化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第1頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月本章參考書目1、《理論力學(xué)》上冊(cè)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室，高等教育出版社2、《材料力學(xué)》上冊(cè)，劉鴻文主編，高等教育出版社3、《工程力學(xué)》，朱熙然主編，上海交通大學(xué)出版社4、《金屬材料及熱處理》，史美堂主編，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社5、《金屬工業(yè)學(xué)》上冊(cè)，范全福主編，高等教育出版社6、《化工機(jī)械制造》，第八章、第九章，姚慧珠、鄭海泉編，化學(xué)工業(yè)出版社第2頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月理論力學(xué)：研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律材料力學(xué)：研究構(gòu)件承載能力構(gòu)件承受荷載能力衡量：

1．強(qiáng)度：構(gòu)件抵抗破壞的能力

2．剛度：構(gòu)件抵抗變形的能力

3．穩(wěn)定性：構(gòu)件保持原有平衡形態(tài)能力第3頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1物體的受力分析及其平衡條件1.1.1力的概念

1．剛體與變形體

2．力是物體間相互的機(jī)械作用力的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，由理論力學(xué)研究力的變形效應(yīng)，由材料力學(xué)研究力的三要素：大小，方向，作用點(diǎn)。第4頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2力學(xué)公理

1、作用與反作用定律2、二力平衡定律二力構(gòu)件和二力桿3、加減平衡力系定律4、力的平行四邊形法則5、剛化原理：平衡的變形體剛化為剛體，則平衡狀態(tài)保持不變。第5頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3力矩與力偶1.3.1.1力矩合力矩定理第6頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3.2.力偶特征：1、是一個(gè)基本的力學(xué)量，不能與一個(gè)力平衡，力偶只能與力偶平衡。2、力偶對(duì)作用面內(nèi)任一點(diǎn)之矩與矩心的位置無關(guān)，恒等于力偶矩。3、同平面內(nèi)兩力偶等效是力偶矩相等。第7頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3.3

力的平移第8頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.4平面一般力系向一點(diǎn)的簡(jiǎn)化第9頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.5物體的受力分析1.1.5.1約束和約束反力自由體和非自由體約束和約束反力：方向，作用點(diǎn)，大小主動(dòng)力（促使運(yùn)動(dòng)）和被動(dòng)力第10頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月柔性體約束（柔索約束）

繩索，傳動(dòng)帶，鏈條等，忽略剛性，不計(jì)重力，絕對(duì)柔軟且不可伸長(zhǎng)特點(diǎn)：只受拉，不受壓，不能抗拒彎矩，限制物體沿柔性體伸長(zhǎng)的方向運(yùn)動(dòng)。第11頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月光滑接觸面（線）約束

特點(diǎn)：只受壓，不受拉，沿接觸點(diǎn)處的公法線而指向物體，一般用N表示。又叫法向反力。

忽略摩擦，理想光滑。第14頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月鉸鏈約束

第16頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）固定鉸鏈支座約束

第17頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）活動(dòng)鉸鏈支座約束第21頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月固定端約束第22頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.6受力圖例1-1．某化工廠的臥式容器，容器總重量(包括物料、保溫層等)為Q，全長(zhǎng)為L(zhǎng)，支座B采用固定式鞍座，支座C采用活動(dòng)式鞍座。試畫出容器的受力圖。第25頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-2．

焊接在鋼柱上的三角形鋼結(jié)構(gòu)管道支架，上面鋪設(shè)三根管道，試畫出結(jié)構(gòu)整體及各構(gòu)件的受力圖。第26頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-3剛架自身重力不計(jì)，AC上作用載荷，畫出AC、BC及剛架整體的受力圖

第27頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.6畫受力圖的步驟：(1)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，畫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

(2)選擇研究對(duì)象，畫出作用在其上的全部主動(dòng)力；(3)根據(jù)約束性質(zhì)，畫出作用于研究對(duì)象上的約束反力。第28頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.7平面力系的平衡方程式平面力系平衡的必要與充分條件：力系的主矢和對(duì)任一點(diǎn)的主矩都等于零。

第29頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-4梁AB，長(zhǎng)L=6m，A、B端各作用一力偶，m1=15kN.m，m2=24kN.m，轉(zhuǎn)向如圖所示，求支座A、B的反力。

第30頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-5直桿AB與彎桿BC鉸接，已知AB桿上有一力偶矩為M的力偶作用，各桿重力不計(jì)。求支座A、C處的約束反力。

第31頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-6剛架所受荷載、尺寸及支承情況見圖，求支座A及B處的反力。

第32頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-7懸臂梁AB作用有均布荷載q，在自由端還受一集中力和一力偶矩為m的力偶作用，梁長(zhǎng)度為L(zhǎng)。求固定端A的約束反力。

第33頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2直桿的拉伸和壓縮1.2.1對(duì)變形固體作的三個(gè)假設(shè)連續(xù)性假設(shè)均勻性假設(shè)各向同性假設(shè)

第34頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2桿件基本變形1、拉伸、壓縮2、彎曲3、剪切4、扭轉(zhuǎn)第36頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月拉伸與壓縮扭轉(zhuǎn)彎曲第37頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3工程實(shí)例第38頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.4拉伸和壓縮時(shí)橫截面上的內(nèi)力1、概念：附加內(nèi)力，簡(jiǎn)稱內(nèi)力2、截面法軸力，拉為正，壓為負(fù)第39頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月截面法步驟1、在需要求內(nèi)力處假想用一橫截面將構(gòu)件截開，分成兩部分；

2、以任一部分為研究對(duì)象；

3、在截面上加上內(nèi)力，以代替另一部分對(duì)研究對(duì)象的作用

4、寫出研究對(duì)象的平衡方程式，解出截面上的內(nèi)力。第40頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.5拉伸和壓縮時(shí)橫截面上的應(yīng)力1、應(yīng)力正應(yīng)力σ，剪應(yīng)力τ第41頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第42頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力集中這種在截面突變處應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中

第43頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例2-1求截面1-1，2-2，3-3上的軸力和應(yīng)力，畫軸力圖，已知A=400mm2。

軸力圖第44頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月四、應(yīng)變的概念絕對(duì)變形Δu，線應(yīng)變或應(yīng)變：γ為剪應(yīng)變或角應(yīng)變，弧度線應(yīng)變?chǔ)庞烧龖?yīng)力σ決定剪應(yīng)變?chǔ)糜杉魬?yīng)力τ決定。平均應(yīng)變第45頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月桿件受拉伸或壓縮時(shí)的應(yīng)變絕對(duì)伸長(zhǎng)ΔL，相對(duì)伸長(zhǎng)或線應(yīng)變第46頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.6拉伸和壓縮時(shí)材料的力學(xué)性能一、拉伸和壓縮試驗(yàn)室溫、靜載（緩慢加載）、小變形等條件金屬標(biāo)準(zhǔn)試件，圓截面長(zhǎng)試件標(biāo)距L=10d；短試件L=5d，d=10mm。第47頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月二、低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)及其力學(xué)性能第48頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1、彈性變形階段、虎克定律OA,比例極限σP(彈性極限),Q235-A200MPaEA抗拉剛度E彈性模量，低碳鋼E=(2.0-2.1)x105MPa第50頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月橫向變形橫向線應(yīng)變?chǔ)蜋M向變形系數(shù)或泊松比第51頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月2、屈服階段、屈服極限σS

名義屈服極限σ0.2：

0.2%的塑性應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力滑移線或剪切線Q235-AσS=235MPa第53頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月3、強(qiáng)化階段、強(qiáng)度極限σb

Q235-Aσb=375-500MPa第54頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月4、頸縮階段（局部變形階段）（1）延伸率δ≥5%為塑性材料；δ<5%為脆性材料。低碳鋼：20-30%，鑄鐵：1%（2）截面收縮率ψ低碳鋼：60%第55頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月反映材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)：強(qiáng)度性能：抵抗破壞的能力，用σs和σb表示彈性性能：抵抗彈性變形的能力，用E表示塑性性能：塑性變形的能力，用延伸率δ和截面收縮率ψ表示第56頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月三、鑄鐵拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變圖灰鑄鐵σb=205MPa第57頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月四、低碳鋼壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變圖第58頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月五、鑄鐵壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變圖受壓第59頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月塑性材料和脆性材料機(jī)械性能的主要區(qū)別

1．塑性材料在斷裂時(shí)有明顯的塑性變形；而脆性材料在斷裂時(shí)變形很小；2．塑性材料在拉伸和壓縮時(shí)的彈性極限、屈服極限和彈性模量都相同，它的抗拉和抗壓強(qiáng)度相同。而脆性材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度，因此，脆性材料通常用來制造受壓零件。第60頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第61頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月六、溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響1、高溫的影響（1）高溫對(duì)短期靜載試驗(yàn)的影響第62頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）高溫對(duì)長(zhǎng)期加載的影響碳鋼超過200度，外力不變，但變形隨時(shí)間的延續(xù)而不斷增長(zhǎng)，不可恢復(fù)。蠕變條件：高溫和應(yīng)力2、低溫對(duì)材料力學(xué)性能的影響低碳鋼的彈性極限和屈服極限有所提高，但延伸率降低，變脆第63頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月截面突變（如階梯軸）和軸力突變，應(yīng)將桿件在截面突變處和軸力突變處分?jǐn)啵謩e求出各段的變形，再相加，得到總體變形。

七、虎克定律的應(yīng)用第64頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)截面尺寸和軸力沿截面的變化是平緩的，且外力作用線與軸線重合，總體變形積分計(jì)算。

第65頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例2-2變截面桿是圓錐的一部分，左右兩端的直徑分別為d1和d2。如果不計(jì)桿件的自重，求在軸向拉力P作用下桿件的變形。

第66頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月八、超靜定問題例2-3三根同材料和截面的鋼桿一端鉸接墻壁上，另一端鉸接在一平板剛體上，其中兩側(cè)鋼桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)，而中間一根鋼桿較兩側(cè)的短δ=L/2000，求三桿的裝配應(yīng)力。設(shè)E=210Gpa。

N1=N2，N3=N1+N2變形協(xié)調(diào)條件得到：第67頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第68頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)拉伸和壓縮的強(qiáng)度條件一、極限應(yīng)力、許用應(yīng)力和安全系數(shù)極限應(yīng)力用σ0表示許用應(yīng)力以[σ]表示安全系數(shù)n，其值恒大于1ns=1.5～2.0，nb=2.5～4.5第69頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月二、拉伸和壓縮的強(qiáng)度條件

強(qiáng)度條件在工程上，強(qiáng)度條件可以解決三類問題：強(qiáng)度校核、設(shè)計(jì)截面尺寸、確定許可載荷。

第70頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例2-4已知油壓力p=2MPa，內(nèi)徑D=75mm，活塞桿直徑d=18mm，材料的許用應(yīng)力[σ]=50MPa，校核活塞桿的強(qiáng)度。強(qiáng)度足夠第71頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例2-5矩形截面的階梯軸，AD段和DB段的橫截面積為BC段橫截面面積的兩倍。矩形截面的高度與寬度之比h/b=1.4，材料的許用應(yīng)力[σ]=160MPa。選擇截面尺寸h和b

由h/b=1.4第72頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例2-6懸臂起重機(jī)撐桿AB為中空鋼管，外徑105mm，內(nèi)徑95mm。鋼索1和2互相平行，且設(shè)鋼索1可作為相當(dāng)于直徑d=25mm的圓鋼計(jì)算。材料[σ]=60MPa，確定許可吊重。第73頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼索2的拉力T2=P，帶入方程組解得：而撐桿AB允許的最大軸力為：帶入（a）式得相應(yīng)的吊重為：第74頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月同理，鋼索1允許的最大拉力是：代入（b）式得相應(yīng)的吊重為：比較，可知起重機(jī)的許可吊重應(yīng)為17kN。第75頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3

直梁的彎曲1.3.1梁的彎曲實(shí)例與概念第76頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月以彎曲為主要變形的構(gòu)件在工程上稱為梁

第77頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第78頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第79頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月受力特點(diǎn)是：在構(gòu)件的縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)，受到垂直于梁的軸線的力或力偶作用，使構(gòu)件的軸線在此平面內(nèi)彎曲為曲線，這樣的彎曲稱為平面彎曲第80頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月梁的基本形式

簡(jiǎn)支梁：一端固定鉸鏈，另一端活動(dòng)鉸鏈；外伸梁：簡(jiǎn)支梁一端或兩端伸出支座以外；懸臂梁：一端固定，另一端自由。外力—內(nèi)力—應(yīng)力—強(qiáng)度條件和剛度條件第81頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2梁橫截面上的內(nèi)力

1.3.2.1剪力和彎矩一、截面法求內(nèi)力—剪力Q和彎矩M第82頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第83頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第84頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)力符號(hào)規(guī)定如下：第85頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月左側(cè)梁上向上的外力或右側(cè)梁上向下的外力引起的剪力為正，反之為負(fù)，剪力等于該側(cè)外力的代數(shù)和。第86頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月彎矩等于該橫截面一側(cè)所有外力對(duì)該截面形心取力矩的代數(shù)和。梁上向上的外力均產(chǎn)生正彎矩；而向下的外力均產(chǎn)生負(fù)彎矩。截面左側(cè)順時(shí)針轉(zhuǎn)向的力偶或截面右側(cè)逆時(shí)針轉(zhuǎn)向的力偶取正值，反之取負(fù)值第87頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3彎矩方程與彎矩圖一、剪力方程式和彎矩方程式二、內(nèi)力圖—剪力圖和彎矩圖第88頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例3-1．簡(jiǎn)支梁受集度為q的均布荷載作用，畫出此梁的剪力圖和彎矩圖。第89頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例3-2．簡(jiǎn)支梁在C點(diǎn)處受集中荷載P作用，畫出此梁的剪力圖和彎矩圖。第90頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例3-3．簡(jiǎn)支梁在C處受一集中力偶mC的作用，畫出剪力圖和彎矩圖。第91頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第92頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第93頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第94頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)力圖的一些規(guī)律：1、q(x)=0：一段梁上無均布荷載，剪力圖為一平行于x軸水平線，彎矩圖為一斜直線；2、q(x)=常數(shù)：一段梁上有均布荷載，剪力圖為一斜直線，彎矩圖為一條二次曲線，當(dāng)均布荷載q(x)向下時(shí)，彎矩圖凸向上，當(dāng)均布荷載向上時(shí)，曲線凸向下；3、彎矩的極值：若梁的某一截面上的剪力Q(x)=0，則該截面的彎矩為一極值；第95頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)力圖的一些規(guī)律：4、集中力作用處：此處剪力圖有突變，突變方向與集中力方向一致，突變絕對(duì)值等于集中力數(shù)值，彎矩圖上形成尖角；5、集中力偶作用處：此處剪力圖無變化，彎矩圖出現(xiàn)突變，突變的絕對(duì)值等于集中力偶的數(shù)值。第96頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例3-4．外伸梁上均布荷載的集度為q=3kN/m,集中力偶矩m=3kN.m,畫出剪力圖和彎矩圖。

第97頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4彎曲時(shí)橫截面上的正應(yīng)力及其分布規(guī)律1.3.4.1純彎曲的變形特征第98頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月平面截面假設(shè)各縱向纖維之間互不擠壓中性層，中性軸第99頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4.2橫截面上的正應(yīng)力變形幾何條件物理?xiàng)l件：彈性范圍內(nèi)第100頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月靜力平衡第101頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月橫截面對(duì)中性軸z的慣性矩，m4稱為抗彎截面模量，單位為：cm3。梁純彎曲時(shí)橫截面上的最大正應(yīng)力的公式為：第102頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月橫力彎曲橫截面翹曲，橫向力引起擠壓應(yīng)力平面假設(shè)和各縱向纖維不互相擠壓不成立均布載荷作用下的矩形截面簡(jiǎn)支梁，L/h>5時(shí)，按純彎曲正應(yīng)力計(jì)算，誤差<1%。第103頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月第104頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4.5梁彎曲時(shí)的強(qiáng)度條件利用強(qiáng)度條件，可對(duì)梁進(jìn)行強(qiáng)度校核、選擇截面尺寸及確定許可荷載。第105頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例3-5容器四個(gè)耳座支架在四根各長(zhǎng)2.4m的工字鋼梁的中點(diǎn)上，工字鋼再由四根混凝土柱支持。容器包括物料重110kN，工字鋼為16號(hào)型鋼，鋼材彎曲許用應(yīng)力[s]=120MPa，試校核工字鋼的強(qiáng)度。第106頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月最大彎矩在梁的中間，為：由型鋼表查得16號(hào)工字鋼的Wz