化工设备机械基础1

化工设备机械基础姚干兵[e-mail]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。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：2/smkg⋅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：①运动效应(外效应)②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。FFF=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。21FFFR+=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。RFFF=+215.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（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：①对刚体来说，上面的条件是充要的③二力体：只在两个力作用下平衡的刚体叫二力体。②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。321,,FFF321,,FFF3,FR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。）§§11--22刚体的受力分析刚体的受力分析①大小常常是未知的；②方向总是与约束限制的物体的位移方向相反；③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。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)PNNPNANB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。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。NFAAXAYAA3.铰链约束①圆柱铰链nFvnFvnxFvnyFvnyFvnxFv②固定铰支座aFvnFv③.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、刚体的受力分析二、刚体的受力分析[例1]OWNDNEDBAXAYAN’DTB2.受力图画物体受力图主要步骤为：①明确研究对象；②取分离体；③画上主动力；④画出约束反力。[例2]尖点问题ABCCD[例3]XAYANCN’CNDPFBCADXAYANDPFBCADPFFBC`AC[例4]`FABCNANCN’CXBYB`FACBXBNAYB3.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。``ABCF`AC`BC[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)``ABCFNCBNBNBNANANCACFN’CAN’CB``ABCF`AC`BC``ABCFNBNANANCANBFN’CA[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)``ABCF`AC`BC``ABCFNCBNBNBNANAFN’CB[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OCAXCXOXAYCYAYOOCFBADEOCFBADECFDEX’CY’CNEBAEXBYBX’AY’AN’EXOYOXBYB1P1P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)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)2P2PABABCDCDCDCDABAB解：取杆，其为二力构件，简称二力杆，其受力图如图(b)解：取杆，其为二力构件，简称二力杆，其受力图如图(b)CDCD[例10]画出下列各构件的受力图取梁，其受力图如图(c)取梁，其受力图如图(c)ABAB若这样画，梁的受力图又如何改动?若这样画，梁的受力图又如何改动?ABAB杆的受力图能否画为图（d）所示？杆的受力图能否画为图（d）所示？CDCD例11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)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）所示梯子右边部分受力图如图（d）所示整体受力图如图（e）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？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①平面汇交力系②平面力偶系③平面平行力系④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FFFXx==αcosFFFYy==βcos22yxFFF+=1.力在坐标轴上的投影力投影X=Fx=Fcosα：Y=Fy=Fsinα=Fcosβ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：∑=−+=XXXXRx421∑=+++−=YYYYYRy4321∑=YRy∑=XRx即：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。合力的大小：方向：作用点：2222∑∑+=+=YXRRRyxxyRR=θtg∑∑−−==XYRRxy11tgtgθ∴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。0022=+⇒=yxRRR∑∑====00YRXRyx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。BF3CA60㎜80㎜F2F1F1F2F3ΣX0305080Y100400140解：如图建立坐标系，则xy所以()()NYXFR2.16122=+=∑∑47==∑∑XYtgθ③列平衡方程0=∑X0=∑Y045cos45cos=°⋅−°⋅BCACFF045sin45sin=°⋅+°⋅+−BCACFFPBCACFF=代入下式解得：kN2545sin20===PFFBCACACPB①选铰链C为研究对象②取分离体画受力图④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：0=∑X0=∑Y045cos=°⋅−PFAC045sin=°⋅−PFBC由下一式解得：kN2545sin=°=PFBCACPB另一种列方程的方法PFBCFACxykN2545cos=°=PFAC由上一式解得：（坐标轴的方向变化可以使计算变得简单）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，昀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①是代数量。)(FMO当F=0或d=0时，=0。)(FMO③是影响转动的独立因素。)(FMO⑤=2⊿AOB=Fd,2倍⊿形面积。)(FMO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dF