第一章制药机械力学基础新

制药机械学制药机械学主要内容第一章制药设备力学基础第二章制药设备工程材料第三章制药设备常用机构第四章制药设备机械传动第五章制药设备联接与支承第六章压力容器第七章制药工艺管路19:46第一章制药机械力学基础构件承载能力分构件的承载能力是指构件在外力作用下的强度、刚度和稳定性。构件的受力分析力学基础19:46强度刚度稳定性由一个或几个零件构成的运动单元。是指构件在外力作用下保持其原有平衡状态的能力。基本概念构件是指构件抵抗外力破坏的能力。是指构件抵抗变形的能力。19:46本章主要内容第一节物体的受力分析第三节剪切第四节扭转第二节轴向拉伸与压缩第五节弯曲19:46一力的概念与基本性质二构件的受力分析三平面汇交力系四力矩和力偶五平面一般力系第一节物体的受力分析19:46一力的概念与基本性质19:461力的概念力是物体间相互的机械作用，这种作用使物体的运动状态发生改变或使物体产生变形。外效应和内效应使物体运动状态发生改变的效应称为力的外效应。使物体产生变形的效应称为力的内效应。19:46力的三要素：力的大小、方向和作用点。力的形式：(1)集中力：单位：“牛顿”(N)或“千牛顿”(kN)。(2)分布载荷：单位长度上所受的力称为载荷集度，用q表示，其单位为“牛顿／米”(N/m)或“千牛顿／米”(kN/m)。19:462力的基本性质公理一：力的平行四边形公理（三角形法则）作用于物体上同一点的两个力，其合力也作用在该点上，合力的大小和方向由以这两个力为邻边所作的平行四边形的对角线确定。(力系合成依据及、合力的正交分解依据）F=F1+F2F=√F1²+F2²-2F1F2cosαtanα=F2sinα/(F1+F2cosα)19:46公理二：二力平衡公理受两力作用的刚体处于平衡状态的必要和充分条件是两力的大小相等、方向相反、作用线相同(以下简称等值、反向、共线)。19:46二力体：只受两力作用而处于平衡的刚体。二力杆：二力体为杆件。根据平衡条件可以确定二力杆所受两力的方向一定是两力作用点的连线方向。19:46公理三：加减平衡力系公理平衡力系中的各力对刚体的作用效应彼此抵消，所以在受力或力系作用的刚体上减去一个平衡力系，并不改变原力或原力系对刚体的作用效应。推论：力的可传性定理：作用在刚体上的力可沿其作用线任意移动作用点，而不改变此力对刚体的作用效应。19:46公理四：力的作用与反作用公理两物体间相互作用的力总是等值、反向、共线，并分别作用在这两个物体上。19:46二构件的受力分析常见的几种约束及其约束力方向的确定方法：1柔性约束：作用线与柔索重合19:462光滑面约束：光滑面约束反力的方向是通过接触点并沿着公法线，指向被约束的物体。19:463铰链约束（1）固定铰链：作用线通过铰链中心，但其方向待定，可先任意假设。19:46（2）中间铰链：作用线通过铰链中心，但其方向待定，可先任意假设。19:46（3）活动座铰链：垂直于光滑面方向通过铰链中心，指向被约束的物体。19:46例1-1下图所示为一管道支架，支架的两根杆AB和CD在Z点相铰接，J、K两点用水平绳索相连，已知管道的重力为G。不计摩擦和支架、绳索的自重，试作出管道、杆AB、杆CD以及整个管道支架的受力图。1)取管道为研究对象2)取杆CD为研究对象3)杆AB的受力分析4)取整个管道支架(物系)为研究对象，19:46例1-2如下图所示，水平梁AB用斜杆CD支撑，A、D、C三处均为圆柱铰链联接。水平梁的重力为G，其上放置一个重为Q的电动机。如斜杆CD所受的重力不计，试画出斜杆CD和水平梁AB的受力图。1）斜杆CD的受力图2）水平梁AB的受力图19:46三平面汇交力系凡各力的作用线均在同一平面内的力系，称为平面力系。各力的作用线全部汇交于一点的平面力系，称为平面汇交力系。1平面汇交力系合成的几何法和平衡条件ininFFFFF121...........物体在平面汇交力系作用下平衡的必要和充分条件是力系的合力等于零。01Fni19:462平面汇交力系合成的解析法和平衡条件(1)力在坐标轴上的投影FX=±FcosαFy=±Fsinα(2)合力投影定理FX=F1X+F2X+.……+FNX=∑FiXFY=FY1+FY2+……FNY=∑FiY19:46步骤:1)求分力在两坐标轴上投影；2)求出合力F在两坐标轴上的投影FX和FY；3)由下式求出合力的大小F=√FX2+FY2=√(∑FiX)2+∑(FiY)2此可得平面汇交力系平衡的解析条件为∑FiX=0∑FiY=0FX=±FcosαFy=±FsinαFX=F1X+F2X+.……+FNX=∑FiXFY=FY1+FY2+……FNY=∑FiY(3)平面汇交力系合成的解析法和平衡条件19:46例1—3下图所示为一利用定滑轮匀速提升工字钢梁的装置。若已知梁的重力G=150kN，几何角度α=45º，不计摩擦和吊索、吊环的自重，试求吊索1和2所受的拉力。1)取梁为研究对象。•解析法2)受力分析3)作出梁的受力图4）列平衡方程5）解方程组(略）19:46例1-4如图所示，储罐架在砖座上，罐的半径r=0．6m，重G=100kN，两砖座间距离L=0．6m。不计摩擦，试求砖座对储罐的约束反力。1）取储罐为研究对象2）选取坐标oxy如图示，列平衡方程求解end119:46四力矩和力偶19:461力矩Mo(F)=±Fd通常规定：使物体产生逆时针旋转的力矩为正值；反之为负值。单位:牛顿·米(N·m)或千牛顿·米(kN·m)。力矩三要素：力矩决定于力F的大小和方向，而且还与该力作用线有关19:46合力矩定理:在平面力系中，由分力F1、F2、…、Fn组成的合力F对某点O的力矩等于各分力对同一点力矩的代数和。称为合力矩定理。M。(F)=M。(F1)+M。(F2)十…十M。(Fn)=∑M。(F)19:462力偶(1)力偶的概念力学上把一对大小相等、方向相反，作用线平行且不重合的力组成的力系称为力偶。力偶中两个力所在的平面称为力偶的作用面，两力作用线之间的垂直距离d称为力偶臂。M=M(F，Fˊ)=±Fd19:46通常规定：使物体产生逆时针旋转的力偶矩为正值；反之为负值。单位:牛顿·米(N·m)或千牛顿·米(kN·m)。力偶三要素:力偶矩的大小、转向和力偶作用面的方位。19:46(2)力偶的性质力偶无合力力偶的转动效应与矩心的位置无关力偶的等效性19:46（3）平面力偶系的合成与平衡平面力偶系合成的结果为一合力偶，其合力偶矩等于各分力偶的代数和。即M=m1+m2+……+mn=∑m平衡方程:M=Σm=019:46例1—5如图所示的一级圆柱齿轮减速器中，已知在输入轴I上作用有力偶矩了T1=-500Nm，在输出轴Ⅱ上作用有阻力偶矩T2=2000N·m，地脚螺钉A和B相距l=800mm，不计摩擦和减速器自重，求A、B处的法向约束力。解1)取减速器为研究对象。2)受力分析和受力图。3)列平衡方程并求解。T1+T2+(-FAl)=019:46五平面一般力系1力的平移2平面一般力系的简化3平面一般力系的平衡19:46力的平移定理:作用在物体上某点的力，可平行移动到该物体上的任意一点，但平移后必须附加一个力偶，其力偶矩等于原力对新作用点之矩。1力的平移MB=Fd19:46平面一般力系与一个平面汇交力系和一个平面附加力偶系等效。2．平面一般力系的简化19:463平面一般力系的平衡平衡条件平面汇交力系合成的合力为零∑F=0平面力偶系合成的合力偶矩为零∑M=0平衡方程∑FX=0∑FY=0∑MO=019:46例1-6悬臂吊车如图所示。横梁AB长L=2m，自重Gl=10kN。拉杆BC倾斜角。α=30o，自重不计。电葫芦连同重物共重G2=100kN。当电葫芦在图示位置H=1.5m匀速吊起重物时，求拉杆AC的拉力和支座B的约束反力。①取横梁AB为研究对象，画其受力图。②建立直角坐标系Axy，列平衡方程求解。000ByxMFF02002121HG/LGsinTLsinTGGRcosTRByBx19:46第二节轴向拉伸与压缩一基本概念二拉伸或压缩时的内力----轴力三轴向拉伸与压缩时的强度计算四轴向拉压时的变形五典型材料拉伸与压缩时的力学性能19:46一基本概念作用在直杆两端的外力大小相等、方向相反，且外力的作用线与杆的轴线重合。其变形特点是：沿着杆的轴线方向伸长或缩短。这种变形称为轴向拉伸或轴向压缩。这类杆件称拉杆和压杆。19:46二拉伸或压缩时的内力一轴力外力:是指其它构件对所研究构件的作用；内力:是指由外力作用引起的构件内部相连两部分之间的相互作用力。19:460XF011FT0XF022FTb)c)截面法求轴力的步骤如下：(1)截开在需求内力的截面处假想用截面将杆件截开。(2)替代保留一部分作为研究对象，移去另一部分；井以内力代替移去部分对保留部分的作用。(3)平衡对留下的部分建立平衡方程，并解方程，求出截面上的内力。19:461)在画受力图时，可假设轴力为拉力，若求得轴力为正时，表示与假设的方向相同，轴力为拉力；如果求得的轴力为负时，表示与假设的方向相反。也就同时表明轴力为压力。2)求拉(压)杆横截面上的内力时，可以取左段平衡，也可以取右段平衡，求得内力的结果是一样的。一般应选取受力较少的轴段为研究对象，以便于解题。3)在列平衡方程时，各力的正负号仍以力的方向与x轴的正向一致时为正，反向时为负。19:46三轴向拉伸与压缩时的强度计算1轴向拉、压时的应力2许用应力与强度条件19:461轴向拉、压时的应力AT式中T——横截面上的轴力，NA——横截面面积，mm2σ——横截面上的正应力当正应力σ的作用使构件拉伸时σ为正，压缩时σ为负。应力的单位是N／m2，称为帕(Pa)。因这个单位太小，还常用兆帕(MPa)。1Mpa=106Pa=106N／m2=1N／mm219:462许用应力与强度条件许用应力:工程中对各种材料，规定了保证杆件具有足够的强度所允许承担的最大应力值。拉(压)杆的强度条件:ATmax(1)强度校核(2)设计截面(3)计算许可载荷ATmaxTAAT注：最大应力不允许超过许用应力的5%。19:46例1-7如图所示，储罐每个支脚承受的压力F=100kN，它是用外径为120mm，内径为100mm的钢管制成的。已知钢管许用应力[σ]=120MPa，试校核支脚的强度。解支脚的轴力为压力所以支脚的强度足够。)MPa()MPa(.AT)mm()()dd(A)kN(FT12095283454101003454100120441003222222119:46四轴向拉压时的变形19:461变形分析ll/式中ε称为相对变形，也称为应变。它是一个无因次量，工程中也用百分数表示杆件横向缩短：横向应变：泊松比μ：ddd1dd19:462虎克定律EATll•E：仅与材料的性能有关称为材料的拉压弹性模量。单位：Pa或MPa。•这个关系称为拉压虎克定律。E19:46五典型材料拉伸与压缩时的力学性能材料的力学性能是指材料从开始受力到破坏为止的整个过程中所表现出来的各种性能，如弹性、塑性、强度、韧性、硬度等。这些性能指标是进行强度、刚度设计和选择材料的重要依据。19:462其他塑性材料拉伸时的力学性能1低碳钢拉伸时的力学性能3低碳钢压缩时的力学性能4灰铸铁拉伸压缩时的力学性能5许用应力6应力集中典型材料拉伸与压缩时的力学性能19:46低碳钢拉伸时的力学性能(1)比例极限σp(2)弹性极限σe(3)屈服点σs塑性变形在工程上一般是不允许的，所以屈服点σs是材料的重要强度指标。(4)强度极限σb19:46（5）伸长率和断面收缩率伸长率00001100lll断面收缩率%100010AAAΨ值的大小也反映材塑性好坏δ值的大小反映材料塑性的好坏。工程上一般把δ5%的材料称为塑性材料，如低碳钢、铜、等：把δ5%的材料称为脆性