設計讓我將C語言、材力知識與autoCAD等相關知識聯(lián)系起來。其次我認識到了自己知識的缺乏，僅是學習課

43、本會做課本上的習題是解決不了工程實際問題的。我目前所學的知識僅僅是可以去做做課后習題，對于實際問題還有些有心無力。在做課程設計的時候，我查了很多資料，利用網(wǎng)絡資源解決了很多問題。另外在材料力學課程設計的過程中，解決工程實際問題的一般方法是把實際問題抽象成力學模型，并通過對力學模型的分析建立平衡方程，從而得到計算結(jié)果。</p><p>　　最后重新設計b與h的時候，用Matlab解一元三次不等式。我只是看了Matl

44、ab軟件解一元三次不等式的相關程序部分，但已足夠解方程。Matlab軟件在解決這類問題上優(yōu)點很突出，如果用C語言則麻煩許多。由此可見，正確選擇工具也是解決問題的捷徑之一。這也要求我們的綜合素質(zhì)要高。未來的路，任重而道遠。</p><p><b>　　六、參考書目錄</b></p><p>　　《材料力學》 聶毓琴 孟廣偉 主編 機械工業(yè)出版社