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文檔簡介
1、<p><b> 材料力學課程設計</b></p><p> 題目:龍門刨床門架計算</p><p><b> 一:課程設計的目的</b></p><p> 材料力學課程設計的目的是在于系統(tǒng)學習材料力學后,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,獨立地計算工程中的典型零部件,以達到綜合運
2、用材料力學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;既把以前所學的知識綜合應用,又為后繼課程打下基礎,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。</p><p> 1)使所學的材料力學知識系統(tǒng)化,完整化。讓我們在系統(tǒng)全面復習的基礎上,運用材料力學知識解決工程實際問題。
3、</p><p> 2)綜合運用以前所學的各門課程的知識(高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機等),使相關學科的知識有機地聯(lián)系起來。</p><p> 3)使我們初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法,為后續(xù)課程的學習打下基礎。</p><p> 二:課程設計的任務和要求</p><p> 要系統(tǒng)復習材料力學課程的全部
4、基本理論和方法,獨立分析、判斷設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,并完成設計計算說明書。</p><p> 三:設計題目:龍門刨床門架計算</p><p> 某龍門刨床門架示意圖如圖1-1a所示,可簡化成圖1-1b所示的鋼架,尺寸如圖所示。危險工況有最大水平切削力F,另外有兩種力矩Me1、Me2,作
5、用位置及作用方式如圖1-1b所示。門架材料為灰鑄鐵(HT250)。</p><p> 1.校核門架的強度。(取安全系數(shù)n=3)</p><p> 2.求門架上加力點的水平、垂直位移。</p><p> 設計計算數(shù)據(jù):7-5.2-16Ⅱ F=150kN、 =20kN·m、 =48kN·m</p><p> 1-1a
6、 1-1b</p><p> 1-1c 1-1d</p><p> 四:設計計算書說明書</p><p><b> 4.1.設計分析:</b></p><p> 將三個載荷水平切削力F、兩種力矩Me1、Me
7、2分成三部分單獨作用于構(gòu)件上,分別判斷靜不定次數(shù)、確定基本靜定系、建立多余約束處的正則方程、計算各系數(shù)δij 、△iF,帶入正則方程,求解多余約束力。</p><p> 然后分別對兩根橫梁和立柱進行強度校核。再用圖形互乘法求出加力點的水平和垂直位移。</p><p><b> 4.2.設計方法 </b></p><p> 4.2.1.門架
8、強度的校核</p><p> 將三個載荷水平切削力F、兩種力矩M1、M2分成三部分單獨作用于構(gòu)件上,判斷靜不定次數(shù)、確定基本靜定系、建立多余約束處的正則方程、計算各系數(shù)δij 、△iF,帶入正則方程,求解多余約束力。</p><p> 1、最大水平切削力F單獨作用</p><p> 利用已知結(jié)構(gòu)特點進行簡化如下圖。</p><p>
9、此結(jié)構(gòu)為平面—空間系統(tǒng),因此,在門架的任意橫截面上作用在門架平面內(nèi)的內(nèi)力素都等于零。此外,門架的形狀在門架平面內(nèi)對Y軸式對稱的,載荷作用于中點對Y軸也是對稱的。因此,在鋼架的對稱平面處的橫截面處,反對稱的內(nèi)力素(扭矩和剪力)也都等于零。因而不等于零的僅僅是作用在水平面內(nèi)的彎矩。將門架沿對稱平面揭開作為原超靜定結(jié)構(gòu)的靜定基,并加上兩對多余約束力偶矩X1、X2如圖:</p><p> 建立對稱平面處的變形協(xié)調(diào)條件&
10、lt;/p><p> 在所截開的對稱平面處,不能產(chǎn)生相對的轉(zhuǎn)動,由力法正則方程有</p><p> 畫出由已知力F/2引起的內(nèi)力圖和X1=1、X2=1的單位力引起的內(nèi)力圖,如圖(a)(b)(c)利用圖乘法得: </p><p> 此結(jié)構(gòu)為灰鑄鐵,查資料得:E=100GPa,G=40Gpa</p>
11、;<p> 門架立柱包含非圓截面的扭轉(zhuǎn)問題,</p><p><b> 由圖可知: </b></p><p> 門架寬 =1200mm 高=1600mm;</p><p> 立柱A:H1=400mm B1=300mm H'2=360mm B'2=260mm;</p><p> 橫梁
12、B:h1=200mm b1=120mm h2=180mm b2=100mm;</p><p> 經(jīng)常表得 h/b=1.2,β=0.166 ; h/b=1.5,β=0.196</p><p> 由插入法可得,β1=0.179,β2=0.184</p><p><b> 所以:</b></p><p><b&
13、gt; 立柱非圓截面</b></p><p><b> 橫梁的 =</b></p><p><b> 得:</b></p><p><b> 則:</b></p><p> 2、力矩Me1單獨作用時;</p><p> 門架結(jié)構(gòu)
14、特點于(一)水平切削力F單獨作用時相似,為對稱結(jié)構(gòu)的平面-空間系統(tǒng)。其對稱平面處的橫截面上,反對稱的內(nèi)力素也都等于零。因而不等于零的僅僅是作用于水平面的彎矩My,并加上二對多余約束力偶矩、</p><p> 建立正則方程 </p><p> 畫出由已知力偶矩和令、單位力引起的內(nèi)力圖,利用圖乘法得:</p>
15、<p><b> 立柱: </b></p><p><b> 橫梁:</b></p><p><b> 由正則方程得:</b></p><p> 3、力矩Me2單獨作用時</p><p><b> 如圖所示:</b></p>
16、<p> 門架結(jié)構(gòu)特點于(一)水平切削力F單獨作用時相似,為對稱結(jié)構(gòu)的平面-空間系統(tǒng)。其對稱平面處的橫截面上,反對稱的內(nèi)力素也都等于零。因而不等于零的僅僅是作用于水平面的彎矩My,并加上二對多余約束力偶矩X5、X6</p><p> 建立正則方程 </p><p> 取左半部份分別畫出靜定基在Me2/2
17、,X5=1,X6=1單獨作用下的內(nèi)力圖,利用圖乘法得</p><p><b> Δ5F=0</b></p><p><b> Δ6F=0</b></p><p><b> 于是可得:</b></p><p><b> X5=0</b></p&
18、gt;<p><b> X6=0</b></p><p> 綜(一)(二)(三)得求出所有的多余約束力后,此結(jié)構(gòu)化為靜定問題??蛇M一步校核門架強度問題。</p><p><b> 3.門架強度的校核</b></p><p> 該門架為對稱結(jié)構(gòu),沿對稱平面截開一半進行校核分析。將其分為三部分,兩根橫梁和
19、立柱,分別進行強度校核。</p><p> a.頂部橫梁的強度校核</p><p> 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。</p><p> 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)力圖確定危險截面,橫梁一受兩向彎曲,左端截面最危險。</p><p> 由于構(gòu)件的材料為灰鑄鐵,是脆性材料,抗壓不抗拉,因
20、此,危險點為左端截面的A點,如圖所示:</p><p><b> b、強度校核:</b></p><p> 此構(gòu)件材料為灰鑄鐵,抗壓性能是抗拉性能10倍左右,對端點進行應力分析:</p><p> 查資料得,灰鑄鐵HT250,</p><p><b> ,</b></p>&l
21、t;p><b> <</b></p><p> 故頂部橫梁滿足強度條件,是安全的。</p><p> b.中間橫梁的強度校核</p><p> 1、外力分析:中間橫梁上作用有外載荷,以及約束力X4和約束力偶矩X2</p><p><b> 彎矩圖:</b></p>
22、<p><b> 扭矩圖:</b></p><p> 分析得,此橫梁受雙向彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形,危險截面為端截面。</p><p><b> 3、強度校核:</b></p><p> 取端截面分析,根據(jù)應力分析,A點扭轉(zhuǎn)切應力為零,正應力最大。</p><p> 第一步已求得中間
23、橫梁</p><p><b> 可知:</b></p><p><b> 所以:</b></p><p> 查資料得,灰鑄鐵HT250,</p><p><b> ,</b></p><p><b> <</b>&l
24、t;/p><p> 故頂部橫梁滿足強度條件,是安全的</p><p><b> c.立柱的校核</b></p><p><b> 1、強度校核</b></p><p> 判斷得,A、B、C三點為危險點</p><p><b> ,</b></
25、p><p> 先分析B點,切應力為零,</p><p><b> (80)</b></p><p><b> 由第一強度理論得:</b></p><p> 查資料得,灰鑄鐵HT250,</p><p><b> ,</b></p>&
26、lt;p><b> <</b></p><p><b> 所以B點安全。</b></p><p><b> 分析C點</b></p><p><b> (27.12)</b></p><p> 查資料的閉口薄壁桿件的</p>
27、;<p><b> 得</b></p><p><b> 取單元體如上圖:</b></p><p><b> 所以C點安全</b></p><p><b> 分析A點</b></p><p><b> A點也安全 <
28、/b></p><p> 綜上可得立柱滿足強度條件。</p><p> 4.求門架上加力點的水平和垂直位移</p><p> a.求Z方向水平位移</p><p> 沿力F的方向加一單位力,并畫出單位力引起的內(nèi)力圖,結(jié)合上一步中彎矩圖,根據(jù)圖形互乘法,求得水平位移</p><p><b> 與
29、假設方向相反。</b></p><p> b.求X方向水平位移</p><p> 沿X軸方向加一單位力,并畫出單位力引起的內(nèi)力圖,根據(jù)圖形互乘法,求得</p><p><b> 綜上可得:</b></p><p> 位移量與假設方向相反</p><p><b> c
30、.求垂直位移</b></p><p> 沿Y軸方向加一單位力,并畫出單位力引起的內(nèi)力圖,根據(jù)圖形互乘法,求得</p><p><b> 垂直位移:</b></p><p> 方向與假設方向相反。</p><p><b> 5.分析討論和說明</b></p><
31、p> 由計算結(jié)果分析得,中間橫梁強度不滿足強度條件。結(jié)合受力條件和第二部分計算得出的位移數(shù)據(jù)。整個結(jié)構(gòu)最可能出現(xiàn)不滿足強度條件為中間橫梁的端部。經(jīng)驗結(jié)果與計算結(jié)果基本一致。證明了計算過程中的合理性。</p><p> 該題目大量使用圖乘法,使得設計計算說明書顯得十分冗長,所使用的材料力學有關理論知識具有局限性。</p><p><b> 五.程序設計</b>
32、;</p><p><b> (一)程序的編寫</b></p><p> #include<stdio.h></p><p> #define A E*Ix</p><p> #define B E*Iz2</p><p> #define C E*Iy</p&g
33、t;<p> #define D E*Iz1</p><p> #define H G*It</p><p> #define J l*l*l</p><p> #define K a*a*a</p><p> #define M l*l</p><p> #define N a*
34、a</p><p> #define S l*a</p><p> void main()</p><p> { float E=100e9;</p><p> float G=40e9;</p><p> float X1=7.59e3;</p><p> float
35、 X2=24.269e3;</p><p> float X3=1.65e3;</p><p> float X4=2.144e3;</p><p> float F=1e5;</p><p> float M1=2e4;</p><p> float M2=4.8e4;</p>&
36、lt;p> float Ix=5.89e-4;</p><p> float Iz2=3.73e-4;</p><p> float Iy=3.14e-5;</p><p> float Iz1=1.38e-5;</p><p> float It=7.69e-4;</p><p> flo
37、at a=0.6;</p><p> float l=0.8;</p><p> float x,y,z;</p><p> printf("The displacement of z direction is ");</p><p> z=F*J/(6*A)+F*K/(6*C)+F*N*l/(2*H)-(X1
38、+X2)*S/H-M2*M/(4*A)-X2*N/(2*C);</p><p> printf("%.2e",z);</p><p> printf("\n");</p><p> printf("The displacement of x direction is ");</p>&l
39、t;p> x=M1*M/(4*B)+(X3-X4)*M*a/(2*B);</p><p> printf("%.2e",x);</p><p> printf("\n");</p><p> printf("The displacement of y direction is ");</
40、p><p> y=M1*S/(2*B)+M1*N/(4*D)+(X3-X4)*N*l/B-X4*K/(3*D);</p><p> printf("%.2e",y);</p><p> printf("\n");}</p><p><b> 六、設計總結(jié)</b></p&g
41、t;<p> 通過一學期的《材料力學》的學習,我系統(tǒng)的學習了材料力學中各方面理論知識,知道了材料力學是通過研究、分析材料的力學性能(強度、剛度、穩(wěn)定性)、在復雜工況下的變形特點以及疲勞強度等從而為設計工作奠定基礎的。在這次課程設計中,我學到了很多之前沒有注重到的知識,加深了對一些概念的理解。我是在很多數(shù)據(jù)已知的前提下進行設計的,跟加意識到在實際工作中,有一個深厚的理論基礎,對一個工科人員的重要性。</p>
42、<p><b> 七:參考文獻</b></p><p> [1].聶毓琴,孟廣偉. 材料力學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008</p><p> [2].聶毓琴,吳宏 . 材料力學實驗與課程設計 北京:機械工業(yè)出版社 2010</p><p> [3].譚浩強 C程序設計 北京:清華大學出版社,2009<
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