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1、材料力学课程设计材料力学课程设计HZ140TR2后置旅游车底盘车架的静力学分析及强度、刚度计算专业：土木工程（路桥）指导老师：姓名： 班级：班学号：目录材料力学课程设计1一、材料力学课程设计的目的1二、材料力学课程设计的任务和要求11、设计计算说明书的要求12、分析讨论及说明部分的要求23、程序计算部分的要求2三、设计题目21、求支座反力42、画出车架的内力图73、画出各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线94、求出最大绕度的值，画出车架扰曲线的大致形状105、按等截面梁重新设定截面尺寸12四、程序计算131、vb程序132、结构力学求解器程序24五、设计体会27体会27参考文献28一、
2、 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
3、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
4、。、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
5、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，max，min，r，m，a的计算，所查各系数的，,，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
6、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FB=4610N,q=12000N/m 。图7-1 车底盘简化图表7-1 固定数据l1/ml2/ml3/ml4/ml5/mh1/mb1/mh2/m1.11.63.11.62.10.10.060.12b2/mh3/mb3/mt/mE/GPa/MPaFA/N0.080.110.070.00521016026801.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
7、.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。、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
8、的连续梁力学模型。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：图7-2 基本结构去掉D、F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：图7-3 基本体系当X1=1单独作用时，车架的弯矩图如下：图7-4 单位弯矩图1当X2=1单独作用时，车架的弯矩图如下：图7-5 单位弯矩图2易求得，两单位弯矩图的最大值分别为：记:则，由图乘法易得，各位移系数如下：基本结构在外荷载下的弯矩图如下：图7-6 荷载弯矩图分别记C处、G处、CG中点处的弯矩为M1、M2 和M3，则： 将荷载弯矩图与各单位弯矩图分别图乘可得：其中：由力法典型方程可得：解得：又由平衡条件可知：即：
9、带入数据计算可得：、画出车架的内力图由叠加法知：，各段弯矩方程如下： 图7-7 结构弯矩图由各段的弯矩方程求导可得各段剪力方程如下： 图7-8 结构剪力图、画出各截面上弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线根据公式： ，可以求出各段的惯性矩的值：根据第2问中的弯矩方程和公式求出各段的最大弯曲正应力方程，由VB画出弯曲正应力最大值沿轴线方向的变化曲线：图7-9 正应力最大值变化曲线4、求出最大挠度的值，画出车架挠曲线的大致形状现采用图乘法求解各个特殊点的挠度，在A点加一个竖直向下的单位力，如下图所示：图7-10 单位力加在A点与第1、2问同理，运用力法可求得此时整个车架的弯矩图如下所示：图7-11
10、 单位弯矩图3带入数据计算可得：同理可算得：CD中点M处的挠度DF中点N出的挠度FG中点K的挠度B点的绕度由以上计算，可以得到车架在B端得挠度最大 ，绘出车架挠曲线如下图所示：图7-12 车架挠曲线5、按等截面梁重新设定截面尺寸重新设计截面梁的截面尺寸时的主要依据是使截面上的最大弯曲正应力小于许用应力。根据弯矩图可以判断最大弯矩发生的截面，最大弯矩已知，想要改变最大正应力的大小，就需要根据重新设计截面的尺寸。根据弯曲正应力的强度条件由弯矩图可知，最大弯矩发生在后簧滑板G处的截面：带入数据解得：b=0.075m,h=0.112m四、 程序计算1、 VB程序代码：Dim Fa,Fb,t,E,0,(
11、1 To 3),q,a(1 To 3),k,x,y,y0,ya,S,n As DoubleDim l(0 To 5),h(1 To 3),b(1 To 3),I(1 To 3),M(0 To 3),M11,M22,M12,M21,M13,M23,_11,12,21,22,1p,2p,X1,X2,M10,M20,Fc,Fg,M0(0 To 9500),Iz,b0,h0,W(1 To 3)As Double全局变量定义Private Sub Command0_Click()力法解车架支反力的弯矩图Picture1.Clsy=1000S=0.05Picture1.Line(x,y)-(x+1000*
12、(l(0)+l(1)+l(5),y)Picture1.Line(x,y)-(x+1000*l(1),y+S*M(1)Picture1.Line(x+1000*(l(0)+l(1)+l(5),y)-(x+1000*(l(0)+l(1),y+S*M(2)For k=0 To l(0)Step 0.001M(0)=a(1)*k 2+a(2)*k+a(3)Picture1.PSet(x+1000*l(1)+1000*k,y+S*M(0) 外荷载下弯矩Next ky=y+2.5*y0Picture1.Line(x,y)-(x+1000*(l(0)+l(1)+l(5),y)Picture1.Line(x+
13、1000*l(1),y)-(x+1000*(l(2)+l(1),y-1000*M11)Picture1.Line(x+1000*(l(0)+l(1),y)-(x+1000*(l(2)+l(1),y-1000*M11)y=y+y0Picture1.Line(x,y)-(x+1000*(l(0)+l(1)+l(5),y)Picture1.Line(x+1000*l(1),y)-(x+1000*(l(2)+l(1)+l(3),y-1000*M22)Picture1.Line(x+1000*(l(0)+l(1),y)-(x+1000*(l(2)+l(1)+l(3),y-1000*M22) 单位力作用下
14、弯矩图End SubPrivate Sub Command1_Click()画车架弯矩图Picture1.Clsy=3000S=0.2n=0Print Tab(100); A-G各特殊点弯矩值：Picture1.Line(x,y)-(x+1000*(l(0)+l(1)+l(5),y)Picture1.Line(x,y)-(x+1000*l(1),y+S*M(1)Picture1.Line(x+1000*(l(0)+l(1)+l(5),y)-(x+1000*(l(0)+l(1),y+S*M(2)For k=0 To l(0)Step 0.001If k l(2)ThenM10=k/l(2)*M1
15、1ElseM10=(l(0)-k)/(l(0)-l(2)*M11End IfIf k l(2)+l(3)ThenM20=k/(l(0)-l(4)*M22ElseM20=(l(0)-k)/l(4)*M22End IfM(0)=a(1)*k 2+a(2)*k+a(3)M0(1000*(l(1)+k)=(M(0)-X1*M10-X2*M20)车架各点弯矩值Picture1.PSet(x+1000*l(1)+1000*k,y+S*M0(1000*(l(1)+k)Next kFor k=0 To l(1)Step 0.001M0(1000*k)=k/l(1)*M(1)Next kFor k=0 To l
16、(5)Step 0.001M0(1000*(l(1)+l(0)+k)=(l(5)-k)/l(5)*M(2)Next kFor k=0.001 To l(0)+l(1)+l(5)-0.001 Step 0.001If(M0(1000*k) M0(1000*k-1)And M0(1000*k) M0(1000*k-1)And M0(1000*k) M0(1000*k+1)ThenPrint Tab(100); Round(M0(1000*k),2)& NmA-G各特殊点弯矩值End IfNext kEnd SubPrivate Sub Command2_Click()输出支反力值Print Tab
17、(100); Fc=; Round(Fc,2); NPrint Tab(100); Fd=; Round(X1,2); NPrint Tab(100); Ff=; Round(X2,2); NPrint Tab(100); Fg=; Round(Fg,2); NCommand2.Enabled=FalseEnd SubPrivate Sub Command4_Click()画车架最大正应力曲线x=1000y=8000Print Tab(100); A-G各特殊点正应力值：Picture1.ClsPicture1.Line(x,y)-(x+1000*(l(0)+l(1)+l(5),y)For k
18、=0 To l(0)Step 0.001If k l(2)ThenM10=k/l(2)*M11ElseM10=(l(0)-k)/(l(0)-l(2)*M11End IfIf k l(2)+l(3)ThenM20=k/(l(0)-l(4)*M22ElseM20=(l(0)-k)/l(4)*M22End IfM(0)=a(1)*k 2+a(2)*k+a(3)M(0)=-Abs(M(0)-X1*M10-X2*M20)(3)=M(0)*h(2)/2/I(2)Picture1.PSet(x+1000*l(1)+1000*k,y+20*10 -6*(3)M0(1000*(l(1)+k)=10 -6*(3)
19、Next kM0(1000*l(1)-1)=0M0(1000*(l(1)+l(0)+1)=0For k=l(1)To l(0)+l(1)Step 0.001If(M0(1000*k) M0(1000*k-1)And M0(1000*k) M0(1000*k-1)And M0(1000*k) _M0(1000*k+1)And Abs(M0(1000*k) 0.1 ThenPrint Tab(100); & Round(Abs(M0(1000*k),2)& MPaEnd If输出A-G各特殊点正应力值Next k(1)=M(1)*h(1)/2/I(1)(2)=M(2)*h(3)/2/I(3)Pic
20、ture1.Line(x,y)-(x+1000*l(1),y+20*10 -6*(1)Picture1.Line(x+1000*(l(0)+l(1)+l(5),y)-(x+1000*(l(0)+l(1),y+20*10 -6*(2)Picture1.Line(x+1000*l(1),y+20*10 -6*(1)-(x+1000*l(1),y+20*10 -6*M(1)*h(2)/2/I(2)Picture1.Line(x+1000*(l(0)+l(1),y+20*10 -6*(2)-(x+1000*(l(0)+l(1),y+20*10 -6*M(2)*h(2)/2/I(2)End SubPri
21、vate Sub Command5_Click()作简力图S=0.1y=4000Picture1.ClsPicture1.Line(x,y)-(x+1000*(l(0)+l(1)+l(5),y)Picture1.Line(x,y+S*Fa)-(x+1000*l(1),y+S*Fa)Picture1.Line(x+1000*l(1),y+S*(Fa-Fc)-(x+1000*(l(1)+l(2),y+S*(Fa-Fc+q*l(2)Picture1.Line(x+1000*(l(1)+l(2),y+S*(Fa-Fc+q*l(2)-X1)-(x+1000*(l(1)+l(2)+l(3),y+S*(Fa
22、-Fc-X1+q*(l(2)+l(3)Picture1.Line(x+1000*(l(1)+l(0)-l(4),y-S*(Fb-Fg+q*l(4)-(x+1000*(l(1)+l(0),y-S*(Fb-Fg)Picture1.Line(x+1000*(l(1)+l(0),y-S*Fb)-(x+1000*(l(1)+l(0)+l(5),y-S*Fb) 剪力大小Picture1.Line(x,y)-(x,y+S*Fa)Picture1.Line(x+1000*l(1),y+S*Fa)-(x+1000*l(1),y+S*(Fa-Fc)Picture1.Line(x+1000*(l(1)+l(2),y
23、+S*(Fa-Fc+q*l(2)-(x+1000*(l(1)+l(2),y+S*(Fa-Fc+q*l(2)-X1)Picture1.Line(x+1000*(l(1)+l(2)+l(3),y+S*(Fa-Fc-X1+q*(l(2)+l(3)-(x+1000*(l(1)+l(0)-l(4),y-S*(Fb-Fg+q*l(4)Picture1.Line(x+1000*(l(1)+l(0),y-S*(Fb-Fg)-(x+1000*(l(1)+l(0),y-S*Fb)Picture1.Line(x+1000*(l(1)+l(0)+l(5),y-S*Fb)-(x+1000*(l(1)+l(0)+l(5)
24、,y) 竖直线End SubPrivate Sub Command6_Click()截面设计For b0=0.03 To 0.1 Step 0.00001h0=b0*1.5If Abs(-M(2)/0-(b0*h0 2-(b0-2*t)*(h0-2*t) 3/h0)/6) 10 -8 ThenPrint Tab(120); Round(b0,3); Round(h0,3)End IfNext b0End SubPrivate Sub Command7_Click()数据输入及计算Fb=Val(Text1)q=Val(Text2)x=1000y=2000y0=20000=160*10 6E=21
25、0*10 9M(1)=-Fa*l(1)M(2)=-Fb*l(5)M(3)=(M(1)+M(2)/2+(q*l(0) 2)/8a(3)=M(1)a(1)=-2*(-M(2)+2*M(3)+-M(1)/l(0) 2a(2)=(-M(1)+M(2)-a(1)*l(0) 2)/l(0)M11=(l(3)+l(4)*l(2)/l(0)M22=(l(2)+l(3)*l(4)/l(0)M12=l(4)/(l(3)+l(4)*M11M21=l(2)/(l(3)+l(2)*M22M13=l(0)/(l(3)+l(4)*M11M23=l(0)/(l(3)+l(2)*M2211=0.5*M11*l(2)*2/3*M
26、11+0.5*M11*(l(3)+l(4)*2/3*M11各位移系数22=0.5*M22*l(4)*2/3*M22+0.5*M22*(l(3)+l(2)*2/3*M2212=0.5*M11*l(2)*2/3*M21+0.5*M12*l(4)*2/3*M22+0.5*(M11-M12)*_l(3)*(1/3*M22+2/3*M21)+M12*l(3)*0.5*(M21+M22)21=121p=-0.5*M13*l(0)*(1/3*M(2)+2/3*M(1)-2/3*0.125*q*l(0) 3*0.5*M13-(-M(1)*l(2)/3*M13 _- 0.5*(a(1)*l(2) 2+a(2)*
27、l(2)+a(3)*l(2)/3*M13-2/3*0.125*q*l(2) 3*0.5*M13)2p=-0.5*M23*l(0)*(1/3*M(1)+2/3*M(2)-2/3*0.125*q*l(0) 3*0.5*M23-(-M(2)*l(4)/3*M23 _- 0.5*(a(1)*(l(2)+l(3) 2+a(2)*(l(3)+l(2)+a(3)*l(4)/3*M23-2/3*0.125*q*l(4) 3*0.5*M23)X2=(11*2p-12*1p)/(12 2-11*22)X1=(-1p-12*X2)/11Fc=-(X1*(l(3)+l(4)+X2*l(4)+Fb*l(5)-Fa*(l
28、(1)+l(0)-q*l(0) 2/2)/l(0)Fg=Fa+Fb+q*l(0)-Fc-X1-X2PrintFor k=1 To 3I(k)=(b(k)*h(k) 3-(b(k)-2*t)*(h(k)-2*t) 3)/12Print Tab(100); M & k; =; Round(M(k),1); NmW(k)=b(k)*h(k)-(b(k)-2*t)*(h(k)-2*t)Next k IzPrint Tab(100); CD、DF、FG段弯矩方程一次项：Print Tab(100); Round(a(2)-2*a(1)*l(1)-X1*M11/l(2)-X2*M22/(l(2)+l(3)
29、,2); _Tab; Round(a(2)-2*a(1)*l(1)+X1*M11/(l(3)+l(4)-X2*M22/(l(2)+l(3),2)_; Tab; Round(a(2)-2*a(1)*l(1)+X1*M11/(l(3)+l(4)+X2*M22/l(4),2)Print Tab(100); CD、DF、FG段弯矩方程常数项：Print Tab(100); Round(a(1)*l(1) 2-a(2)*l(1)+a(3)+X1*M11*l(1)/l(2)+X2*M22*l(1)/(l(2)+l(3),2); _Tab;Print Round(a(1)*l(1) 2-a(2)*l(1)+
30、a(3)-X1*M11*(l(1)+l(0)/(l(3)+l(4)+X2*M22*l(1)/(l(2)+l(3),2)_; Tab;Print Round(a(1)*l(1) 2-a(2)*l(1)+a(3)-X1*M11*(l(1)+l(0)/(l(3)+l(4)-X2*M22*(l(0)+l(1)/l(4),2)End SubPrivate Sub Command8_Click()位移计算M11=M11*X1M22=M22*X2M12=l(4)/(l(3)+l(4)*M11M21=l(2)/(l(3)+l(2)*M22M13=l(0)/(l(3)+l(4)*M11M23=l(0)/(l(3
31、)+l(2)*M22ya=1/412125*0.5*M(1)*l(1)*2/3*1.1+1/788725*(0.5*M11*l(2)+0.5*M21*l(2)-_0.5*(a(1)*l(2) 2+a(2)*l(2)+a(3)*l(2)*(1.1/3-0.210082539*2/3)+0.5*M(1)*l(2)*(1.1*2/3-0.210082539/3)-_2/3*0.125*q*l(2) 3*0.5*(1.1-0.210082539)_+ 0.5*(a(1)*l(2) 2+a(2)*l(2)+a(3)-(M11-M12)*l(3)*(0.210082539*2/3-0.0692825396
32、/3)_+ 0.5*(a(1)*(l(2)+l(3) 2+a(2)*(l(3)+l(2)+a(3)-(M22-M21)*l(3)*(0.210082539/3-0.0692825396*2/3)_+(2/3*0.125*q*l(3) 2-M12-M21)*l(3)*0.5*(0.210082539-0.0692825396)_+ 0.5*(M12+M22-(a(1)*(l(2)+l(3) 2+a(2)*(l(3)+l(2)+a(3)*l(4)*0.0692825396*2/3 _+ M(2)*0.5*l(4)*0.0692825396/3-2/3*0.125*q*l(4) 3*0.5*0.06
33、92825396)Print Tab(100); yaEnd SubPrivate Sub Form_Load()固定数据赋值Picture1.Height=10000Picture1.Width=11500l(1)=1.1l(2)=1.6l(4)=1.6l(3)=3.1l(5)=2.1l(0)=l(2)+l(3)+l(4)b(1)=0.06b(2)=0.08b(3)=0.07h(1)=0.1h(2)=0.12h(3)=0.11t=0.005Fa=2680E=210*10 9Print Tab(100); 请输入数据PrintEnd Sub关键步骤的执行结果：2、结构力学求解器程序代码：TIT
34、LE,车架模型计算结点,1,0,0结点,2,1.1,0结点,3,2.7,0结点,4,5.8,0结点,5,7.4,0结点,6,9.5,0单元,1,2,0,0,0,1,1,1单元,2,3,1,1,1,1,1,1单元,3,4,1,1,1,1,1,1单元,4,5,1,1,1,1,1,1单元,5,6,1,1,1,0,0,0结点支承,2,3,0,0,0结点支承,3,1,0,0结点支承,4,3,0,0,0结点支承,5,1,0,0单元荷载,1,1,2680,0,90单元荷载,5,1,4100,1,90单元荷载,2,3,15200,0,1,90单元荷载,3,3,15200,0,1,90单元荷载,4,3,1520
35、0,0,1,90单元材料性质,1,1,315000000,412125,0,0,-1单元材料性质,2,4,399000000,788725,0,0,-1单元材料性质,5,5,357000000,580475,0,0,-1END关键步骤的执行结果：五、 设计体会正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”材料力学课程设计让我体验到了平时做的习题是解决不了工程实际问题的。要想解决实际的生活问题，我们还需要学习很多知识。在做课程设计的时候，我使用了很多工具，如：Visual Basic，结构力学求解器，word2010等。查了很多资料，利用网络和图书管的网上资源可以查到自己想要找的参考书籍。另外，此次
36、课程设计使我认识到解决工程实际问题的一般方法是：首先把实际问题抽象成力学模型，然后通过对力学模型的分析建立相关方程，最后求解得倒结果。 总体感觉在材料力学课程设计的时候涉及的知识方面很广，从使用力学知识进行力学分析，到使用word编辑文档。每一项想要做好都不是那么容易做好的，比如最简单的word，在编辑的时候可以使用标题，导航等各种工具以方便进行文档排版和设计，还有页眉页脚等使文档排版更加美观。在做这些事情的时候，我觉得一篇文章就是一个学生综合能力的反映，也是学生对待课程设计态度的反映。另外，由于全过程的计算我都是通过编程来完成的，所以在此文中没有详细地反映各步骤的数据计算。通过设计我的能力得到了提高，在做设计的过程中，由于编程计算涉及到的编译器知识点较多，因而设计进行得比较缓慢，这也是相对于其他同学的平均时间而言。在设计过程中，我主要是重新复习了VB的相关知识，并且学习了一些需要用到但是还没有学到的力学方面的知识，同时也参考了在网络上下载的一些资料。虽然我使用了半个多月的时间完成这次课程设计，但此作品还是有不完善的地方，有待进一步学习。参考文献1、王焕定等结构力学 高等教育出版社2010年1月2、徐波、姚雪存Visual Basic 2008 大学教程 电子工业出版社2010年10月3、聂毓琴、孟广伟材料力学 机械工业出版社2009年1月
