化工机械基础课程复习概要

化工机械基础课程复习概要2015年12月北方民族大学化工学院姜国平2说明：以下只是学完该课程后需要同学们应该掌握的重点部分，如果有精力，尽量系统复习。3第一篇工程力学部分一、基本概念1、工程力学是一门研究物体机械运动以及构件强度、刚度和稳定性的科学。即研究构件在外力作用下变形和破坏的规律，为设计构件选择合适的材料和尺寸，以保证能够达到强度、刚度和稳定性的要求。2、要想物体在外力的作用下能够安全可靠的工作，则需要满足以下三个力学条件：强度条件：强度是指构件抵抗破坏的能力；刚度条件：刚度是指构件抵抗变形的能力；稳定性条件：稳定性是指构件保持原有平衡形态能力。43.在化工、制药行业，产品生产中所使用的任何机器或设备的零部件，为了保证设备、机械的正常运行，在设计时各零部件应该满足：适用、安全和经济三个条件。4.当载荷以不同方式作用在杆件上时，杆件将产生不同的变形。杆件的变形形式有以下五种形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。5.力偶的定义：第一篇工程力学部分7、掌握平面力系的平衡条件：8、掌握直杆拉伸与压缩的受力特点9、掌握直梁弯曲的受力特点和变形特点10、梁的弯曲强度条件：11.可以解决三类工程问题：强度校核、截面尺寸计算、确定许用载荷二、计算部分:1、掌握给定压力、材料许用应力，会进行强度校核、计算杆件、梁的截面尺寸。2、对于受集中载荷或均布载荷的简支梁，会计算支座反力、任何截面的剪力和弯矩，并会绘制、剪力图、弯矩图。ZWMmaxmax例题1：一根直径d=5mm圆截面杆，承受轴向拉力P=30KN，该杆件材料许用应力。试校核活塞杆的强度。解：所以活塞杆所承受的外载荷:APMPadP152842MPa150由此可知：该圆截面杆强度不满足。7工程力学计算题2PCABa2aaDP例题2：一圆形截面梁受力如图所示，已知a=2m,集中力P等于4KN,材料的许用应力[σ]=120MPa。（1）求支座反力；（2）绘制梁的弯矩图；（3）设计截面直径d。8解：（1）求支座反力。首先该梁A端为固定铰链支座，B端为滑动铰支座，梁上承受两个集中力。根据平衡条件：∑Fy=0；∑mA(F)=0RA+RB=3P；P*a+2P.3a=RB.4a求方程组得：RA=5KN;RB=7KN2PCABa2aaDPABCDP2Pa2aa9(2)绘制梁的弯矩图。首先将该梁分为AC、CD、DB三段，分别在此三段梁上用假想平面截开，以A点为坐标原点，分别计算各段截面上的弯矩方程：AC段：M1=RA.x=5x为一条直线方程（0≤x≤a）CD段：M2=RA.x-P（x-a）=5x–1（a≤x≤3a）M2=RA.x-P（x-a）=x+4DB段：M3=RA.x–P（x–a）–2P（x-3a）（3a≤x≤4a）M3=-7x+28根据弯矩方程绘制弯矩图，如右图所示。（3）设计截面直径d。从该梁弯矩图上可以看出，该梁上最大弯矩值为7KNm。根据弯曲强度条件，该梁截面上最大弯曲应力σmax=7×106/wz,对于圆形梁来说，wz=∏D3/32，带入上述公式可得出：D=84.06mm取杆件直径为84mm,【或圆整D=85mm】。12例3简支梁受集度为q的均布载荷作用，画出此梁的剪力图和弯矩图工程力学计算题qlRRBA21222)(2)(2qxxqlxqxxRxMqxqlqxRxQAA2max81qlM13例4：一卧式贮耀，内径为Di1500mm，壁厚10mm，封头高H=450mm；支座位置如图，筒体长L=6000mm，鞍座中心与封头环焊缝距离a=1000mm。内贮乙醇液体，包括贮罐自重在内，可简化为单位长度上的均布载荷q=20N／mm简化图如(b)，求罐体上的最大弯矩。工程力学计算题14工程力学计算题解：根据梁的平衡条件：首先根据力的平衡条件求得支座反力FA、FB：q×(L+2a+H4/3)=FA/2+FB/2,=280(KN)由此可以推出：FA=FB=140kN0yF0,AM15工程力学计算题用截面法列弯矩方程：根据力的平衡条件：q.x=Q1，推出：Q1=20x根据弯矩平衡条件：-M1+q.x.x/2=0，M1=q.x2/2由此可以绘制该梁接近端部的弯矩图：最大弯矩为A点处：-16.9kN.m0yFmmQqxM1C0,AMCA16用截面法列弯矩方程：根据力的平衡条件：FA-q.x=Q2，推出：Q2=140-20x根据弯矩平衡条件：-M2+Q2(x-1.3)-q（x-1.3).(x-1.3)/2+q×1.3×0.65=0，M2=-30x2+192x-182,当X=4.3米时弯矩最大，代入求得：两支点区域最大弯矩为：88.9kN.m由此可以绘制该梁接近端部的弯矩图：0yFQ2x1300M2FAAC工程力学计算题0,AM17H?=10mH1=10mq2q1例5：一石油分馏塔总高位20米，作用在塔上的风载荷分两段计算，q1=420N/m,q2=600N/m,塔的内径为1m,壁厚6mm,塔与基础的连接方式可以看成固定端。塔体的[σ]=100MP.校核风载荷引起的塔体内的最大弯曲应力。工程力学计算题解：将塔看成是一段悬臂梁，受均布载荷q1=420N/m,q2=600N/m,那么其弯矩图为右图所示：H?=10mH1=10mq2q1其最大弯矩为Mmax为：Mmax=q1H1H1/2+q2H2(H1+H2/2)带入数据可得:Mmax=q1H1H1/2+q2H2(H1+H2/2)=420X10X10/2+600X10(10+10/2)=111X103Nm塔作为圆环截面,内径d=1m,塔体壁厚为δ=6mm,那么其外径为1.012mm.对于薄壁圆柱形容器和管道，其横截面的抗弯截面模量为：Wz=∏X(D4-d4)/(32xD)=∏X(D2+d2)X(D2-d2)/(32xD)=∏X(D2+d2)X(D+d)X(D-d)/(32xD)因为：D-d=2δ；D+d≈2d；(D2+d2)/D≈2d所以：Wz=2δX2dX2dX∏/32=δd2∏/4Wz=δXd2X∏/4=6X10002X∏/4=4.7X106mm3Wz=4.7X106mm3=4.7X10-3m3那么塔体因风载荷引起的最大弯曲应力为：σmax=Mmax/Wz=111X103Nm/4.7X10-3m3=23.6MPaσmax[σ]=100MPa.21第二篇材料与焊接1、化工设备选材的重要性和复杂性①.操作条件的限制②.制造条件的限制③.材料自身性能的限制2、化工装备选材要考虑的问题：化工生产特点是高温、高压、易燃、易爆，介质腐蚀性强，所以选材时高温设备要考虑其强度及高温条件下的组织的稳定性，接触腐蚀性介质的材料要考虑其防腐性，对于频繁开停的设备要考虑材料的疲劳，在低温下工作的设备要考虑其低温冷脆问题。223、材料的力学性能指标：衡量材料力学性能的指标有强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。4、材料的加工工艺性能：加工工艺性能包括铸造性、锻造性、焊接性和切削加工性等。这些性能直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法和质量，因此加工工艺性能是化工设备选材时必须考虑的因素。第二篇材料与焊接23第二篇材料与焊接5、铁碳合金应如何划分归类？含碳量在0.02％～2％的称为钢；大于2％的称为为铸铁，小于0.02％时，称为工业纯铁。纯铁和含碳量大于4.3％的铸铁在工程上很少应用。6、金属材料的热处理的方法：热处理表面热处理普通热处理表面淬火化学热处理退火正火淬火回火24第二篇材料与焊接金属材料的热处理工艺路线图：257、正火与退火的主要区别：正火与退火的主要区别在于冷却速度不同。正火的冷却速度比退火快，奥氏体转变温度较低，组织中珠光体量增多，且珠光体比较细，因此，强度和硬度提高。铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。第二篇材料与焊接268、普通碳素钢中含有的杂质元素：除含碳以外，碳钢中的杂质元素有Mn、Si、S、P、O、N、H等。这些杂质是由矿石及冶炼过程中带入的，对钢材性能有一定影响：S引起“热脆”、P引起“冷脆”、O降低钢的强度、塑性。有害元素。Mn使钢的强度提高、Si有助于脱氧，有益元素。第二篇材料与焊接279、新国标对常见钢的牌号表示方法及符号的规定：Q235-AF中各字母、数字的意义：Q：钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；235：此钢的屈服极限为235MPa；A：质量等级。共有A、B、C、D四个等级；其中Q195和Q275不分等级，Q215和Q255分A、B两个等级，Q235分四个等级第二篇材料与焊接280Cr13含碳量小于0.08%，含鉻13%0Cr18Ni9：含碳量小于0.08%，含鉻18%，含镍9%0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti：10、金属材料在焊接厚板时必须在焊接接头处开适当的坡口，坡口的主要作用是什么？第二篇材料与焊接2911、对焊接接头进行必要的检验是保证焊接质量的重要措施，常用的焊接的检验方法有哪些？外观检查、无损探伤、水压试验和气压试验、焊接接头的力学性能试验12、焊缝的缺陷可分为内部缺陷和外部缺陷：内部缺陷：未焊透、夹渣、气孔、裂纹等外部缺陷：焊缝过高、焊缝过凹、焊缝咬边、焊瘤、烧穿第二篇材料与焊接3013、在钢材焊缝边缘开坡口的目的是什么？14、压力容器焊缝的接头型式有哪些15、压力容器筒体上纵焊缝与环焊缝那个更危险（更容易开裂）？为什么。16、在和焊接工件时，如果两块对接焊接时厚度不相等，在接口处应如何处理？并手绘接口图表示。第二篇材料与焊接311、压力容器按照设计压力划分等级第三篇容器设计容器分类设计压力p（MPa）低压容器0.1≤p＜1.6中压容器1.6≤p＜10高压容器10≤p＜100超高压容器p≥100一、概念部分322、压力容器按照管理等级可以分为三类：会判断容器类别：（举例如下）1）φ2000mm长度为6000mm的液氨储罐;2）p为4MPa的剧毒介质容器;3）p为10MPa，V为800L的乙烯储罐。4）工作压力为23.5Mpa的尿素合成塔第三篇容器设计333、内压薄壁容器的划分依据：根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，当K≤1.2为薄壁容器K＞1.2则为厚壁容器4、薄壁圆筒受内压环向应力与轴向应力的大小比较：筒体上开椭圆孔，如何开孔？5、压力容器筒体上，纵焊缝与环焊缝那个易开裂？为什么？第三篇容器设计346、压力容器立式容器和卧式容器支座型式：卧式：鞍座、圈座、支腿立式：耳式支座、支承式支座、裙式支座各支座在校核载荷时如何确定数量？第三篇容器设计357、压力容器封头类型：碟形封头与椭圆形封头的内应力分布特点对比第三篇容器设计367.1、受内压的锥形封头与球形封头其内应力分布特点？7.2、为什么压力容器很少采用平板封头？7.3压力容器在设计时有时会考虑边缘应力，边缘应力的特点有哪些？7.4压力容器开孔补强，为什么接管直径较小时可以不用补强？7.5压力容器补强形式有哪些类型？第三篇容器设计378、影响法兰密封的因素主要有哪些:①、螺栓预紧力；②、密封面型式（特征）；③、垫片密封性能；④、法兰刚度和螺栓刚度；⑤、操作条件的影响。第三篇容器设计389、压力容器和管道中常用的法兰密封面型式：突面、凹凸面、榫槽面（各适用场合）10、根据工作条件选取标准法兰：法兰公称压力：与最大操作压力、操作温度以及材料有关。见下面法兰标准局部：第三篇容器设计39第三篇容器设计给定法兰的工作温度、工作压力根据下表会选用法兰。如工作温度280℃，工作压力为0.9MPa,应选用那种法兰？40二、计算题1、内压容器计算：例题1-1：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p＝2.2MPa；工作温度t＝-3～-20℃。试选择塔体材料并确定塔体厚度。解析：由