材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)--龍門刨床門架計(jì)算

1、<p><b>　　材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題目：龍門刨床門架計(jì)算</p><p><b>　　一：課程設(shè)計(jì)的目的</b></p><p>　　材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的是在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料力學(xué)后，能結(jié)合工程中的實(shí)際問題，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)

2、用材料力學(xué)的知識(shí)解決工程實(shí)際問題之目的。同時(shí)，可以使我們將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)算方法及手段融為一體。既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；既把以前所學(xué)的知識(shí)綜合應(yīng)用，又為后繼課程打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，對(duì)實(shí)際工作能力有所提高。</p><p>　　1）使所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化，完整化。讓我們?cè)谙到y(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)際問題。

3、</p><p>　　2）綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門課程的知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來。</p><p>　　3）使我們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，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。</p><p>　　二：課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求</p><p>　　要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部

4、基本理論和方法，獨(dú)立分析、判斷設(shè)計(jì)題目的已知所求問題，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。</p><p>　　三：設(shè)計(jì)題目：龍門刨床門架計(jì)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(xiǎn)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(qiáng)度。（取安全系數(shù)n=3）</p><p>　　2．求門架上加力點(diǎn)的水平、垂直位移。</p><p>　　設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算書說明書</p><p><b>　　4.1.設(shè)計(jì)分析：</b></p><p>　　將三個(gè)載荷水平切削力F、兩種力矩Me1、Me

7、2分成三部分單獨(dú)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(jì)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(duì)兩根橫梁和立柱進(jìn)行強(qiáng)度校核。再用圖形互乘法求出加力點(diǎn)的水平和垂直位移。</p><p><b>　　4.2.設(shè)計(jì)方法 </b></p><p>　　4.2.1.門架

8、強(qiáng)度的校核</p><p>　　將三個(gè)載荷水平切削力F、兩種力矩M1、M2分成三部分單獨(dú)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(jì)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(dú)作用</p><p>　　利用已知結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)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(duì)Y軸式對(duì)稱的，載荷作用于中點(diǎn)對(duì)Y軸也是對(duì)稱的。因此，在鋼架的對(duì)稱平面處的橫截面處，反對(duì)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(duì)稱平面揭開作為原超靜定結(jié)構(gòu)的靜定基，并加上兩對(duì)多余約束力偶矩X1、X2如圖：</p><p>　　建立對(duì)稱平面處的變形協(xié)調(diào)條件&

10、lt;/p><p>　　在所截開的對(duì)稱平面處，不能產(chǎn)生相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dú)作用時(shí)；</p><p>　　門架結(jié)構(gòu)

14、特點(diǎn)于（一）水平切削力F單獨(dú)作用時(shí)相似，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)的平面-空間系統(tǒng)。其對(duì)稱平面處的橫截面上，反對(duì)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(duì)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(dú)作用時(shí)</p><p><b>　　如圖所示：</b></p>

16、<p>　　門架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)于（一）水平切削力F單獨(dú)作用時(shí)相似，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)的平面-空間系統(tǒng)。其對(duì)稱平面處的橫截面上，反對(duì)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(duì)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(dú)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(jìn)一步校核門架強(qiáng)度問題。</p><p><b>　　3.門架強(qiáng)度的校核</b></p><p>　　該門架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，沿對(duì)稱平面截開一半進(jìn)行校核分析。將其分為三部分，兩根橫梁和

19、立柱，分別進(jìn)行強(qiáng)度校核。</p><p>　　a.頂部橫梁的強(qiáng)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(xiǎn)截面，橫梁一受兩向彎曲，左端截面最危險(xiǎn)。</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(xiǎn)點(diǎn)為左端截面的A點(diǎn)，如圖所示：</p><p><b>　　b、強(qiáng)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(duì)端點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)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(qiáng)度條件，是安全的。</p><p>　　b.中間橫梁的強(qiáng)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(xiǎn)截面為端截面。</p><p><b>　　3、強(qiáng)度校核：</b></p><p>　　取端截面分析，根據(jù)應(yīng)力分析，A點(diǎn)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為零，正應(yīng)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(qiáng)度條件，是安全的</p><p><b>　　c.立柱的校核</b></p><p><b>　　1、強(qiáng)度校核</b></p><p>　　判斷得，A、B、C三點(diǎn)為危險(xiǎn)點(diǎn)</p><p><b>　　，</b></

25、p><p>　　先分析B點(diǎn)，切應(yīng)力為零，</p><p><b>　　(80)</b></p><p><b>　　由第一強(qiáng)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(diǎn)安全。</b></p><p><b>　　分析C點(diǎn)</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(diǎn)安全</b></p><p><b>　　分析A點(diǎn)</b></p><p><b>　　A點(diǎn)也安全 <

28、/b></p><p>　　綜上可得立柱滿足強(qiáng)度條件。</p><p>　　4.求門架上加力點(diǎn)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(shè)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(shè)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(shè)方向相反。</p><p><b>　　5.分析討論和說明</b></p><

31、p>　　由計(jì)算結(jié)果分析得，中間橫梁強(qiáng)度不滿足強(qiáng)度條件。結(jié)合受力條件和第二部分計(jì)算得出的位移數(shù)據(jù)。整個(gè)結(jié)構(gòu)最可能出現(xiàn)不滿足強(qiáng)度條件為中間橫梁的端部。經(jīng)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致。證明了計(jì)算過程中的合理性。</p><p>　　該題目大量使用圖乘法，使得設(shè)計(jì)計(jì)算說明書顯得十分冗長，所使用的材料力學(xué)有關(guān)理論知識(shí)具有局限性。</p><p><b>　　五.程序設(shè)計(jì)</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(shè)計(jì)總結(jié)</b></p&g

41、t;<p>　　通過一學(xué)期的《材料力學(xué)》的學(xué)習(xí)，我系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了材料力學(xué)中各方面理論知識(shí)，知道了材料力學(xué)是通過研究、分析材料的力學(xué)性能（強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性）、在復(fù)雜工況下的變形特點(diǎn)以及疲勞強(qiáng)度等從而為設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)的。在這次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了很多之前沒有注重到的知識(shí)，加深了對(duì)一些概念的理解。我是在很多數(shù)據(jù)已知的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，跟加意識(shí)到在實(shí)際工作中，有一個(gè)深厚的理論基礎(chǔ)，對(duì)一個(gè)工科人員的重要性。</p>

42、<p><b>　　七：參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1].聶毓琴，孟廣偉. 材料力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[2].聶毓琴，吳宏　. 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)　北京：機(jī)械工業(yè)出版社　2010</p><p>　　[3].譚浩強(qiáng) C程序設(shè)計(jì) 北京：清華大學(xué)出版社，2009<