化工设备机械基础

化工设备 机械基础姚 干 兵gbyaoyzu.edu.cn绪言1.掌握杆件、平板、回转体的基础力学理论； 2.掌握金属材料的基础知识； 3.了解化工设备的基础知识，具备设计、使用 和管理化工设备的能力； 4. 掌握压力容器的一般设计方法，重点掌握设 计的基本原理与思路； 5.了解化工机械传动的基础知识。一、本课程的任务二、本课程的要求1.掌握化工设备构件的力学分析； 2.掌握压力容器的类型与总体结构； 3.掌握典型化工设备结构设计的具体设计方法； 4.掌握化工设备常用材料的分类、性能和选用； 5.熟悉涉及压力容器、制造、检验、材料使用和 监察管理的有关标准和法规 6.了解化工机械传动的基本知识。 三、本课程的主要内容1. 力学基础； 2. 化工材料及材料的力学性能； 3.化工压力容器及典型化工设备设计； 4. 化工机械传动基础。 四、课程安排1. 力学基础； 2.化工材料及材料的力学性能； 3.化工压力容器及典型化工设备设计； 4.化工机械传动基础。五、考核要求及形式v平时占30分课堂表现、练习及作业v考试（闭卷）占70分六、主要参考资料n汤善甫等，化工设备机械基础，华东理工大学出版社n董大勤主编，化工设备机械基础，化学工业出版社n范钦珊主编，工程力学教程，高等教育出版社n机械工程手册，传动设计卷，化学工业出版社nHG20583-1998 钢制化工容器结构设计规定 第一部分力学基础第一章构件的受力分析一. 力的概念力的单位，采用国际单位时为：或牛顿（N）以及千牛（KN）§1-1 力的概念及其性质1定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用可以使物体的运动状态发生变化。2. 力的效应： 运动效应(外效应) 变形效应(内效应)。3. 力的三要素：大小，方向，作用点AF4. 力的表示：A 图形表示B 符号表示AF5.相关的概念 力系：是指作用在物体上的一群力。平衡力系：物体在力系作用下处于平衡状态，我们称这个力系为平衡力系。矢量大小6.力的分类 集中力、分布力、集中力偶力可以在刚体上沿其作用线移至任意一点而不改变它 对刚体的作用效应1.力的可传性二.力的基本性质作用力与反作用力总是等值、反向、共线、作用在相互 作用的两个物体上。例 吊灯2.力的成对性力是两个物体间的相互机械作用，就两个物体而言，作 用力与反作用力必然永远同时产生,同时消失。3.力的可合性力的可合性就是作用在物体上的两个力可合成为一个合 力，即两个力对物体的作用可以用一个力来等效代替，这就 是力的合成。力的合成遵循的准则是平行四边形法则，即合力的大小 和方向由以原两力矢为邻边所构成的平行四边形的对角线来 表示。4.力的可分性力的可分性就是作用在物体上的一个合力可分解为两个 力，即一个力对物体的作用可以产生两个效果，这就是力的 分解。力的分解遵循的准则是平行四边形法则，即分力的大小 和方向由以原力矢为对角线所构成的平行四边形的邻边来表 示。5.力的可消性一个力对物体所产生的外效应，可以被一个或几个作 用于该同一物体上的外力所产生的外效应所抵消，这就是 力的可消性。在作用于刚体的任意力系上，加上或减去任一平衡力 系，并不改变原力系对刚体的作用效应。（1）二力平衡定理 作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是：这两个力大小相等 | F1 | = | F2 | 方向相反 F1 = F2 作用线共线，作用于同一个物体上。说明：对刚体来说，上面的条件是充要的 二力体：只在两个力作用下平衡的刚体叫二力体。对变形体来说，上面的条件只是必要条件(或多体中)二力杆只有两个力作用下处 于平衡的物体二力构件不是二力构件刚体受三力作用而平衡，若其中两力作用线汇交于一点，则另一力的作用线必汇交于同一点，且三力的作用线共面。（必共面 ，在特殊情况下，力在无穷远处汇交平行力系。） （2）三力平衡汇交定理 证 为平衡力系， 也为平衡力系。又 二力平衡必等值、反向、共线， 三力 必汇交，且共面。约束反力：约束对被约束物体的作用力叫约束反力。 一、约束与约束反力自由体：位移不受限制的物体叫自由体，如汽球。 非自由体：位移受限制的物体叫非自由体，如在槽内绿球。约束：对非自由体的某些位移预先施加的限制条件称为约束。（这里，约束是名词，而不是动词的约束。）§1-2 §1-2 刚体的受力分析刚体的受力分析大小常常是未知的；方向总是与约束限制的物体的位移方向相反；作用点在物体与约束相接触的那一点。约束反力特点：GN1N2按照牛顿第三定律，约束力是一对作用力与反作用力， 它们一定大小相等、方向相反、分别作用在构成运动副的两 个刚体上。下面我们讨论几种常见的理想约束：绳索类只能受拉，所以它们的约束反力是作用在接触点，方向沿绳索背离物体。1. 柔软体约束PPT约束是的各种绳索、链条、皮带等柔软体。皮带约束力沿轮缘的切线方向背离皮带轮，即为拉力。分析皮带对皮带轮的作用力约束反力作用在接触点处，方向沿公法线，指向受力物体2.光滑接触面约束 (光滑指摩擦不计)PNNP NANB光滑支承接触对非自由体的约束力，作用在接触 处；方向沿接触处的公法线并指向受力物体，故 称为法向约束力，用 表示。AAXAYA A3.铰链约束圆柱铰链固定铰支座.活动铰支座（辊轴支座）1.受力分析解决力学问题时，首先要明确需要进行研究的物体，即确定研究对象；然后根据已知条件，约束类型并结合基本概念和公理分析它的受力情况，这个过程称为物体的受力分析。作用在物体上的力有：一类是:使物体具有运动趋势的力称为物体所受的主动力主动力,如重力,风力,气体压力等。二类是：被动力，限制物体运动的力为约束反力约束反力。 二、刚体的受力分析例1OWNDNEDBAXAYANDTB2. 受力图 画物体受力图主要步骤为： 明确研究对象；取分离体；画上主动力；画出约束反力。例2 尖点问题A B C CD例3XA YA NC NC ND P FB C A DXA YA ND P FB C A DP FFBCA C例4FA BCNA NC NC XB YB FA CBXB NA YB 3. 画受力图应注意的问题除重力、电磁力外，物体之间只有通过接触才有相互机械作用力，要分清研究对象（受力体）都与周围哪些物体（施力体）相接触，接触处必有力，力的方向由约束类型而定。(2)不要多画力要注意力是物体之间的相互机械作用。因此对于受力体所受的每一个力，都应能明确地指出它是哪一个施力体施加的。(1)不要漏画力约束反力的方向必须严格地按照约束的类型来画，不能单凭直观或根据主动力的方向来简单推想。在分析两物体之间的作用力与反作用力时，要注意，作用力的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之相反，不要把箭头方向画错。(3)不要画错力的方向(4)受力图上不能再带约束。即受力图一定要画在分离体上。一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同，有可能不同。当物体系统拆开来分析时，原系统的部分内力，就成为新研究对象的外力。对于某一处的约束反力的方向一旦设定，在整体、局部或单个物体的受力图上要与之保持一致。(5)受力图上只画外力，不画内力。(6)同一系统各研究对象的受力图必须整体与局部一致，相互协调，不能相互矛盾。(7 )正确判断二力构件 。ABCFACBC例6 画出下列各构件的受力图(外力作用于铰链时应如何考虑 ) ABCFNCBNBNBNANANCACFNCANCBABCFACBCABCFNBNANANCANBFNCA例7 画出下列各构件的受力图(外力作用于BC时应如何考虑)ABCFACBCABCFNCBNBNBNANAFNCB例8 画出下列各构件的受力图(外力作用于AC时应如何考虑)例9 画出下列各构件的受力图OCAXCXOXA YCYAYOOCFBADEOCFBADECFDEXCYCNEBAEXBYBXAYANEXOYOXBYB水平均质梁 重为 ，电动 机重为 ，不计杆 的自 重，画出杆 和梁 的受 力图。图(a)解：取 杆，其为二力构件，简 称二力杆，其受力图如图(b)例10 画出下列各构件的受力图取 梁，其受力图如图 (c)若这样画，梁 的受 力图又如何改动?杆的受力图能否画 为图（d）所示？例11不计自重的梯子放在光滑 水平地面上，画出梯子、 梯子左右两部分与整个系 统受力图。图(a)解：绳子受力图如图（b）所示梯子左边部分受力 图如图（c）所示梯子右边部分受力 图如图（d）所示整体受力图如图（e）所示提问：左右两部分梯子在A处，绳子对左右两部分 梯子均有力作用，为什么在整体受力图没有画出 ？平面汇交力系：各力的作用线都在同一平面内且汇交于一点的力系。研究方法：几何法，解析法。例：起重机的挂钩。力系分为：平面力系、空间力系平面汇交力系 平面力偶系 平面平行力系 平面一般力系平面力系平面特殊力系平面任意力系§1-3 平面汇交力系的简化与平衡一、平面汇交力系的简化1.力在坐标轴上的投影力 投影X=Fx=Fcosa ：Y=Fy=Fsina=F cosb投影 力2. 合力在坐标轴上的投影由图可看出，各分力在x轴和在y轴投影的和分别为： 合力投影定理：合力在任一轴上的投影，等于各分力在同一轴上投影的代数和。即：合力的大小 ：方向 ：作用点 ：为该力系的汇交点二、平面汇交力系的平衡条件从前述可知：平面汇交力系平衡的必要与充分条件是该力系 的合力为零。为平衡的充要条件，也叫平衡方程例1 铆接薄板在孔心A、B和C处受三力作用，如图所示F1=100N，沿铅直方向； F3=50N，沿水平方向，并通过点A； F2=50N，力的作用线也通过A，尺寸如图。求此力系的合力。BF3CA 6080F2F1解：如图建立坐标系，则xy所以列平衡方程 代入下式解得：ACPB选铰链C为研究对象取分离体画受力图解平衡方程例2 已知：P=10kN, BC=AC=2m，AC与BC相互垂直。求：在P的作用下AC、BC所受力的大小。PFBCFACxy由上一式得：由下一式解得：ACPB另一种列方程的方法PFBCFACxy （坐标轴的方向变化可以使计算变得简单）由上一式解得：1、一般地，对于只受三个力作用的物体，且角度特殊时用 几 何法（解力三角形）比较简便。 解题技巧及说明：3、投影轴常选择与未知力垂直，最好使每个方程中只有一个未知数。 2、一般对于受多个力作用的物体，无论角度不特殊或特殊，都用解析法。5、解析法解题时，力的方向可以任意设，如果求出 负值，说明力方向与假设相反。对于二力构件，一般先设为拉力，如果求出负值，说明物体受压力。4、对力的方向判定不准的，一般用解析法。一、力矩的概念 是代数量。当F=0或d=0时， =0。 是影响转动的独立因素。 =2AOB=Fd ,2倍形面积。力对物体可以产生 移动效应-取决于力的大小、方向 转动效应-取决于力矩的大小、方向1.力对点之矩（力矩）-+说明： F,d转动效应明显。 国际单位Nm，工程单位kgfm。§1-4 力矩、力偶、力的平移定理即如果以 表示由点O到点B的矢量，由矢量积定义， 的大小 就是三角形OAB的面积的两倍。由此可见，此矢量积的模 就等于力F对点O的矩的大小，其指向与力矩的转向符合右手法则。平面汇交力系的合力对平面内任一点的矩，等于所有各分 力对同一点的矩的代数和 即：2.合力矩证OArF1F2Fi FnR为平面汇交力系的合力，即：为矩心O到汇交点A的矢径，对