后置旅游车底盘车架的静力学分析及强度、刚度计算-材料力学课程设计方案.doc

材料力学课程设计

材料力学课程设计
后置旅游车底盘车架的静力学分析及强度、刚度计算

专业：交通运输（汽车运用工程）

目录
一、 材料力学课程设计的目的
二、 材料力学课程设计的任务和要求
三、 设计题目
1、求支座反力
2、画出车架的内力图
3、画出各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线
4、求出最大挠度的值，画出车架挠曲线的大致形状
5、按等截面梁重新设定截面尺寸
四、程序计算
五、设计体会
六、参考文献

一、材料力学课程设计的目的
本课程设计的目的是在于系统学习完材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立的计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决实际问题的目的。同时，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体。既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，既是为以前所学知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合应用，又为后继课程（零件、专业课等）打下基础，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。具体的有以下六项：
1. 使学生的材料力学知识系统化完整化；
2.　在全面复习的基础上，运用材料力学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知识与专业需要结合起来；
4.　综合运用以前所学习的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等），使相关学科的只是有机的联系起来；
5. 初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法；
6. 为后续课程的教学打下基础。
二、材料力学课程设计的任务和要求
参加设计者要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知条件和所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并导出计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果并完成了设计说明书。
１、设计计算说明书的要求
设计计算说明书是该题目设计思想、设计方法和设计结果的说明，要求书写工整，语言简洁，条理清晰、明确，表达完整。具体内容应包括：
1．设计题目的已知条件、所求及零件图。
2．画出构件的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。　
3. 静不定结构要画出所选择的基本静定系统及与之相应的全部求解过程。
4. 画出全部内力图，并表面可能的各危险截面。
5. 各危险截面上各种应力的分布规律图及由此判定各危险点处的应力状态图。
6. 各危险点的主应力大小及主平面的位置。
7. 选择强度理论并建立强度条件。
8. 列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程及必要的说明。
9. 对变形及刚度分析要写明所用的能量法计算过程及必要的内力图和单位力图。
10. 疲劳强度计算部分要说明循环特征，бmax，бmin，r，бm，бa的计算，所查各系数的，ｋ,ε，β依据，疲劳强度校核过程及结果，并绘出构件的持久曲线。
2、分析讨论及说明部分的要求
1. 分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。
2. 提出改进设计的初步方案及设想。
3. 提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。
3、程序计算部分的要求
1. 程序框图。
2. 计算机程序（含必要的说明语言及标识符说明）。
3. 打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。
三、设计题目
HZ140TR2后置旅游车底盘车架简化后如下图所示。满载时受重力FA作用，后部受重力FB作用，乘客区均布载荷为q（含部分车身重），梁为变截面梁。计算过程中忽略圆角影响，并把梁抽象为等厚闭口薄壁矩形截面的阶梯梁。材料的弹性模量E，许用应力[σ]及有关数据有表7-1给出。其他数据选取设计计算数据第一组中的 。

图7-1 车底盘简化图
表7-1 固定数据
l1/m
l2/m
l3/m
l4/m
l5/m
h1/m
b1/m
h2/m
1.1
1.6
3.1
1.6
2.1
0.1
0.06
0.12
b2/m
h3/m
b3/m
t/m
E/GPa
[σ]/MPa
FA/N
0.08
0.11
0.07
0.005
210
160
2680

1.计算前簧固定端C处，前簧滑板D处、后簧固定端F处、后簧滑板G处的支反力。
2.画出车架的内力图。
3.画出各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线。
4.用能量法求出车架最大挠度的值及所发生的截面，画出车架挠曲线的大致形状。
5.若壁厚t不变，取h/b=1.5，按等截面梁重新设计车架截面尺寸。
１、求支座反力
为了求解该题，需要用到连续梁问题中的三弯矩方程。为减小跨度很大直梁的弯曲变形和应力，常在其中间安置若干中间支座的这类结构称为连续梁。连续梁中是在两端的固定端或铰支座之间加上若干个铰支座或支杆组成的力学模型。在HZ140TR2后置旅游车底盘车架的力学模型中，该模型是三次超静定结构。该模型仅在竖直方向上受到外力作用，水平方向上不受外力作用，因此可以把F处铰支座看作是支杆，将该模型简化成二次超静定的连续梁力学模型。
设计计算数据：FB =4700N q=13.0N/mm
下面用力法求解该模型的各支座反力：
选取下图所示基本结构：

去掉C、G处多余支杆约束，以竖直向上的力X1、X2代之，得到如下图所示力法基本体系：

变形协调方程为：
分别做FA ,FB ,q ,X1 ,X2单独作用下的引起的弯矩图。
利用公式，对弯矩图的每个部分分别应用图乘法，然后求其总
和。
如下图为1、2、3、4、5、6 弯矩图：
1. FA单独作用

2. DF段q单独作用

3.CD、FG段q单独作用

4. FC单独作用

5. FG单独作用

6. FB单独作用

FG=1单独作用

FG=1单独作用

图乘法：

由 即
带入数据整理得：
-19396.053+25818.867-51916.8+4.011X1+1.323X2-14375.733=0

4.011X1+1.323X2=59869.719 <1>

由 即
带入数据整理得：
-5981.76+25818.867-51916.8+1.323X1+4.011X2-47802.133=0

1.323X1+4.011X2=79881.826 <2>
联立<1><2>两式，解得：
X1=9378N方向向上
X2=16822N方向向上
求其他支座反力

带入数据解得
FD=34820N方向向上
FF=28260N方向向上
所以求得各支座反力分别为：
FC=9378N FD=34820N FF=28260N FG=16822N
结果验证：
结果正确。
２、 画出车架的内力图
（1）车架剪力图

（2） 车架弯距图

３、 画出各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线
已知

由于C 和G 点的出现了突变，所以在这两点应力图有突变。

4、求出最大挠度的值，画出车架挠曲线的大致形状
由能量法，
设P 为CD 中点；Q 为DF 中点；E 为FG 中点。
最大挠度有可能在5 处取得，即：A 点，B 点，距C 点向右0.5 米的处，距D 点向右1.58 米处,距F 点向右0.8 米处。
在距C 点向右0.5 米的处的挠度与中点挠度相差极小，故可用P点的挠度代替点此点挠度求解。
距D点向右1.58 米处的挠度与DF 中点Q 挠度相差极小，故用Q 点挠
度代替此点挠度，E 点同理。
即A 点，P 点，Q 点，E 点，B 点
为计算方便，选取去掉处DF 处两处铰链后得到得静定基。现将选取的静定基上外力的弯矩图画出，再在所求挠度的位置上作用一个单位力，利用图乘法求得挠度。
根据公式： ，可以求出各段的惯性矩的值：

（1）求A点的挠度：
在A点加向下的单位力1，弯矩图如图所示：

即 方向向下
（2）求B点的挠度：
在B点加向下的单位力1，弯矩图如图所示：

即 方向向下
为计算方便，重新选取去掉C 处和G 处两处铰链后得到得静定基计算。将选取的静定基上外力的弯矩图画出，再在所求挠度的位置上作用一个单位力，利用图乘法求得挠度。
（3）求CD中点挠度：
在P点加向下的单位力1，弯矩图如图所示：

即 方向向上
（4）求DF中点挠度：
在Q点加向下的单位力1，弯矩图如图所示：

即 方向向下
（5）求FG中点挠度：
在E点加向下的单位力1，弯矩图如图所示：

即 方向向上
所以：

由挠度图可知最大挠度位于距B点，最大挠度为38.12mm。
5、 若壁厚t不变，取h/b=1.5按等截面梁重新设定截面尺寸
解：根据弯曲正应力的强度条件

由弯矩图可知，最大弯矩发生在G点处的截面：

将t=0.005m 代入上式，通过C 语言解得：
h=0.119m,b=0.080m

四、程序计算
附录一：支反力求解程序
#include<stdio.h>
void main()
{
float L1=1.1;float L2=1.6;float L3=3.1;float L4=1.6;float L5=2.1;
float Fa=2680;
float q;float Fb;float Q;
float A1,A2,A3,a4,a5,A6;
float B1,B2,B3,b4,b5,B6;
float Fd,Ff,Fc,Fg,AA,MM;
printf("q=");
scanf("%f",&Q);
printf("Fb=");
scanf("%f",&Fb);
printf("\n");
q=Q*1000;
printf("q=%f,Fb=%f",q,Fb);
A1=L2*L1*Fa*L2/2+L2*L2*Fa*L2/3+Fa*L3*L2*(L1+L2)/3;
A2=L3*L3*L3*L2*q/24;
A3=q*L2*L2*L2*L2/8+q*L2*L3*L2*L2/4;
a4=L2*L2*L2/3+L2*L2*L3/3;
a5=L3*L4*L2/6;
A6=L3*Fb*(L4+L5)*L2/6;
B1=Fa*L3*L4*(L1+L2)/6;
B2=L3*L3*L3*L4*q/24;
B3=q*L2*L2*L3*L4/4+q*L2*L2*L4*L4/8;
b4=L3*L2*L4/6;
b5=L3*L4*L4/3+L4*L4*L4/3;
B6=Fb*L5*L4*L4/2+Fb*L4*L4*L4/3+Fb*L3*L4*(L4+L5)/3;
Fg=(a4*(B1-B2+B3+B6)-b4*(A1-A2+A3+A6))/(a4*b5-a5*b4);
Fc=(a5*(B1-B2+B3+B6)-b5*(A1-A2+A3+A6))/(a5*b4-a4*b5);
Ff=(Fc*L2-Fa*(L1+L2)-Fg*(L3+L4)+Fb*(L3+L4+L5)-q*L2*L2/2+q*L3*L3/2+q*L4*(L3+L4/2))/L3;
Fd=(Fa*(L1+L2+L3)-Fc*(L2+L3)+Fg*L4-Fb*(L4+L5)-q*L4*L4/2+q*L3*L3/2+q*L2*(L3+L2/2))/L3;
AA=Fa+Fb+q*(L2+L3+L4)-Fc-Fd-Ff-Fg;
MM=Fc*L1+Fd*(L2+L1)+Ff*(L1+L2+L3)+Fg*(L1+L2+L3+L4)-Fb*(L1+L2+L3+L4+L5)-q*(L2+L3+L4)*(L1+L2+L3/2);
printf("\n");
printf("Fc=%f",Fc);
printf("\n");
printf("Fd=%f",Fd);
printf("\n");
printf("Ff=%f",Ff);
printf("\n");
printf("Fg=%f",Fg);
}
运行结果：

附录二：截面梁设计程序
#include<stdio.h>
#include<math.h>
#define N 9999
void main()
{
double h,b=0.0100,t=0.005;
double i,f;
int m=0;
for(m=0;m<=N;m++)
{
h=1.5*b;
i=b*h*h*h/12-(b-2*t)*(h-2*t)*(h-2*t)*(h-2*t)/12;
f=9870*h/2/i;
if(f<=160000000)break;
b=b+0.0001;
}
printf("h>=%f\nb>=%f\n",h,b);
}
运行结果：

五、设计体会
本次课程设计，我所做的题目是后置旅游车底盘车价的静力分析及强度刚度计算。通过一周的努力，完成了我的任务。同时，课程设计的过程，让我学到了很多，也成长了许多。
首先，本次课程设计,让我看到了材料力学在实际中的应用，为我在课堂学习与实际应用中间建立了一座的桥梁,深化课堂上的知识，初步了解了工程实践中的设计思想和设计方法，为后续的课程设计打下了基础。
第二，激发了我学习的欲望和激情，提高了解决问题分析问题的能力。在设计过程中,需要综合运用各个学科（高等数学，工程图学，理论力学，C 语言，材料力学等）的知识以及诸多计算机软件程序（Word ，AutoCAD ，公式编辑器， Visual C++等）.这些平时学过，但是很少运用的东西随之时间的推移慢慢淡忘，这次课程设计，促使我再一次复习了以前学过的知识。同时，在运用的过程中，遇到了种种问题，有了更加深入学习的动力和欲望。在设计时，同样的计算可
能会有多种方法，这时候就需要我去分析，对比，综合考虑。因此，分析问题，独立解决问题的能力有了极大的提高。
第三，性格以及学习态度的磨练。材料力学课程设计，是一项极其需要耐心与毅力的工作。计算时参数多，公式复杂，稍不留神就会出错。开始时，我极其不习惯设计中遇到的繁琐的公式推导。但是随着设计的进行，我慢慢地适应了节奏，毅力和耐心越来越高，能够持之以恒地坚持一一丝不苟的态度计算每一个数据，推导每一个公式。这对于我以后的工作学习以及成长，都是极其宝贵的经验。
一次课程设计，让我学到了很多，成长了很多，我很庆幸有了这样一个机会，也希望以后会有更多的机会去锻炼自己。
最后感谢老师耐心的指导和不辞辛苦的批阅，谢谢您！
六、参考文献
<<材料力学>> 孟光伟 聂毓琴主编 机械工业出版社
<<材料力学全解>> 朱伟民 孟光伟 主编 吉林大学出版社
<<材料力学实验与课程设计>> 聂毓琴 吴宏 主编 机械工业出版社
<<C程序设计>> 谭浩强 著 清华大学出版社
<<计算机绘图实用教程>> 侯洪生 主编 科学出版社