1、材料力學課程設計說明書 -7.5-23龍門刨床班 級：機械5班姓 名： 學 號：指導老師：完成時間：2016.09.19目錄一設計的目的、任務及要求二設計題目三題目求解1. 約束力求解2. 校核門架的的強度3. 求門架上加力點的水平、垂直位移四C語言程序部分五CATIA有限元分析驗證計算六設計感想七參考文件一材料力學課程設計的目的、任務及要求。1.設計目的本課程設計是在系統學完材料力學課程之后，結合工程實際中的問題，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知識解決工程實際問題的目的。同時可以使學生間材料力學的理論和現代計算方法及手段融為一體，既從整

2、體上掌握了基本理論和現代計算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學知識（高等數學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機和材料力學等）的綜合運用，又為后續課程（機械設計、專業課等）的學習打下基礎，并初步掌握工程設計思想和設計方法，使實際工作能力提高。具體有以下六項：（1）使所學的材料力學知識系統化、完整化。（2）在系統全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程實際中的問題。（3）由于選題力求結合專業實際，因而課程設計可以把材料力學知識與專業需要結合起來。（4）綜合運用以前所學的各門課程的知識，使相關學科的知識有機地聯系起來。（5）初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法。為后

3、續課程的教學打下基礎。2.設計的任務和要求參加設計者要系統股息材料力學課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設計題目的已知條件和所求問題，畫出手里分析計算簡圖和內力圖，列出理論依據并到處計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機給出計算結果，并完成設計計算說明書。設計計算說明書是該題目設計思路、設計方法和設計結果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達完整。二設計題目1.已知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，尺寸如圖所示。危險工況有最大切削力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）校核門架的強度。（取安

4、全系數n=3）（2）求門架上加力點的水平、垂直位移。已知數據：F=230kN Me1=10kN·m Me2=45kN·m。查手冊知灰鑄鐵HT250的E=100GPa，G=40GPa。 圖1 圖2 圖3 圖42.題目分析：（1）結構中存在兩個空間的固定端，和一個空間的封閉結構，所以是12次超靜定。（2）求解時應運用書11.5節中利用結構對稱、載荷對稱、平面-空間系統的知識進行求解。（3）利用力法正則方程，分別求解F、Me1、Me2作用下的多余約束力。（4）對橫梁及立柱進行校核。（5）利用圖形互乘法求解位移。三題目求解1.約束力求解（1）當F單獨作用時該結構是關于y軸是對稱結構

5、，F單獨作用時為對稱載荷，截面反對稱內力素都為零。其次，此結構為平面-空間系統，所以在任意截面上作用于結構平面內的內力也為零。所以，只存在一個作用于x-z平面的彎矩。將結構沿著z-y平面截開，取左半部分為靜定基，分別施加多余約束X1、X2于橫梁上。令X1=X2=1，畫出力矩圖如下： 圖1 圖2 圖3由二次超靜定力法正則方程可知： 11X1+12X2+1F2=0 21X1+22X2+2F2=0對于非圓截面立柱，利用插值法求得1=0.1793，2=0.0.1845，所以t柱=1h1b13-2h2b23=7.69×10-4m4y梁=b1h1312-b2h2312=3.14×10-

6、5m411=1McEy梁+McxGt柱=2.43×10-7m22=1McEy梁+McxGt柱=2.17×10-7m由位移互等定理可得：12=21=McxGt柱=2.60×10-8m1F2=-McxGt柱=-1.80×10-3m2F2=-1McEy梁-McxGt柱=-8.39×10-3m帶入方程組，解得 X1=3.29kNm（方向與單位力方向相同） X2=38.24kNm(方向與單位力方向相同)（2）當Me1單獨作用時該結構是關于y軸是對稱結構，Me1單獨作用時為反對稱載荷，截面對稱內力素都為零。進行受力分析，固定端不存在垂直于結構平面的作用力，

7、所以將結構沿著z-y平面截開，只存在一個作用于y方向的剪力。取左半部分為靜定基，分別施加多余約束X3、X4于橫梁上。令X3=X4=1，畫出力矩圖如下： 由二次超靜定力法正則方程可知： 33X3+34X4+3Me12=0 43X3+44X4+4Me12=0Iz梁=h1b1312-h2b2312=1.38×10-5m4Iz柱=h1b1312-h2b2312=3.73×10-4m433=1Mc1EIz梁+McEIz柱=6.76×10-8m44=1Mc1EIz梁+McEIz柱=5.99×10-8m由位移互等定理可得：34=43=McEIz柱=7.72*10-9m

8、3F=McEIz柱=-6.43×10-5m4F=1 Mc1EIz梁+McEIz柱=-7.17×10-4m帶入方程組，解得 X3=-421.51N(方向與單位力方向相反) X4=12.02kN(方向與單位力方向相同)（3）當Me2單獨作用時該結構是關于y軸是對稱結構，Me2單獨作用時為對稱載荷，截面反對稱內力素都為零。進行受力分析，固定端不存在平行于結構平面的作用力，所以將結構沿著z-y平面截開，只存在一個作用于水平面的彎矩。取左半部分為靜定基，分別施加多余約束X5、X6于橫梁上。令X5=X6=1，畫出力矩圖如下：由二次超靜定力法正則方程可知： 55X5+56X6+5Me22

9、=0 65X5+66X6+6Me22=0 由圖可知，顯然5F=6F= 0，而55，56，65，66都不為零，欲使方程組成立，則有 X5=X6=0 Nm2. 校核門架的強度。（1）頂部梁架的校核由前面計算可知，頂部梁架受到X1，X3的作用，為斜彎曲的情況，危險截面在左側端面，力矩圖如圖所示：Mzmax=-X3×0.6=252.91Nm Mymax=X1=3.29kNm 經過分析，灰鑄鐵的抗拉性能最差，所以截面p點受到兩個方向的最大拉應力，為危險點。 p=MzmaxyIz梁+MymaxzIy梁=11.58MPa 查資料得HT250的b=250Mpa，n=3,所以=bn=83.33MPa

10、由第一強度理論， p<,所以頂部橫梁安全。 （2）下端橫梁的校核由前面計算可知，頂部梁架受到 F2，Me12,Me22, X2，X4的作用，受到圓軸扭轉和兩個平面彎曲的作用，危險截面在左側端面，力矩圖如圖所示：兩個彎矩圖分別如下 一個扭矩圖如下 經過分析，左端面為危險截面，計算得到：My=F2×0.6-X2=30.76kNmMz=Me12+X4×0.6=12.21kNm 若將My，Mz合成，由于截面為矩形（非圓截面），所以不是平面彎曲。分析知道在M點受到兩個彎矩造成的最大拉應力，所以不妨先取M點進行試校核。由第一強度理論，M=MyzIy梁+MzyIz梁=151.05&

11、gt; 所以，下端橫梁是不安全的。（3）立柱的校核原理同下端橫梁的校核，立柱受到 F2，Me12,Me22, X1， X2，X3以及X4的作用,為兩彎、一扭和拉伸的復雜組合。彎矩，扭矩以及軸力圖如下：彎矩圖：扭矩圖： 軸力圖： 由以上圖可知，危險截面在端面。 校核A點： A點只存在正應力。 FN=X3+X4=11.60kNA=0.3×0.4-0.26×0.36=0.0264m2Mxmax=F2×0.8-Me22=69.50kNmMzmax=-Me12+X4×0.6+X3×0.6=1.96kNmIx柱=h1b1312-h2b2312=5.89&#

12、215;10-4m4max=Mxmax×zIx柱+Mzmax×xIz柱+FNA=38.20×106MPa由第一強度理論，max<,所以，A點安全。 校核B點： B點同時存在正應力和切應力。 By=MzmaxxIz柱+FNA=0.94MPa由教科書P74頁薄壁桿件扭轉切應力計算公式可知：My=F2×0.6-X1-X2=27.47kNm=My2min=27.47×1032×0.4×0.3×0.02=5.72MPa max=By2+By22+2=6.21MPa由第一強度理論，max<,所以，B點安全。校核C點

13、：cy=MxmaxzIx柱+FNA=37.70MPa=My2min=5.72MPa max=Cy2+Cy22+2=38.55MPa由第一強度理論，max<,所以，C點安全。綜上，立柱安全。3. 求門架上加力點的水平、垂直位移。（1）求水平位移求Z方向位移：在門架上加力點沿著Z方向施加一個單位力，力矩圖如圖： 由之前計算得到的內力，分別畫出力矩圖： x柱=b1h1312-b2h2312=5.89×10-4m4運用圖形互乘法求解：z=iMciEIi+iMxciGIti =12×F2×0.63×23E×Iy梁 -X2×0.62

14、5;23E×Iy梁 + 12×F2×0.83×23E×Ix柱-Me22×0.82×23E×Ix柱+F2×0.62×0.8G×It柱-X1×0.6×0.8G×It柱-X2×0.6×0.8G×It柱=0.39m (方向與單位力方向相同) 求X方向位移：在門架上加力點沿著X方向施加一個單位力，力矩圖如圖：運用圖形互乘法求解： x=iMciEIi=Me12×0.82×12E×Iz柱+X3×0.8

15、2×0.6×12E×IZ柱+X4×0.82×0.6×12E×Iz柱=-1.68×10-2m(方向與單位力方向相反)（2）求水平位移求Y方向位移：在門架上加力點沿著Y方向施加一個單位力，力矩圖如圖： 運用圖形互乘法求解： y=iMciEIi=-Me12×0.62×12E×Iz梁+23X4×0.63×12E×IZ梁-Me12×0.8×0.6E×Iz柱-0.6×0.8×0.6×X3EIz柱+0.6

16、15;0.8×0.6×X4EIz柱=1.67×10-4m(方向與單位力方向相同)四C語言程序#include<stdio.h>#define A E*Ix /定義變量#define B E*Iy#define C E*Iz1#define D E*Iz2#define H G*It#define J F/2#define K Me1/2#define N Me2/2void main()int i;float h1,h2,b1,b2,p1,p2,pA,pB,pC,p=250/3;double E,G,a,l,Me1,Me2,F,N1,N2,I5,X1,

17、 X2,X3,X4,x,y,z,Ix,Iy,Iz1,Iz2,It;E=100e9; /為變量賦值G=40e9; a=0.6; l=0.8; Me1=1.0e4; Me2=4.5e4; F=2.3e5;N1=0.1793; N2=0.1845; X1=3.29e3;X2=3.824e4; X3=-0.42151e3; X4=1.202e4;for(i=0;i<5;) /求解慣性矩及Itprintf("nInput the h1,b1,h2,b2n");scanf("%f,%f,%f,%f",&h1,&b1,&h2,&b

18、2);if (i>3)I+i=N1*h1*b1*b1*b1-N2*h2*b2*b2*b2;elseI+i=(h1*b1*b1*b1-h2*b2*b2*b2)/12;printf("I%d=%.2en",i,Ii);printf("nInput the p1n"); /為p1賦值scanf("%f",&p1);if(p1<p) /與許用應力比較，判斷是否安全printf("n頂部梁架安全。n");else printf("n頂部梁架不安全。n");printf("nI

19、nput the p2n"); /為p2賦值scanf("%f",&p2);if(p2<p) /與許用應力比較，判斷是否安全printf("n下端橫梁在M安全。n");else printf("n下端橫梁在M不安全。n");printf("nInput the pA,pB,pCn"); /為pA,pB,pC賦值scanf("%f,%f,%f",&pA,&pB,&pC); if(pA<p&&pB<p&&pC

20、<p) /與許用應力比較，判斷是否安全printf("n立柱安全。n");else printf("n立柱不安全。n");printf("n門架上加力點在X、Y、Z軸上的位移依次為x、y、zn");Ix=I1; Iy=I2; Iz1=I4; /為變量賦值Iz2=I3; It=I5;x=K*l*l/(2*C)-X4*a*l*l/(2*C)+X3*a*l*l/(2*C); /代入公式求解x方向位移printf("nx=%.2en",x);y=-K*l*a/C-K*a*a/(2*D)-X3*a*l*a/C+X4*a*l*a/C+X4*a*a*a/(3*D); /代入公式求解y方向位移printf("y=%.2en",y);z=J*l*2*l*l/(2*3