赵军《化工设备机械基础2版》

化工设备机械基础BUCTPage1化工设备机械基础电话：Email：化工设备机械基础BUCTPage2绪论一、研究对象（为什么）化工机器及设备：反应器、换热器、塔器各种泵、压缩机、离心机带搅拌的反应釜静设备动设备及机器带运动的静设备化工设备机械基础BUCTPage3二、本课程的内容（1）工程力学基础：研究物体机械运动的规律及构件的受力、变形与破坏规律，进行强度、刚度计算（2）压力容器设计基础：研究化工容器及设备的类型、特点、设计计算方法（3）机械传动：几种典型常用传动装置的工作原理、失效形式、承载能力计算。机械通用零部件的设计方法。化工设备机械基础BUCTPage4三、目的要求具备对常见的典型的低中压化工设备和简单机械传动装置进行初步设计能力；掌握必备的机械知识。四、注意事项本课程是一门技术基础课化工设备机械基础BUCTPage5第一篇、工程力学基础•力学：研究物体机械运动一般规律的科学•历史(前287-212)杠杆平衡等规律墨翟(前468-382)“墨经”：力，重心化工设备机械基础BUCTPage6[意]伽利略(1564-1642)天文学家，力学家，哲学家加速度的概念加速度试验惯性原理[明]宋应星1637“天工开物”化工设备机械基础BUCTPage7[英]牛顿(1642-1727)物理学家,数学家,天文学家牛顿运动定律万有引力定律1687年出版的巨著“MathematicalPrinciplesofNaturalPhilosophy”微积分学振动理论,运动稳定性理论,多刚体系统动力学化工设备机械基础BUCTPage8第一篇、工程力学基础一、构件：工程结构和机器的组成部分。按几何形状分为杆、板（壳）、体。二、对构件的力学要求强度（strength)：抵抗破坏的能力刚度(stiffness)：抵抗变形的能力稳定性(stability)：保持原有平衡形状的能力化工设备机械基础BUCTPage9三、本篇内容静力学:研究物体受力的简化及平衡条件（刚体）材料力学:研究变形杆件的强度、刚度和稳定性（变形体）•根据实际问题抽象建立力学模型•应用数学方法描述客观规律•应用数学工具得到解决问题的方法研究方法化工设备机械基础BUCTPage10第一章、物体的受力分析和静力平衡方程§1静力学的基本概念§2约束和约束反力§3分离体和受力图§4平面汇交力系的简化与平衡§5平面力偶系的间化与平衡§6力的平移§7平面力系的简化合力矩定理§8平面力系的平衡方程问题：受力分析：几个力平衡条件：什么力大小方向作用点化工设备机械基础BUCTPage11一、力的基本概念力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的运动状态和形状发生改变。o运动状态改变——外效应（静力学）o形状改变——力的内效应（材料力学）o力是一个矢量o力的三要素：大小、方向、作用点§1静力学的基本概念F化工设备机械基础BUCTPage12力的分类按作用方式分为：体积力和表面力Fq(x)q集中力分布力均布力均布载荷化工设备机械基础BUCTPage13二、刚体的概念理想化理想化分子的集合看成连续体看成刚体看成质点理想化化工设备机械基础BUCTPage14刚体：在外力作用下，不发生变形的物体质点:集中质量的数学模型。它没有大小，但具有质量。化工设备机械基础BUCTPage15载人飞船的对接研究轨道问题时——质点研究对接问题时——刚体化工设备机械基础BUCTPage16三、静力学的公理力系——作用在物体上的一群力，称为力系。平衡力系——如果刚体在某个力系的作用下保持静止或匀速直线运动，则称这个力系为平衡力系。等效力系——如果作用在刚体上的一个力系能用另一个力系来代替，而不改变对刚体的作用效果，则这两个力系为等效力系（其中任一个力系是另一个力系的等效力系）。合力——如果一个力和一个力系等效，则称这个力是该力系的合力。化工设备机械基础BUCTPage17合力：与某力系等效的力FR：该力系的合力(resultantforce)Fi（i=1,2,…n)：合力的分力(componentforce)}{},,,{21RnFFFF平衡力系(equilibriumforcesystem):对刚体不产生任何作用效果的力系。作用在刚体上的力系满足什么条件时，物体保持平衡？化工设备机械基础BUCTPage18公理一（二力平衡公理）作用于刚体上的两个力平衡的充要条件是：两个力大小相等，方向相反，并作用在同一直线上。注意：这个公理只适用于刚体。FFFFFF二力构件化工设备机械基础BUCTPage19公理二（加减平衡力系公理）在作用于刚体上的任何一个力系上，添加或除去一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。ABF1ABF1F1F1＝BAF1＝化工设备机械基础BUCTPage20推论（力的可传性）作用在刚体的任何力，可以沿其作用线移至刚体内任意一点，而不改变它对刚体的作用效果。注意：公理二和力的可传性也都只适用于刚体而不适用于变形体。FF＝化工设备机械基础BUCTPage21公理三（作用与反作用定律）两物体间相互作用的力，总是大小相等，方向相反，分别作用在这两个物体上。化工设备机械基础BUCTPage22§1-2约束和约束反力自由体(freebody):在空间可以自由运动，而获得任意位移的物体。非自由体(nonfreebody):位移受到某些限制的物体。约束(constraint):限制非自由体运动的装置和设施约束反力(constraintforce):约束对物体的反作用力主动力(activeforce):主动引起物体运动状态改变和改变趋势的力（载荷）化工设备机械基础BUCTPage23几种常见的约束类型1.柔索约束（柔绳、链条、胶带构成的约束）G约束反力的方向与该约束限制的物体的位移方向相反阻止沿柔索中心线伸长化工设备机械基础BUCTPage24T1T2约束反力作用在接触点；约束反力方向沿绳索中心背离非自由体。柔索约束GT1T2化工设备机械基础BUCTPage252.理想光滑面约束GGFN公切线公法线GFN化工设备机械基础BUCTPage26GGFNFF光滑面约束：约束反力通过接触点沿公法线指向非自由体。化工设备机械基础BUCTPage273.圆柱铰链约束A圆柱铰链圆柱铰链约束：约束反力通过销钉中心，沿接触点公法线方向。通常用两个正交分量Fx和Fy来表示。AFxFy化工设备机械基础BUCTPage28铰支座：用圆柱铰链将一个构件与底座连接。分为固定铰支座和可动铰支座固定铰链支座AAFyFx化工设备机械基础BUCTPage29可动铰支座可动铰支座：约束反力通过销钉的中心垂直于支承面。AAFy化工设备机械基础BUCTPage30轴承约束径向轴承止推轴承FyFxFxFyFz化工设备机械基础BUCTPage31§3分离体和受力图研究对象——把所研究的物体与周围的物体分离开（隔离体或分离体）。受力图——在分离体上加全部所受之力。o受力图的画法：1.根据题意选取研究对象，用尽可能简明的轮廓把它单独画出。2.画出分离体所受的主动力。3.在原来存在约束的地方按照约束类型逐一画出约束反力。化工设备机械基础BUCTPage32ABCDO1O2例题：化工设备机械基础BUCTPage33(b)DABCG例：画出AB杆的受力图(a)ABCGD解除约束原理：人为地解除约束后，必须在接触点上用一个适当的约束力来代替约束的作用AFDFBF化工设备机械基础BUCTPage34(a)(b)(d)(c)二力构件/二力杆化工设备机械基础BUCTPage35反之，当投影Fx、Fy已知时，则可求出力F的大小和方向：§1–4力的投影.合力投影定理一、力在坐标轴上的投影：cosxFFcosFFy2y2xFFFFFFFyxcoscos结论：力在某轴上的投影，等于力的模乘以力与该轴正向间夹角的余弦。yb´a´abFOxBFxFy化工设备机械基础BUCTPage36由力矢F的始端A和末端B向投影平面oxy引垂线，由垂足A′到B′所构成的矢量A′B′，就是力在平面Oxy上的投影记为Fxy。即：cosFFxy注意：力在轴上投影是代数值。力在平面上的投影是矢量。二、力在平面上的投影：xyOA′B′ABFFxy化工设备机械基础BUCTPage37AF2F1(a)F3xF1F2FRF3ABCD(b)合力在任一轴上的投影等于它的各分力在同一轴上的投影的代数和。证明：以三个力组成的共点力系为例。设有三个共点力F1、F2、F3如图。三、合力投影定理：化工设备机械基础BUCTPage38根据合力投影定理得合力的大小()()()222222zyxFFFFRxFRFRyFRzFRxFRyFRzxnxxxFFFF21ynyyyFFFF21znzzzFFFF21合力R的方向余弦FRyFRzFRxFFFzyxgcos,cos,cosFRFRFRFRFRFR化工设备机械基础BUCTPage39OAdBF一、力矩的定义——力F的大小乘以该力作用线到某点O间距离d，并加上适当正负号，称为力F对O点的矩。简称力矩。§1–5力矩力偶二、力矩的表达式:三、力矩的正负号规定：按右手规则，当有逆时针转动的趋向时，力F对O点的矩取正值。四、力矩的单位：与力偶矩单位相同，为N.m。()FdFMO化工设备机械基础BUCTPage40五、力矩的性质：1、力沿作用线移动时，对某点的矩不变2、力作用过矩心时，此力对矩心之矩等于零3、互成平衡的力对同一点的矩之和等于零4、力偶中两力对面内任意点的矩等于该力偶的力偶矩化工设备机械基础BUCTPage41()xyoyFxFFm六、力矩的解析表达式yxOyFxFFxyAB力对某点的矩等于该力沿坐标轴的分力对同一点之矩的代数和化工设备机械基础BUCTPage42F1F2d七、力偶和力偶矩1、力偶——大小相等的二反向平行力。⑴、作用效果：引起物体的转动。⑵、力和力偶是静力学的二基本要素。力偶特性二：力偶只能用力偶来代替（即只能和另一力偶等效），因而也只能与力偶平衡。力偶特性一：力偶中的二个力，既不平衡，也不可能合成为一个力。化工设备机械基础BUCTPage43工程实例化工设备机械基础BUCTPage442、力偶臂——力偶中两个力的作用线之间的距离。3、力偶矩——力偶中任何一个力的大小与力偶臂d的乘积，加上适当的正负号。F1F2d力偶矩正负规定：若力偶有使物体逆时针旋转的趋势，力偶矩取正号；反之，取负号。量纲：力×长度，牛顿•米（N•m）.FdM±化工设备机械基础BUCTPage45八、力偶的等效条件同平面上力偶的等效条件FdFd因此，以后可用力偶的转向箭头来代替力偶。=作用在刚体内同一平面上的两个力偶相互等效的充要条件是二者的力偶矩代数值相等。化工设备机械基础BUCTPage461、概念：用来表示力偶矩的大小、转向、作用面的有向线段。2、力偶的三要素：(1)、力偶矩的大小。(2)、力偶的转向。(3)、力偶作用面的方位。3、符号：m九、力偶矩矢FFm化工设备机械基础BUCTPage474、力偶矩矢与力矢的区别力偶矩矢是自由矢量，而力矢是滑动矢量。指向人为规定，力矢指向由本身所决定。5、力偶等效定理又可陈述为:力偶矩矢相等的两个力偶是等效力偶。化工设备机械基础BUCTPage48十、力对点的矩与力偶矩的区别：相同处：力矩的量纲与力偶矩的相同。不同处：力对点的矩可随矩心的位置改变而改变，但一个力偶的矩是常量。联系：力偶中的两个力对任一点的矩之和是常量，等于力偶矩。化工设备机械基础BUCTPage49§3–2FAOdFAOdFFMAOF==把力F作用线向某点O平移时，须附加一个力偶，此附加力偶的矩等于原力F对点O的矩。证明：一、力线平移定理：FFF§1–6力的平移()FmFdM0化工设备机械基础BUCTPage50二、几个性质：1、当力线平移时，力的大小、方向都不改变，但附加力偶的矩的大小与正负一般要