车床主轴设计材料力学设计.doc

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1、目录一、 材料力学课程设计的目的 -3二、 材料力学课程设计的任务和要求 -3三、 设计题目 -3四、 对主轴静定情况校核 -51. 根据第三强度理论校核 -72. 根据刚度进行校核 -73. 疲劳强度校核 - 13五、 对主轴超静定情况校核 -141. 根据第三强度理论校核 -172. 根据刚度进行校核 -173. 疲劳强度校核 -21六、 循环计算程序 -21七、 课程设计总结 -29一、设计目的材料力学课程设计的目的是在于系统的学习材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学设计的基本原理和计算方法，独立计算工程中的典型零部件，已达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题的能力。同

2、时，可以使我们将材料力学的理论和现代的计算方法及手段融为一体。即从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题，解决问题的能力；即把以前学到的知识综合的运用，又为以后的学习打下了基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。1. 使我们的材料力学知识系统化，完整化。2. 在系统的全面的复习的基础上，运用材料力学的知识解决工程中的实际问题。3. 由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可以把材料力学的知识和专业需要结合起来。4. 综合运用以前所学的各门课程知识，是相关学科知识有机的联系起来。5. 初步了解和掌握工程实践中的设计思想和方法，为以后打下基础。二、设计的任

3、务和要求1. 画出受力分析计算简图和内力图2. 列出理论依据和导出的计算公式3. 独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果4. 完成设计说明书。三、设计题目车床主轴设计-某车床主轴尺寸及受力情况如图1所示。在A、B、C三个支座的中间支座B处，轴承与轴承座之间有间隙，正常工作时，B处轴承不起支撑作用，此时轴处于A、C两支座下的静定状态。当B截面处弯曲变形大于间隙时，轴处于A、B、C三支座下的静不定状态。轴截面E处装有斜齿轮，其法向压力角为，螺旋角为，工作处的切削力有Fx、Fy、Fz（在进行强度、刚度计算时，可以不计轴向力Fx的影响，而以弯曲、扭转变形为主）。轴的材料为优质碳素结构钢（45钢），

4、表面磨削加工，氮化处理。其他已知数据见表1。1、 试按静定梁（A、C支撑）的强度、刚度条件设计等截面空心圆轴外径D(d/D值可见数据表2)，并计算这时轴上B截面处的实际位移。2、 在安装齿轮的E截面处有一铣刀加工的键槽，试校核此截面处的疲劳强度。规定的安全系数n=3（=420，=240）。3、 对静不定情况（A、B、C支撑），同时根据强度、刚度条件设计外径D，并用疲劳强度理论校核。表1： 20100.51503.33.50.0028注意：设计中不考虑轴的旋转静定要求和热变形的影响，并且将各轴承视为刚体，且不产生刚体位移，不考虑制造工艺和尺寸链等因素。表2：（设计计算数据表5）/m/m/mA/m

5、B/mR/m(n/(r/min)P/kw/N/N50.150.510.140.120.160.12454005.20.6540002400图一：四、对主轴静定情况校核由公式可知Me=9549= F= 由斜齿轮受力分析得： F=则有：F=Fsin-Fcos=461.15NF=Fcos+Fsin=1001.86NFb= Fb=640Nm Fb= Fb= 由图1受力分析求支座反力F、F、F、F：= F(L+L)+Fa-640- FL=0 F=1761.02N= F(L+L)+ F(L+L-a)+640+ F( L+L+L)=0 F=-6222.17N= F(L+L)+ Fa+368+ F L=0 F

6、=-1246.501N= F(L+L)+ F(L+L-a)-368- F( L+L+L)=0 F=2544.64N根据已知分别作出Y、Z方向的剪力图与弯矩图，如下图所示：由剪力图及弯矩图可知c点为危险点且： Mc=Nm Me=124.14Nm1.根据第三强度理论校核： 且 代入数据解得： Dm2.由刚度对轴进行校核：利用图乘法对各点进行刚度校核：1) 根据D点刚度计算轴径，在D点分别沿y、z轴加一单位力有扭矩图如下图 E=210I= m2）、根据E点刚度计算轴径，在E点分别沿y、Z轴加一单位力有扭矩图如下图 即：解得：D3m3根据C点刚度计算直径，在C点处加一单位力偶得如下图所示弯矩图： 即：

7、 解得：m 综上所述：D=maxD、D、D、D=6.62m当D= 6.62m时，计算B点的实际位移：（应用图乘法）=-3.疲劳强度校核:若不计键槽对抗弯截面系数的影响，则危险截面处抗弯截面系数：由弯矩M不变可知该循环为对称循环，则有：查表确定铣加工的键槽危险截面处疲劳强度的影响系数： 则： 故E处满足疲劳强度要求。五、对超静定情况进行校核由，故此轴为超静定，且为一次静不定。由变形协调条件可知： 。分别沿y、z轴加一单位力并作、及单位力的弯矩图有： ; 代入上式有： 又;代入上式有：从而求A、C点的支反力有： 做剪力图、 如下所示： 做弯矩图、如下图所示：由上图知C点为危险点： 1）.第三强度理

8、论校核有： 且 代入数据解得：2）.由刚度对轴进行校核：利用图乘法对各点进行刚度校核：根据D点的刚度对主轴进行校核，分别沿Y、Z轴加一单位力得到如下图所示弯矩图：则： 解得：根据E电的刚度对轴校核，有静定情况可知根据C点的刚度对轴校核：在C点分别加一绕Y、Z方向的单位偶有弯矩图如下： 3）疲劳强度校核：由教材图13-10 a)查得由教材图13-10 b)查得 由教材图13-12 查得 ； ；故满足强度条件。六、循环程序 编程如下： #include#include#define Pi 3.1415926float L1,L2,L3,a,b,n,i,Fhy,Fhz,Fay,Faz,Fby=0.0

9、,Fbz=0.0,Fcy,Fcz,Fdy,Fdz,Fey,Fez,Mby,Mbz,Mcy,Mcz,Mey,Mez,P,R,Mdy,Mdz,Te,Td,Mc,w,xxx=150.0f,eee=0.21f,fby,fbz;float fffee=0.00035f,fffdd=0.00033f,aaacc=0.0028f,aMb,aMc,aMe,fffb,aaac,fffbb=0.000005f;float big,SM,SN,SD,Bl,dwfb,ddd;void zaihe()float Ft,Fr,An=20.0f,Bn=10.0,Cn=45;Ft=9549.0f*P/R/n;Fr=(floa

10、t)(Ft*tan(An*Pi/180.0)/cos(Bn*Pi/180.0);Fey=-Fr*cos(Cn*Pi/180.0)+Ft*sin(Cn*Pi/180.0);Fez=Fr*sin(Cn*Pi/180.0)+Ft*cos(Cn*Pi/180.0);Te=Ft*R;Td=-Td;Fdy=Fhy;Fdz=Fhz;Mdy=Fdy*b;Mdz=Fdz*b;void waili()Fay=(-Fey*a+Mdy+Fdy*L3-Fby*L2)/(L1+L2);Fcy=(Mdy+Fdy*(L1+L2+L3)+Fby*L1+Fey*(L1+L2-a)/(L1+L2);Fcz=(Fdz*(L1+L2+

11、L3)+Mdy+Fbz*L1-Fez*(L1+L2-a)/(L1+L2);Faz=(Fez*a+Mdz+Fdz*L3-Fbz*L2)/(L1+L2);Mby=Fay*L1;Mbz=Faz*L1;Mey=Fay*(L1+L2-a)+Fby*(L2-a);Mez=Faz*(L1+L2-a)+Fbz*(L2-a);Mcy=Fay*(L1+L2)+Fby*L2+Fey*a;Mcz=Faz*(L1+L2)+Fbz*L2-Fez*a;void qiangdu()long double Xmax,Xmax1,Xmax3,Xmax2=0.0,Tmax,Mc1,ddd1;Mc1=sqrt(Mcy*Mcy+Mcz

12、*Mcz);Mc=(float)Mc1;Xmax=Mc/w;Tmax=Te/(2*w);Xmax3=Xmax/2.0-sqrt(Xmax/2.0)*(Xmax/2.0)+Tmax*Tmax);Xmax1=Xmax/2.0+sqrt(Xmax/2.0)*(Xmax/2.0)+Tmax*Tmax);ddd1=sqrt(Xmax1-Xmax2)*(Xmax1-Xmax2)/2.0+(Xmax1-Xmax3)*(Xmax1-Xmax3)+(Xmax2-Xmax3)*(Xmax2-Xmax3)/xxx;ddd1=pow(ddd1,0.3333333);ddd1=ddd1/100.0;ddd=(float

13、)ddd1;void naodud()long double fffd1,fffdy,fffdz,ddd1;fffdy=L1*Mby*L1*aMc/(L1+L2)/3.0/eee;fffdy+=(3*Mby*(2*L1+L2-a)+(Mey-Mby)*(3*L1+2*L2-2*a)*aMc*(L2-a)/(L1+L2)/6.0/eee;fffdy+=(3*(2*L1+2*L2-a)*Mey+(Mcy-Mey)*(3*L1+3*L2-a)*aMc*a/(L1+L2)/6.0/eee;fffdy+=(2*Mcy+Mdy)*L3*aMc/6.0/eee;fffdz=L1*Mbz*L1*aMc/(L1

14、+L2)/3.0/eee;fffdz+=(3*Mbz*(2*L1+L2-a)+(Mez-Mbz)*(3*L1+2*L2-2*a)*aMc*(L2-a)/(L1+L2)/6.0/eee;fffdz+=(3*(2*L1+2*L2-a)*Mez+(Mcz-Mez)*(3*L1+3*L2-a)*aMc*a/(L1+L2)/6.0/eee;fffdz+=(2*Mcz+Mdz)*L3*aMc/6.0/eee;fffd1=2*sqrt(fffdy*fffdy+fffdz*fffdz)/w/fffdd;ddd1=pow(fffd1,0.25);ddd1/=1000.0;ddd=(float)ddd1;void

15、 naodue()long double fffe1,fffey,fffez,ddd1;fffey=L1*Mby*L1*aMe/(L1+L2-a)/3.0/eee;fffey+=aMe*(L2-a)*(3*Mby*(2*L1+L2-a)+(Mey-Mby)*(3*L1+2*L2-2*a)/(L1+L2-a)/6.0/eee;fffey+=aMe*a*(2*Mey+Mcy)/6.0/eee;fffez=L1*Mbz*L1*aMe/(L1+L2-a)/3.0/eee;fffez+=aMe*(L2-a)*(3*Mbz*(2*L1+L2-a)+(Mez-Mbz)*(3*L1+2*L2-2*a)/(L1

16、+L2-a)/6.0/eee;fffez+=aMe*a*(2*Mez+Mcz)/6.0/eee;fffe1=2*sqrt(fffey*fffey+fffez*fffez)/w/fffee;ddd1=pow(fffe1,0.25);ddd1/=1000.0;ddd=(float)ddd1;void zhuanjiaoc()long double aaac1,aaacy,aaacz,ddd1;aaacy=L1*Mby*L1*aaac/(L1+L2)/3.0/eee;aaacy+=(3*Mby*(2*L1+L2-a)+(Mey-Mby)*(3*L1+2*L2-2*a)*aaac*(L2-a)/(L1

17、+L2)/6.0/eee;aaacy+=(3*(2*L1+2*L2-a)*Mey+(Mcy-Mey)*(3*L1+3*L2-a)*aaac*a/(L1+L2)/6.0/eee;aaacz=L1*Mbz*L1*aaac/(L1+L2)/3.0/eee;aaacz+=(3*Mbz*(2*L1+L2-a)+(Mez-Mbz)*(3*L1+2*L2-2*a)*aaac*(L2-a)/(L1+L2)/6.0/eee;aaacz+=(3*(2*L1+2*L2-a)*Mez+(Mcz-Mez)*(3*L1+3*L2-a)*aaac*a/(L1+L2)/6.0/eee;aaac1=2*sqrt(aaacy*a

18、aacy+aaacz*aaacz)/w/aaacc;ddd1=pow(aaac1,0.25);ddd1/=1000.0;ddd=(float)ddd1;void weiyib()long double fffb1,fffby,fffbz;float fffb;fffby=Mby*aMb*L1/3.0/eee;fffby+=aMb*(L2-a)*(3*Mby*(L2+a)+(Mey-Mby)*(L2+2*a)/L2/6.0/eee;fffby+=aMb*a*a*(2*Mey+Mcy)*L2/6.0/eee;fffbz=Mbz*aMb*L1/3.0/eee;fffbz+=aMb*(L2-a)*(3

19、*Mbz*(L2+a)+(Mez-Mbz)*(L2+2*a)/L2/6.0/eee;fffbz+=aMb*a*a*(2*Mez+Mcz)*L2/6.0/eee;fffb1=2*sqrt(fffby*fffby+fffbz*fffbz)/w/big/big/big/big;fby=(float)fffby;fbz=(float)fffbz;fffb1/=100000000000;fffb=(float)fffb1;printf(B点的实际位移为：s=%.6fmn,fffb);void fanli()long double Fby0,Fbz0;Fby0=(fby-SD*SD*SD*SD*w*fff

20、bb*1.0e12/2.0)/dwfb;Fbz0=(fbz-SD*SD*SD*SD*w*fffbb*1.0e12/2.0)/dwfb;Fby=(float)Fby0;Fbz=(float)Fbz0;printf(%.2f,%.2fn,Fby,Fbz);void xunhuan()double cha;float big1,big2,big3,big4;dowaili();qiangdu();big1=ddd;big=big1;naodud();big2=ddd;if(bigbig2) big=big2;naodue();big3=ddd;if(bigbig3) big=big3;zhuanji

21、aoc();big4=ddd;if(big=0.0001);printf(超静定情况下的直径：D=%.6fmn,big);int main()float big1,big2,big3,big4,Fby=0.0,Fbz=0.0;printf(请输入原始数据：n);scanf(%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,&L1,&L2,&L3,&a,&b,&R,&n,&P,&i,&Fhy,&Fhz);printf(所输入数据：n);printf(L1=%.2fm,L2=%.2fm,L3=%.2fm,a=%.2fm,b=%.2fm,R=%.2fm,n=%.2fr/min,P=%

22、.2fkw,i=%.2f,Fy=%.2fN,Fz=%.2fNn,L1,L2,L3,a,b,R,n,P,i,Fhy,Fhz);aMb=1*a*L1*L2/(L1+L2);aMc=1*L3;aMe=1*(L1+L2-a)*a/(L1+L2);aaac=1.0;w=(float)(Pi*(1-i*i*i*i)/32.0);zaihe();waili();printf(Te=%.2f,Td=%.2fn,Te,Td);printf(Fdy=%.2f,Fdz=%.2f,Fey=%.2f,Fez=%.2f,Mdy=%.2f,Mdz=%.2fn,Fdy,Fdz,Fey,Fez,Mdy,Mdz);printf(

23、Fay=%.2f,Faz=%.2f,Fby=%.2f,Fbz=%.2f,Fcy=%.2f,Fcz=%.2fn,Fay,Faz,Fby,Fbz,Fcy,Fcz);printf(Mby=%.2f,Mbz=%.2f,Mey=%.2f,Mez=%.2f,Mcy=%.2f,Mcz=%.2fn,Mby,Mbz,Mey,Mez,Mcy,Mcz);qiangdu();printf(由强度条件计算出直径：D1=%.6fn,ddd);big1=(float)ddd;big=big1;naodud();printf(由D点挠度条件计算出直径：D2=%.6fn,ddd);big2=(float)ddd;if(bigb

24、ig2) big=big2;naodue();printf(由E点挠度条件计算出直径：D3=%.6fn,ddd);big3=(float)ddd;if(bigbig3) big=big3;zhuanjiaoc();printf(由C点z转角条件计算出直径：D4=%.6fn,ddd);big4=(float)ddd;if(bigbig4) big=big4;printf(静定条件下直径：D=%.6fmn,big);weiyib();if(big=fffbb) printf(该结构为静定结构n);else printf(该结构为超静定结构n);SM=0.0;SN=big;SD=(SM+SN)/2.

25、0f;dwfb=(L1+L2)*aMb*aMb/eee/3.0f;fanli();xunhuan();printf(人工进行圆整取偶n);system(pause); 运行结果如下：七、课程设计总结本次课程设计涉及到了很多以前学习过的知识，包括材料力学、理论力学、AutoCAD、C语言编程。在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。透过本次课程设计，使我能更熟练的运用所学内容解决实际问题,学习到了课本以外的知识，使得自己的水平不是只停留在期末考试阶段。这次课程设计是我以前学习的一个阶段性总结，从中我看到了自己知识方面的不足和学科综合的重要性。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础此后，我会更加扎实的学习所学课程并广泛涉猎其他学科，在提高专业知识水平的基础上进一步提高自己的综合素质。27