化工设备机械基础幻灯片

化工设备机械基础化工设备机械基础是一门综合性机械类程。包括力学知识、材料知识、设备结构、零部件标准、压力容器安全技术监察规定等知识。第一篇力学基础研究对象：化工设备对化工设备要求是：1、强度—在外力作用下抵抗破坏的能力。2、刚度—在外力作用下抵抗变形的能力。3、稳定性—在外力作用下维持构件原有平衡形式的能力。构成化工设备的元件—杆件、平板、壳体。核心—由已知力求解未知力。一、必须掌握的基本概念1．力、力矩、力偶、力偶矩的定义。2．力和力偶的性质。3.约束的特点及“约束反力”的表达方法。4．力的平移定理的内容、实质、应用。二、刚体受力分析第一章刚体的受力及平衡规律三、力系的简化与平衡1、平面汇交力系的平衡条件：∑X=0∑Y=02、平面一般力系的平衡条件∑X=0∑Y=0∑M0(F)=0第一次课要求掌握1．力的定义、基本性质2.二力平衡公理与作用反作用公理的区别3.刚体受力分析约束的特点及“约束反力”的表达方法。§1-1力的概念及其性质一、力的概念1、力—物体间的相互作用称之为力2、力的作用效果运动状态改变—外效应产生形状改变—内效应。刚体—受力后不发生变形的物体。3、力的三要素：力的大小方向作用点。4、力的单位：N;1kgf=9.8N5、是一矢量：用有向线段表示。刚体—受力后不发生变形的物体。在对构件进行受力分析时，都把物体视为刚体。二、力的基本性质（1）二力平衡公理：当物体上只作用有两个外力而处于平衡时，这两个外力一定是大小相等，方向相反，作用线重合。（只用于刚体）二力杆——只在两个力作用下处于平衡的构件。*二力杆上的两个外力：其力作用线必与二力作用点的连线重合，而于二力杆的实际几何形状无关。（2）加减平衡力系公理与力的可传性作用在刚体上的力，可以沿其作用线移动到刚体上的任意点而不改变对刚体的外效应。（只用于刚体）（3）力的可合、可分性（合成与分解）力的平行四边形法则作用在某一点的两个力，可以用一个合力代替，合力的大小、方向和作用线可由两个分力为邻边所画出的平行四边形的对角线表示。两个力合成一个力时，只有唯一解；一个力分解为两个力时有无穷多解。合力的作用与它的分力的同时作用效果是相同的，故合力一定大于分力。()反例：（4）力的成对性（作用反作用公理）二物体间的相互作用力大小相等、方向相反、作用于同一直线上。（5）二力平衡公理与作用反作用公理的区别：相同点：二力等值、反向、共线不同点：二力平衡公理中的二力作用在同一物体上。作用反作用公理中的二力分别作用在两个物体上。P24:1-1§1-2刚体的受力分析一、约束和约束反力作用机器设备上的外力分为两类：①主动力—引起零件运动状态改变，或使零件具有改变运动状态的趋势。②约束—限制物体运动的物体。约束力：阻碍物体改变运动状态的力。确定约束反力的原则—总是和该约束所能限制的运动方向相反1、柔软体约束形成：由绳索、链条、皮带。特点：①只有拉直时才能起到约束的作用。②只能限制非自由体沿绳索伸直的方位向外运动。约束反力方向：沿柔软体中心线背离研究对象。2、光滑接触面约束二接触面忽略摩擦形成的约束。约束反力方向：沿接触面的公法线指向研究对象。3、铰链约束（1）构成：由一个带圆孔的零件和孔中插入的一个圆柱体构成。（2）特点：只能发生相对转动，不能产生相对移动。（3）约束反力方向：待定；作用线过销钉中心。画出指定物体的受力图小结：刚体的受力分析要领1、研究对象：单个零件、几个零件，整个构件。当取几个零件或整个构件为研究对象时，各零件之间相互作用的力是内力，不能表示在受力图上2、画受力图，不是施力图。3、除重力、电磁力外，只有直接与研究对象接触的物体才有力的作用。4、约束反力的画法只取决于约束的性质，不要考虑刚体在主动力作用下企图运动的方向5、画约束反力重要的是确定力线方位，力的指向在无法判定时可以任意假定。6、利用二力杆定力线方位，不能确定时可用两个正交分力代替。第二次课要求掌握：1、刚体受力分析要领2、平面汇交力系的平衡条件：∑X=0∑Y=03、平面汇交力系的平衡条件的应用力系平面力系：作用于刚体上的外力均处于同一平面内。平面汇交力系：平面力系中各力汇交于一点。1、刚体处于平衡状态：是指外力对刚体所产生的外效应正好相互抵消，也就是这几个外力对刚体的总效应等于零。2、使刚体处于平衡的条件是：作用于刚体上的所有外力的合力等于零。§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、求取一个力系合力的过程——力系的简化。2、解析法：解析法的基础是力在坐标轴上的投影。投影的大小表示此力沿该轴分力的大小。X=±FcosαY=±Fsinα（1）力在坐标轴的投影(2)合理投影定理合力在某一轴上的投影等于各分力在同一轴投影的代数和。二、平面汇交力系的平衡平面汇交力系的平衡条件：∑X=0∑Y=0例题1-3小结：1、研究对象应既包括已知外力、又包括待求外力。2、凡是在平衡方程中出现的数值和符号都必须标注在分离体受力图上。3、应使坐标轴的方位尽可能与较多的力线平行或垂直。4、方程的建立必须以分离体受力图为基准。当选取两个分离体时，应指明方程与受力图的对应关系；5、建立方程时，如果可能，宜首先建立只包含一个未知量的方程，并及时将该未知量解出后再建立第二个方程；第三次课要求掌握：1、力的平移定理的内容、应用。2、力矩、力偶、力偶矩的定义。3、力偶的性质4、平面一般力系的平衡条件∑X=0∑Y=0∑M0(F)=0§1-4、力偶、力的平移定理一、力矩1、矩心—转动中心称为矩心2、力矩表示：Mo(F)=+Fd3、符号规定：逆时针转向的力矩为值顺时针转向的力矩为负值二、力偶概念：1、定义：一对等值、反向、力作用线不重合的力。2、效果：只使物体转动不使物体移动。M(F,F/)=M0(F)+M0(F/)=F(x+d)-F/x=FdM(F,F/)=+Fd3、力偶的性质（1）等效变换性：在保持力偶矩的大小及其转向不变的前提下：*力偶的位置可以在其作用平面内任意移动或转动。*任意改变力的大小和臂的长短（2）基本物理量：任何两个力均可以为一个力所等效代替，唯独力偶不能合成一个合力。（3）可和性：合力偶的力偶矩等于分力偶矩的代数和。m=m1+m2+……+mn=∑m三、力的平移定理力向某一点平移时，除了本身的外力外，还要附加一个力偶。§1-5平面一般力系的简化与平衡一、平面一般力系的简化平面一般力系的平衡条件∑X=0∑Y=0∑M0(F)=0矩心的位置可以任意选定，通常选择在两个未知力作用线的交点为矩心。例题：1-6升降操作台，其自重G1=10kg，工作载荷F=4kg，在C点处和操作台相连接的软索绕过滑轮E，末端挂有重量为G的平衡重物，装在台边上的A、B两滚轮能使工作台沿轨道上下滚动。试求软绳的拉力和作用在A、B两轮上的反力（不计摩擦力）∑Y=0T-F-G=0T=14kN∑Mc(F)=01NB-1.2G1-1.5F=0NB=18kN∑X=0NB+NA=0NA=-NB=-18kN（负值说明NA的实际指向与图示相反。）第四次课要求1、掌握平面一般力系的平衡条件∑X=0∑Y=0∑M0(F)=02、掌握平面一般力系的平衡条件的应用三、固定端约束的受力分析例题：求塔机座对塔的约束反力∑X=0qh-XA=0XA=qh∑Y=0YA-W=0YA=W∑M0(F)=0qh.h/2-mA=0mA=qh2/2§1-6静力学问题求解方法小结一、如何确定研究对象在所选定的研究对象中应既包括已知外力、又包括待求外力。使未知力数目尽量少。一般情况下可优先考虑整个构件作为选取的研究对象之一二、如何画分离体受力图分离体受力图上，每个力矢的符号及有关的几何量都必须标注齐全，凡是在平衡方程中出现的数值和符号都必须标注在分离体受力图上。三、如何建立直角坐标系应使坐标轴的方位尽可能与较多的力线平行或垂直。四、如何应用静力平衡方程1．方程的建立必须以分离体受力图为基准。当选取两个分离体时，应指明方程与受力图的对应关系；2．建立方程时，如果可能，宜首先建立只包含一个未知量的方程，并及时将该未知量解出后再建立第二个方程；3．力矩方程∑M(F)＝0只能用于平面一般力系中，矩心应尽量选在两个未知力作用线的交点处。4．解出结果是负值时，表明力的实际指向与图示指向相反，这时切勿更改受力图上原假设的力的指向。静力学能够解决的问题的范围未知力的数目=有效平衡方程的数目第五次课要求1、掌握弹性变形、塑性变形概念及二者的区别2、掌握内力与变形的关系轴力与变形关系ΔL＝SL/EA3、重点掌握拉压直杆横截面上的正应力计算。第二章金属的力学性能金属的力学性能——金属受到外力作用时的“表现”§2-1弹性体的变形与内力一切物体都是变形体，它们在外力作用下都会发生变形。杆件的基本变形形式一、变形与内力的概念反映变形的性质1、弹性变形——外力撤掉后可完全恢复的变形。2、塑性变形——外力撤掉后不可恢复的变形。3、内力——在外力作用下构件内部相连两部分间的作用力。只有弹性变形才会产生内力；4、内力与外力间的关系：（1）内力随外力产生而产生。（2）外力无限内力有限，达一限度构件就要破坏。二、变形的度量1、杆的绝对伸长量：ΔL=l1-l2、杆的相对变形：线应变ε=ΔL/l3、轴力与变形(弹性线应变)之间的定量关系ΔL＝SL/EAS＝EAΔL／L；应用范围是小于比例极限бp三、直杆受拉伸（压）时的内力1、轴力——直杆受拉伸（压）时产生的内力。用符号S表示。符号规定：拉为正；压为负。2、轴力的计算截面法：（1）假想将杆截开（2）取其中一半为研究对象画受力图（设正）（3）列平衡方程求解内力。1-1截面：S1=p-Q=100-200=-100N2-2截面：S2=-Q=-200N四、受拉（压）直杆内的应力1、受拉直杆横截面上的正应力σ=S/A2、简单拉伸直杆斜截面上的应力σα=σcos2ατα=(σ/2)sin2α结论：（1）最大正应力位于杆的横截面内。（2）最大剪应力位于杆的450和1350斜截面内。最大剪应力在数值上是最大正应力的一半。第六次课要求1、掌握金属材料的力学(机械)性能定义2、了解低碳钢拉伸试验过程3、掌握反映材料的强度指标、塑性指标、硬度及耐磨程度、韧性及对裂纹敏感程度等指标。§2-2材料的力学（机械）性能力学（机械）性能——是指材料在外力作用下在强度与变形方面所表现出来的性能。如：强度、硬度、弹性、塑性韧性等。试验有：拉伸、压缩、弯曲、冲击、疲劳、硬度等试验。一、低碳钢拉伸试验1、试件的准备与试验的进行对圆形截面l0=10dl0=5d2、试验结果的整理：拉伸图应力应变图3、从拉伸试验中得到的力学性能参数（1）弹性变形与虎克定律：σ/ε=tgθ=Eσ=EεΔL＝SL/EA比例阶段：Q235-Aσe=210MPa（2）屈服阶段：Q235-Aσs=235MPa（3）强化阶段：Q235-Aσb=380MPa（4）颈缩阶段（5）材料的塑性延伸率：δ=[(l1-l0)/l0]%截面收缩率：ψ=[(A0-A1)/A0]%4、试件的中途卸载与重新拉伸冷加工硬化——在强化阶段卸载，短时间内重新加载后，屈服极限提高延伸率下降的现象。*塑性材料与脆性材料的判别*铸铁的拉伸压缩试验：抗压强度远远大于抗拉强度。根据延伸率的大小区分塑性材料和脆性材料δ5%塑性材料δ5%脆性材料低碳钢：δ=20-30%二、温度对材料机械性能的影响1、温度对短时静载试验所得结果的影响（1）2600C以前：随着温度的升高σb增大δ、ψ在减小。2600C以后：随着温度的升高σb减小δ、ψ在增大。（2）材料的塑性指标随温度降低而减小——低温脆断。构件的低温脆断是使用材料中一个必须