解放CA－10B汽車前橋在滿載行駛、緊急制動和轉(zhuǎn)向側(cè)滑三種工況下的強度設(shè)計、疲勞校核及剛度計算--第9個數(shù)據(jù)027 1527 1294 1615--西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)材料力學(xué)課程設(shè)計

《解放CA－10B汽車前橋在滿載行駛、緊急制動和轉(zhuǎn)向側(cè)滑三種工況下的強度設(shè)計、疲勞校核及剛度計算--第9個數(shù)據(jù)027 1527 1294 1615--西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)材料力學(xué)課程設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《解放CA－10B汽車前橋在滿載行駛、緊急制動和轉(zhuǎn)向側(cè)滑三種工況下的強度設(shè)計、疲勞校核及剛度計算--第9個數(shù)據(jù)027 1527 1294 1615--西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)材料力學(xué)課程設(shè)計（25頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、班級 姓名 材料力學(xué)課程設(shè)計 專業(yè)： 機制本 班級： 作者： 題目：解放CA－10B汽車前橋在滿載行駛、緊急制動和轉(zhuǎn)向側(cè)滑三種工況下的強度設(shè)計、疲勞校核及剛度計算 指導(dǎo)老師： 一、 課程設(shè)計的目的 材料力學(xué)課程設(shè)計的目的是在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料力學(xué)后，能結(jié)合工程中的實際問題，運用材料力學(xué)的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學(xué)的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使我們將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)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(xiàn)代的計算方法，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)計思想和設(shè)計方法，對實際工作能力有所提高。 1）使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化，完整化。讓我們在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運用材料力學(xué)知識解決工程實際問題。 2）綜合運用以前所學(xué)的各門課程的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機地聯(lián)系起來。 3）使我們初步了解和掌握工程實踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 二、 課程設(shè)計的任務(wù)和要求 要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設(shè)計題

3、目的已知所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導(dǎo)出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。 三、 設(shè)計題目 解放CA－10B載貨汽車前橋的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示（不計圓角、孔、槽的影響），汽車的前輪距為L，鋼板彈簧中心距為R，汽車輪胎的半徑（負載下或行駛中）為r，前軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），薄壁截面的厚度均為t，有關(guān)數(shù)據(jù)見表1。 a) b) 圖1 解放CA－10B汽車前橋 a) 工程圖 b) 力學(xué)模型 1700 740 490 290 120 280 80

4、 83.5 110 132 92 65 83 70 65 83 120 52 85 95 24 180 70 2 200 120 0.84 0.78 1.8 1.6 0.8 0.1 0.05 表1 固定數(shù)據(jù)表（尺寸單位：mm） 已知汽車滿載靜止時前軸左右鋼板彈簧座的載荷為，如圖2所示。 圖2 汽車滿載靜止時前橋的力學(xué)簡圖 下面給出幾種工況時的受力情況。 1. 動載工況 汽車行駛在不平路面時受到垂直沖擊，每個輪胎的支反力變?yōu)?，前輪的行駛?/p>

5、力為，如圖3所示。 圖3 汽車動載時前橋的力學(xué)簡圖 2. 制動工況 制動時，由于減速慣性力的影響，更多的汽車重量向前橋轉(zhuǎn)移，前橋增載而后橋減載，當緊急制動時，每個車輪的法向載荷增為，每個車輪的切向制動力為，如圖4所示。 圖4 汽車緊急制動時前橋的力學(xué)簡圖 3. 側(cè)滑工況 汽車前輪側(cè)向滑移時，兩側(cè)車輪承受的垂直載荷不同，地面對輪胎的反力沿軸向，如圖5所示。 圖5 汽車側(cè)滑時前橋的力學(xué)簡圖 要求完成下列問題： （1） 畫出前橋的內(nèi)力圖。 （2） 計算危險截面的主應(yīng)力及方位，依據(jù)強度條件進行校核。 （3） 定性分析靜載、動載、緊急制動、側(cè)滑四種工況下前橋的

6、變形特點。 （4） 按圖示簡化后的變截面結(jié)構(gòu)，計算前橋AK兩截面的相對垂直位移和在xOy平面內(nèi)的相對轉(zhuǎn)角。 注意： a）計算時不計主銷中心距與兩輪距之間尺寸的差異。 b）可將圓弧ABC視為AC直線來近似計算。 c）將AG、GS、SJ、JO段分別視為等截面進行計算。 表2 設(shè)計計算數(shù)據(jù) 1.動載工況 2.制動工況 /kN /kN /kN /kN 0.27 15.27 12.94 16.15 1、 畫出前橋的內(nèi)力圖 動載工況時，前橋拐角α=arctan HA/ l1≈20.77° 將支反力和行駛阻力分別移至A、D點，將FAy分解成沿AC方向和垂直于AC方向

7、的兩力，如下圖所示。 Fa=FAy·Sinα≈5.42 kN Fb= FAy·Cosα≈14.28 kN 對前橋進行受力分析： ΣFy = 0 ；ΣMA = 0 有對稱性知：FAy = FDy ; FKy = FHy 則FAy = FDy = FKy = FHy = 15.27 kN 同理: FAz = FDz = FKz = FHz = 0.27 kN 1、拉力Fn 2、Fz 3、Mz 4、Fy 5、My 6、Me 2、 計算危險截面的主應(yīng)力及方位，依據(jù)強度條件進行校核 將前橋按照截面形狀分成四段，分別為AG段、GS段、SJ段、JO段。 （1

8、） AG段： 截面為矩形。危險界面面在G處。受力狀態(tài)為拉及兩向彎曲組合。 Fz = Fcy? ≈ 5.80 kN Fy = Fcz? ≈ 0.11 kN MGz = Mcz·≈1.83 kN·m MGy = Mcy·≈34.66 N·m WGz =≈7.463083× WGy=≈5.844583× σGz =≈24.52Mpa σGy =≈0.59Mpa σ拉 =≈1.00Mpa 由于MGz、MGy、Fn使前橋產(chǎn)生的線應(yīng)變均沿AG方向，故 σmax =σGz +σGy+σ拉=26.11 Mpa < [σ] =180 Mpa 安全。由矩形截面應(yīng)力分布圖知:在

9、矩形截面上切應(yīng)力在中性軸處O點達到最大，且，O點單元體如圖所示 。 ≈ 1.65 MPa ≈ 0.031 MPa ≈ 1.65 MPa << [τ] =70 MPa 經(jīng)基本校核可知:在AG段正應(yīng)立即切應(yīng)力均滿足強度條件。 （2） GS段： 截面為工字形?？赡艿奈ｋU截面在C處和S處，由于S處受力狀況和K處相同且各力均小于K處，故只對C處進行校核。 由內(nèi)力圖知：C處Fz=14.28 kN, Fy=0.27 kN ,Mz=4.43 kN·m ，My=83.75 N·m , Fn= 5.42kN。顯然，C處危險點為A、B兩點，點A受最大拉應(yīng)力，點B受最大壓應(yīng)力。 σAz = ≈

10、71.15Mpa （Ymax為形心軸到底邊的距離） σAy = ≈2.26Mpa σBz = ≈-49.26Mpa σBy = ≈-2.44Mpa σ拉 = ≈1.33Mpa 由于各力產(chǎn)生的線應(yīng)變均沿AC方向，故經(jīng)基本強度校核 σmax =σAz+σAy +σ拉= 74.74Mpa < [σ] =180 Mpa 安全，該段滿足強度條件。 補充強度校核:在剪力與彎矩都比較大的截面，在其腹板與翼緣交界處，其正應(yīng)力與切應(yīng)力均較大，是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，需按強度理論進行校核。故選取圖示D點: σDz = = = 26.64 ( yD = Z - ≈ 18.37mm

11、) σDy = = 0.84 σ拉 =1.33 Mpa σD =σDz +σDx+σ拉 = 28.81 Mpa = ≈12.87 Mpa （ == 6.61 ） =≈ 0.061Mpa （忽略）（ ≈2.39 ） D點單元體如下圖所示 按第三強度理論檢驗得: ≈38.63 Mpa < [σ] =180 Mpa 安全。 （3） SJ段、JO段： 截面為工字形。由于SK段為兩向彎扭組合并存在兩向剪力、KO段僅為兩向彎組合，且SJ段Iz小于JO段，故危險界面在K處。顯然，危險點為A、B兩點，點A受最大拉應(yīng)力，點B受最大壓應(yīng)力。 由

12、內(nèi)力圖知：K處Fz=15.27 KN , Fy=0.27 KN ，Mz=7.33 KN·m ，My=135.05 N·m ,Me=29.7 N·m 。 σAz = ≈105.41Mpa （ymax為形心軸到底邊的距離） σAy = ≈0.93Mpa σBz = ≈-65.50Mpa σBy = ≈-2.14Mpa σC =σCz=σAz = ≈105.41Mpa 故σmax =σAz+σAy = 106.34 Mpa 由切應(yīng)力分布圖知：棱角處切應(yīng)力為0，最大切應(yīng)力存在于C點，且 τmax= ≈0.370Mpa << [τ] = 70 Mpa 由于τmax很小，忽略不計，故

13、利用A點進行校核，σmax < [σ] =180 Mpa 安全。 補充強度校核:在剪力與彎矩都比較大的截面，在其腹板與翼緣交界處，其正應(yīng)力與切應(yīng)力均較大，是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，需按強度理論進行校核。由于該截面尺寸中上邊長a較下邊長大的多，選取圖示D、E兩點: σDz = = = 57.15 ( yD = Z - ≈ 28.42mm ) σDy = = 0.43 σD =σDz +σDz = 57.58Mpa σEz = = -17.24 ( yE= h - Z - ≈ 8.58 mm ) σEy = -σDy = -0.43 顯然σ

14、E <σD 。 = ≈11.40Mpa （ == 6.54 ） = ≈10.34Mpa < （ == 5.93 ） = =0.040 Mpa （忽略） （ ≈4.79 ） 按第三強度理論檢驗得: = ≈61.93 Mpa < [σ] =180 Mpa 安全。 表3.危險截面參數(shù)表（數(shù)據(jù)由程序得出） 參數(shù) GS SJ JO Z/mm 30.367647 40.423445 29.5 Ymax/mm 42.367647 52.423445 41.5 Iz/ 3.055109× 3.645573× 4.27297

15、× Iy/ 1.275570× 3.77984× 3.46982× It/ 1.926144× σAz/ Mpa 71.15 105.41 σAy/ Mpa 2.26 0.93 σA/ Mpa 74.74 106.34 σBz/ Mpa -49.26 -65.50 σBy/ Mpa -2.44 -2.14 σB/ Mpa -50.37 -67.64 σC/ Mpa 72.48 105.41 τ/ Mpa 0.370 3、 定性分析靜載、動載、緊急制動、側(cè)滑四種工況下前橋的變形特點 1、靜載

16、:當汽車處于靜載時，前橋只受豎直平面內(nèi)的支持力和車身重力，會在豎直平面xOy內(nèi)有微小彎曲和拉伸變形，形變量對稱分布。 2、動載:當汽車處于動載時，前橋除受到豎直平面內(nèi)的支持力和車身重力外，還有水平方向的行駛阻力及水平力引起的扭矩，這時前橋在豎直平面xOy內(nèi)有較大彎曲和拉伸變形，水平面xOz內(nèi)有微小彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，形變量對稱分布。 3、緊急制動: 當汽車處于緊急制動時時，前橋受到豎直平面內(nèi)的支持力和車身重力，水平平面內(nèi)的較大行駛阻力及水平力引起的扭矩，這時前橋在豎直平面xOy內(nèi)有較大彎曲和拉伸變形，水平面xOz內(nèi)有較大彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，形變量對稱分布。 4、側(cè)滑:汽車側(cè)滑時，兩輪承受的垂直載

17、荷不同，地面對輪胎的反力沿軸向，將輪胎受力簡化至A、D點如下圖所示，在豎直平面xOy內(nèi)前橋受到豎直平面內(nèi)的支持力，地面反力和車身重力，會有復(fù)雜的彎曲、拉伸或壓縮變形，變形量不對稱，水平面xOz內(nèi)無形變。 4、 按圖示簡化后的變截面結(jié)構(gòu)，計算前橋AK 兩截面的相對垂直位移和在xOy平面內(nèi)的相對轉(zhuǎn)角 1、計算AK兩截面的垂直位移，在AK兩截面施加一對相對的單位力1。設(shè)D、K處支反力分別為x、y，方向均豎直向上。 0 ；-0.48 + (0.48+0.74) × x + 1.7y = 0 ; 0 ；-0.48 + 0.74x + 1.22y = 0 ; 求得: x = -1 , y

18、= 1 故施加單位力后，前橋受力如圖所示: 由莫爾積分圖乘法可知: + ; = + = + = 2.287532m+4.282162m = 6.569694mm （其中: = b·h = 5.39× ; = = 4.08× 45#鋼彈性模量為196~216 GPa，取E = 200GPa） =2×Σtc ≈4.710 mm（由附頁中程序得出） 故4.710mm 即為A、K兩截面的垂直位移。 參數(shù) AG GC CS SK KJ JO a / N·m 0 0.12 0.29 0.44 0.48 0.48 b / N·m

19、 0.12 0.29 0.44 0.48 0.48 0.48 c /kN·m 0 1.82 4.43 6.63 7.33 7.33 d / kN·m 1.82 4.43 6.63 7.33 7.33 7.33 i /× 3.097180 3.055109 3.055109 3.645573 3.645573 4.27297 l /mm 128.34 181.82 148.25 41.75 41.75 328.25 tc /mm 0．0151 0.2002 0.4948 0.1831 0.1995 1.3385 2

20、、計算AK兩截面在xOy平面內(nèi)的相對轉(zhuǎn)角，在A、K處施加一對相對的單位力矩1。故施加單位力矩后，前橋受力如圖所示: rad =1.844+9.238+1.337+3.982 rad ≈2.847 rad 即為所求AK兩截面的相對轉(zhuǎn)角。 4、 計算m-m截面的疲勞強度，疲勞安全系數(shù)n=3 1、計算m-m截面應(yīng)力狀態(tài): m-m截面為工字形截面，受力狀態(tài)為兩相彎扭組合，并存在兩向剪力。Fz=15.27 kN , Fy=0.27 kN ,Me=29.7 N·m , Iz =3.055109×,Iy =1.275570×

21、。 It = ≈1.57× Mz=4.43+(7.33-4.43)( ) ≈ 6.11 KN·m My=83.75+(135.05-83.75) ≈113.45N·m ≈84.60 Mpa ≈3.07Mpa =87.67 Mpa ≈81.13 Mpa ≈3.31 Mpa =85.44 Mpa ==84.60 Mpa 故， 由切應(yīng)力分布圖知：棱角處(A、B兩點)切應(yīng)力為0，最大切應(yīng)力存在于C點，且τmax= ≈0.46Mpa << [τ] = 70 Mpa，由于τmax很小，忽略不計。 補充強度校核:在剪力與彎矩

22、都比較大的截面，在其腹板與翼緣交界處，其正應(yīng)力與切應(yīng)力均較大，是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，需按強度理論進行校核。 ≈36.68 Mpa ≈1.13 Mpa =37.81Mpa ≈13.74 Mpa （= 6.61） ≈0.065 Mpa (略去) （= 2.39） 故在單元體D處，=37.81 Mpa,=13.74 Mpa 由= 得: ，， =23.375 Mpa 2、計算疲勞強度: 由汽車前橋運動工況知:m-m截面循環(huán)特性為:r = 0。 =87.67 Mpa，=43.84 Mpa, =43.84 Mpa =1.64<3 =23.3

23、75 Mpa，=11.69 Mpa, =11.69 Mpa =3.94>3 通過計算可知：剪應(yīng)力τ滿足疲勞強度條件，而正應(yīng)力σ不滿足，需要進行改進，可采取如下改進措施: (1)、減少應(yīng)力集中，。 (2)、采用強化工藝，提高表面質(zhì)量，。 (3)、采用高強度的材料，。 (4)、采用更加合理的截面，比如將工字型截面換成箱形截面。 附錄 1、 計算應(yīng)力 #include

24、h> #include #infefine yita 2.0 /*即為η*/ #indefine t 0.024 float xxz(float a,float b,float h) /*計算形心軸*/ { float z; float Iz,Iz1,Iz2,Iz3,Ymax,Wz; z=(a*t*(h-t)+t*(h-2t)*(h-t)/2)÷(a*t+b*t+t*(h-2t)); return z; } float Ymax(float a,float b,float z) /*計算Ymax*/ { if(b

25、; else Ymax=h-z-t/2; return Ymax; } float szgxj(float a,float b,float h) /*計算豎直面內(nèi)慣性矩*/ { float z=xxz(float a,float b,float h) Iz1=1/12*a*t^3+(h-t-z)^2; Iz2=1/12*b*t^3+z^2*a*t; Iz3=1/12*t*(h-2*t)^3+t*(h-2t)*((h-t)÷2-z); Iz=Iz1+Iz2+Iz3; return Iz; } float spgxj(float a,float b,flo

26、at h) /*計算水平面內(nèi)慣性矩*/ {float Iy,Iy1,Iy2,Iy3; Iy1=1/12*t*a^3; Iy2=1/12*t*b^3; Iy3=1/12*(h-2*t)*t^3; Iy=Iy1+Iy2+Iy3; return Iy; } float nzgxj(float a,float b,float h) /*計算扭轉(zhuǎn)慣性矩It*/ {float it; it=yita*(a+b+h-2*t)*t^3/3; return it; } void main() {float a,b,c； float z,ymax,Iz,Iy,It;

27、 float z1,ymax1,Az1,Ay1,A1,Bz1,By1,B1,C1,q1,l1; float Az,Ay,A,Bz,By,B,C,q,l,Mz,My,Me,Fn; /*q為切應(yīng)力，l為拉應(yīng)力*/ printf(“計算截面各項參數(shù)并校核\n”);/*計算參數(shù)*/ printf(“請依次輸入工字鋼截面參數(shù)(上下邊長和高度)，單位“m”，以“，”隔開 \n”); scanf(“%f,%f,%f”,&a,&b,&h); printf(“截面參數(shù)為 a=%4f，b=%4f,h=%4f\n”,a,b,h); z=xxz(a,b,h); /*計算形心軸*/

28、z1=z*1000; printf("該工字鋼的形心軸為z=%8.6f mm\n",z1); ymax=Ymax(a,b,z); ymax1=ymax*1000; printf("該工字鋼的形心軸到上下兩邊的最大距離為Ymax=%8.6f mm\n",ymax1); Iz=szgxj(a,b,h); printf("該工字鋼的豎直平面內(nèi)的慣性矩為Iz=%8.6f m^4\n",Iz); Iy=spgxj(a,b,h); printf("該工字鋼的豎直平面內(nèi)的慣性矩為Iy=%8.6f m^4\n",Iy); /*輸入受力狀態(tài)*/ printf("請輸入危險截

29、面的受力狀況，依次為Mz,My,Me,Fn,標準單位,以“，”隔開 \n”") scanf("%f,%f,%f,%f",&Mz,&My,&Me,&Fn)； Mz/=1000; printf("Mz=%5.2f KN.m,My=%5.2f N.m,Me=%5.2f N.m,Fn=%5.2f N",Mz,My,Me,Fn);/*校核*/ if(Me>0) {It=nzgxj(a,b,h); printf("該工字鋼扭轉(zhuǎn)慣性矩為It=%8.6f m^4\n",It); q=Me*t/It; q1=q/10^6; printf("該工字鋼的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為τ=%

30、8.6f MPa\n",q); } else q=0; if(Fn>0) {l=Fn÷(a*t+b*t+t*(h-2*t)); l1=l/10^6; printf("該工字鋼截面的拉應(yīng)力為l=%8.6f MPa\n",l); } else l=0; Az=Mz*ymax/Iz; Az1=Az/10^6; Ay=My*b/(Iy*2); Ay1=Ay/10^6; A=Az+Ay+l; A1=A/10^6; printf("該工字鋼截面A點的應(yīng)力狀況為σAz=%5.2f MPa,σAy=%5.2f MPa,σA=%5.2f MPa

31、",Az1,Ay1,A1); Bz=-1*Mz*(h-ymax)/Iz; Bz1=Bz/10^6; By=-1*My*a/(Iy*2); By1=By/10^6; B=Bz+By+l; B1=B/10^6; printf("該工字鋼截面B點的應(yīng)力狀況為σBz=%5.2f MPa,σBy=%5.2f MPa,σB=%5.2f MPa",Bz1,By1,B1); C=Az+l; C1=C/10^6; printf("該工字鋼截面C點的應(yīng)力狀況為σC=%5.2f MPa,扭轉(zhuǎn)τ=%5.2f MPa",C1,p1); } 2、 圖乘計算 #includ

32、e #include #infefine E 200000000000 float bjmtc(float a,float b,float c,float d,float l,float i) {float tc; l/=1000; c*=1000; d*=1000; i*=10^-6; tc=(a*l*(c+d)/2+(b-a)*l*(c+2*(d-c)/3)/2)/(E*i); tc*=10^3; return tc; } void main() {float a,b,c,d,l,i,tc; printf("請

33、輸入單位力圖上兩點坐標值，單位“N*m”，以“，”隔開\n")； scanf("%f,%f",&a,&b); printf("請輸入內(nèi)力圖上兩點坐標值，單位“Kn*m”，以“，”隔開\n")； scanf("%f,%f",&c,&d); printf("請輸入該段長度，單位“mm”，以“，”隔開\n")； scanf("%f",&l); printf("請輸入該段慣性矩，單位“10^-6 m^4”，以“，”隔開\n")； scanf("%f",&i); tc=bjmtc(a,b,c,d,l,i); printf("該段圖乘結(jié)果為%6.4f mm",tc); } 設(shè)計體會 通過材料力學(xué)的學(xué)習(xí)，使我初步了解材料力學(xué)的任務(wù)是在滿足強度，剛度和穩(wěn)定性的要求下，以最經(jīng)濟的代價，為構(gòu)件確定合理的尺寸，選擇適宜的材料，為構(gòu)件設(shè)計提供了必要的理論基礎(chǔ)和計算方法。而且通過此次的課程設(shè)計，使我對材料力學(xué)知識掌握的更為牢固，并掌握了一定的設(shè)計方法和步驟及解決困難的方法。此后，我會更加扎實的學(xué)習(xí)所學(xué)課程并廣泛涉獵其他學(xué)科，在提高專業(yè)知識水平的基礎(chǔ)上進一步提高自己的綜合素質(zhì)。 24