吉林大學材料力學課程設計(完整版)

1、一.設計目的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：1. 使學生的材料力學知識系統(tǒng)化完整化；2. 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；3. 由于選題力求結合專

2、業(yè)實際，因而課程設計可以把材料力學知識與專業(yè)需 要結合起來；4. 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；5. 初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法；6. 為后續(xù)課程的教學打下基礎。二，設計題目HZ140TR2后置旅游車底盤車架簡化后如下圖所示。滿載時，前部受重力Fa作用，后部受到重力Fb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(T 及有關數(shù)據(jù)由下面數(shù)表給出li / mI2 / ml3 / ml4 / ml5 / mh1 / mbi / m

3、h2 / m1.11.63.11.62.10.10.060.12b2 / mh3/ mb3 /mt /mE/GPa(T /MPaFa/N0.080.110.070.00521016026801. 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。2. 畫出車架的內力圖。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。4. 用能量法求出車架最大撓度fmax的值及所發(fā)生的截面，畫出車架撓 曲線的大致形狀。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。三，設計計算過程以下計算 q=15400N/m, Fa=2680N, Fb=4200N.1，計算

4、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。解：由題得，此連續(xù)梁為三次靜不定結構，但由于水平方向外力為0， 所以此機構可認為是二次靜不定結構。這樣此結構梁就滿足多跨梁及 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。需門M1MP M2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L0由此可得，W=2 2 -qL2dL qL13,同理得 W=qL23 ，比=丄 qL330 2 12 12 12由上圖可知，各個部分形

5、心位置a1= Lj /2, a 2=b= L2/2, b 3= L3 /2.梁在左端和右端分別有外伸部分，M0Fa Lo2680 1.1N m 2948N mM3FB L44200 2.1N m 8820N m根據(jù)三彎矩方程:WnanWn1bn1、M n 1ln 2M n ln ln 1 M n 1ln 16(:)I n對跨度L1和L2寫出三彎矩方程為:M0L1 2M1 L1 L2 M2L26(W1a1 W2b2)L1L2對跨度L2和L3寫出三彎矩方程為：M1L2 2M2 L2 L3 M3L3 6(W2 W3b3)L2L3解上面的方程組可得：M仁-10429.7 N m M2=-8938.39

6、 N m求得M1和M2以后，連續(xù)連三個跨度的受力情況如圖所示F.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，即為原結構的相當系統(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)梁的剪力圖和彎矩圖。1如 圖左端部分： Me M 0 M1 -qL12 Nd1 L1 02可得到 N d1 = 16996.06 N，Ne Fa q I2 2=10323.94 N同理可得：Nd2=30117.77 NN f2 =17622.23 NNg=16446 NN fi =12394 N其中 Nd=Ndi+Nd2=47113.83 N , Nf=Nfi +Nf2 =

7、30016.23 N從而求出前簧固定端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。2,畫出車架的內力圖。(1) 剪力圖。單位(N)30117.7717*522.2316996,06(2) 彎矩圖：單位(N.m)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。彎曲正應力的最大值為:其中Iz可由公式：Iz b h3 (b 2t) (h 2t)3 求得12max|M|maxMIzIz11.9625 106z23.755833 10z32.76417 10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66撓曲線的大致形狀。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

8、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。根據(jù)上圖，作出每個載荷單獨作用時的彎矩圖:Fa 單獨作用時 MFAmaxFA (I1I2)Fb單獨作用時 MFBmax Fb (l 4 l 5)Nc單獨作用時N 匚 XLBAAC DFGBN匚Ng單獨作用卜也2BAC8AAGBAI2-i7aLHCEA11+122q I2 q J2q I2CD部分均布載荷單獨作用時 M qCD maxDF段均布載荷單獨作用時M qDF max(1)求A點撓度M fAmaxl1l2q?Fl3xl3/flFG段單獨作用時MqFGmax在A端加單位力，彎矩圖如上圖所示。由圖乘法

9、可知:n WjMciEliFa單獨作用下A點撓度:EIz1111211fAmax3 11-M12Fa max1 12211212111111EIz211-M12fAmax2 mFa max11 12EIz22 11-M12fAmax11工MFamax121 11 M fA max22 MFa max3Fb單獨作用下A點撓度:fA2113 M fA maxEIz2 21M Fb max3Nc單獨作用下A點撓度:EIz2112Nc 121111212fAmax1 2 13 NC 123M fAmaxNg單獨作用下A點撓度fA4eiz2 i31Ng 143 M fAmax3CD部分均布載荷單獨作用時

10、A點撓度:fA51M 1M qCD max12曰z2 3113121112M fAmax1 M 13M fAmax22 M3 qCD maxDF段均布載荷單獨作用時A點撓度:fA6EIz22M qDF max133丄M fA max2FG段均布載荷單獨作用時A點撓度:Elz2l3M fAmax23qFG max綜上得:f A2f A3 +f A4A6 fA7 5.308mml2/2E1lMfEmaxEIz2 22ll512ll色MFa maxl21 .2l3MfEmax3MFamax(2)求CD中點E撓度，在E處加單位力1。M fEmaxFa單獨作用下CD中點撓度:Fb單獨作用下CD中點撓度:

11、1 11匚 M Fb maxl l3M fE maxEIz2 23Nc單獨作用下CD中點撓度:11l2512M fEmax-Nc l213 Nc l2M fEmaxEIz222623fE3Ng單獨作用下CD中點撓度111l3 Ngl4 M fEmax匕1 z223CD部分均布載荷單獨作用時CD中點撓度:2 2M qEDmax q l2 / 8 M qCEmax 3q l2/ 8qc祥G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11l2312MqEDmaxM fEmaxl3 M qED maxM fEmaxEIz232423fE523MfEmax1l3 MqCEmax21EH22

12、74ql2224DF段均布載荷單獨作用時CD中點撓度:E621TM qDF maxl3M fEmaxEIz232FG段均布載荷單獨作用時CD中點撓度:1E7 l3 M qFGmaxEIz2 213MfEmax綜上得:E1E2f E3 +f E4E5fE6fE70.802mm1/4(3) 求DF中點O撓度，在O處加單位力1。M fOmaxFa單獨作用下DF中點撓度:fO1EIz2 2l3M fO max1M2 Fa maxFb單獨作用下DF中點撓度:fO21EIz2 2l3M fOmax12 M FbmaxNc單獨作用下DF中點撓度:fO311I3 M fOmax NC 12EI z2 22Ng

13、單獨作用下DF中點撓度fO4113 M fOmax Ng 14EI z2 22CD部分均布載荷單獨作用時DF中點撓度:fo5Elz211l3 M fO max M qCD max22qDF段均布載荷單獨作用時DF中點撓度:fO6Elz22l3 52 3MqDFmax2 8MfOmaxFG段均布載荷單獨作用時DF中點撓度:fo71l3 M fOmaxEIz2 2丄亠 M qFG max2綜上得：fOfO1fO2fO3 + fO4fO5 fO6(4)求FG中點K撓度，在K處加單位力1。0719.134mmM fK max 4/2GA C-FG段均布載荷單獨作用時DF中點撓度Fa單獨作用下DF中點撓

14、度:K11 1二 I3 M fK max2EIz2Fa maxFb單獨作用下DF中點撓度:K2I5514M fK maxEIz2 2 215 ITMFbmax1.I3M fK max2M Fb max3Nc單獨作用下DF中點撓度:K3EIz21 12l3 Ng l2 3MfKmaxNg單獨作用下DF中點撓度K411 I5兀抄Mg 6NgI4丁I3 NgI42M fK max3K5EIz2CD部分均布載荷單獨作用時DF中點撓度:1l Ml3 M qCD max2DF段均布載荷單獨作用時DF中點撓度:1M fK max22K6_,尺 M qDF max l3Elz2 3arGcI斗 *14/822

15、MqFK max 3q 14 / 8M qKG max q l 4 / 811MI43M1 1M2 M1二匚M qFKmax二MfK max l3MqFK max MfK max二Elz232423Elz2Elz2 32423EI1 I4 m72 12 -M fK maxql4 l3 M qKG max-Mfkmax2 22423綜上得：f Kf K1fK2f K3 + fK4fK5fK6f K72.16mm(5)求B端撓度，在B處加單位力1。M fBmaxl4l5Fa單獨作用下B點撓度:fB11EIZ21I 3MfB max21M FA max3Fb單獨作用下B點撓度:B2EIz2EIz3A

16、lll5M2l4 l5Nc單獨作用下B3EIZ2Ng單獨作用下EIz2 4l5fBmaxfB maxl5lM2I43l5 l4M Fb maxFbmaxEIz21丨Ml5M fBmax2B點撓度:b3 Nc l22 3MfBmaxB點撓度l 2l4l5Ng I4l5 l4fB maxCD部分均布載荷單獨作用時fB5EIz211- l3M fB max 匚 M qCD max23I54M fB maxl4l52 m3 Fb max1 22l3 Ng l43 M fBmaxB點撓度:DF段均布載荷單獨作用時B點撓度fB62丄TMqDF maxl3MfBmaxEIz232FG段均布載荷單獨作用時B點

17、撓度:EIz213 M qFG maxl4l3Ll5l5 l4M fBmax1l 3M fBmax22 M qFG maxl l4I5.2 M Fbmaxl4 l5綜上得:B1B2f B3+fB4B5B6B755.44mm由以上計算，可以得到車架在 B端得撓度最大max55.44mm車架撓曲線如下圖所示，單位 mm.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。M解：根據(jù)彎曲正應力的強度條件maxmaxW由彎矩圖可知，最大彎矩發(fā)生在DF段距D點1.956m處的截面:MZmax 19020.95N mmaxWzWz(b*h3 (b 2t)*( h 2t)3)/12h/2b*

18、h2 (b 2t)(h 2t)366hh/b 1.5根據(jù)上述方程組，經 mathematica軟件求得:其中b,h0,所以按等截面梁重新設計的車架截面尺寸為:h=0.162m,b=0.108m.四，程序計算部分程序框架圖程序如下:#i nclude stdio.h#in elude math.h#define PI 3.1415926#defi ne mpa 1e6void mai n()double 11=1.1,12=1.6,13=3.1,14=1.6,15=2.1 丄 0,L1 ,L2,L3, L4;double q,Fa=2680,Fb,M0,M1,M2,M3;double Nd,Nd

19、1,Nd2,Nf,Nf1,Nf2,Nc,Ng,w1,w2,w3,a1,a2,B2,B3,H1,H2; printf( 請輸入 q:n);sca nf(%lf,&q);printf(請輸入 Fb:n);sca nf(%lf,&Fb);q=q*1000;L0=l1;L1=l2;L2=l3;L3=l4;L4=l5;w1= q*L1*L1*L1/12;w2=q*L2*L2*L2/12;w3=q*L3*L3*L3/12;a仁 L1/2;B2=L2/2;a2=B2;B3=L3/2;M0=-Fa*L0;M3=-Fb*L4;H1=-6*(w1*a1/L1+w2*B2/L2);H2=-6*(w2*a2/L2+w3*B3/L3);M2=(H1-M0*L1)/2/(L1+L2)-(H2-M3*L3)/L2)/(L2/2/(L1+L2)-2*(L3+L2)/L2);M仁(H2-2*(L3+L2)*M2-M3*L3)/L2;Nd1=(q*L1*L1/2+M0-M1)/L1;Nc=Fa+q*l2-Nd1;Nf2=(q*l3*l3/2+M1+M2)/l3;Nd2=q*l3-Nf2;Nf1=(q*l4*l4/2-M2+M3)/l4;Ng=Fb+q*l4-Nf1;Nd=Nd1+Nd2;Nf=Nf1+Nf2;prin tf(M0=%0.3lfnM 仁 %0