2025年化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)復(fù)習(xí)題+參考答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種材料不屬于金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)？（）A.抗拉強(qiáng)度B.斷裂韌性C.熱導(dǎo)率D.疲勞強(qiáng)度2.內(nèi)壓圓筒的壁厚計(jì)算公式中，焊接接頭系數(shù)φ的取值范圍是（）A.0.5~1.0B.0.6~1.0C.0.7~1.0D.0.8~1.03.外壓容器設(shè)計(jì)中，當(dāng)圓筒的長徑比L/Di較大時(shí)，其失穩(wěn)形式為（）A.周向失穩(wěn)（波形數(shù)n≥2）B.軸向失穩(wěn)（波形數(shù)n=1）C.局部失穩(wěn)D.彈性失穩(wěn)4.法蘭連接中，墊片的主要作用是（）A.傳遞螺栓預(yù)緊力B.填充法蘭密封面間隙，阻止介質(zhì)泄漏C.提高法蘭剛度D.降低螺栓應(yīng)力5.螺栓連接的預(yù)緊力過大可能導(dǎo)致（）A.螺栓斷裂B.密封面分離C.墊片壓縮不足D.法蘭翹曲變形6.以下哪種強(qiáng)度理論適用于塑性材料的靜載破壞？（）A.第一強(qiáng)度理論（最大拉應(yīng)力理論）B.第二強(qiáng)度理論（最大拉應(yīng)變理論）C.第三強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論）D.第四強(qiáng)度理論（畸變能理論）7.壓力容器設(shè)計(jì)中，腐蝕余量的確定主要依據(jù)（）A.介質(zhì)腐蝕性B.容器使用年限C.材料耐蝕性D.以上均是8.受均布外壓的圓筒，其臨界壓力與（）無關(guān)？A.圓筒長度B.圓筒直徑C.材料彈性模量D.介質(zhì)密度9.焊接接頭的“未焊透”缺陷會(huì)導(dǎo)致（）A.應(yīng)力集中B.材料韌性提高C.焊接殘余應(yīng)力降低D.接頭強(qiáng)度提高10.以下哪種密封結(jié)構(gòu)屬于非接觸式密封？（）A.墊片密封B.機(jī)械密封C.填料密封D.迷宮密封二、填空題（每空1分，共20分）1.材料的屈服強(qiáng)度是指材料發(fā)生__________時(shí)的應(yīng)力，常用符號(hào)__________表示。2.內(nèi)壓圓筒的壁厚計(jì)算公式為__________，其中p為__________，Di為__________。3.外壓容器設(shè)計(jì)中，當(dāng)圓筒的長徑比L/Di≤5時(shí)，其臨界壓力主要由__________控制；當(dāng)L/Di>5時(shí)，臨界壓力由__________控制。4.法蘭密封的三要素是__________、__________和__________。5.螺栓連接的強(qiáng)度校核包括__________和__________兩部分，其中預(yù)緊力需滿足__________條件。6.焊接接頭的基本形式有__________、__________、__________和__________四種。7.壓力容器的主要失效形式包括__________、__________、__________和__________。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論的區(qū)別及適用場合。2.外壓容器為什么需要設(shè)計(jì)成短粗型（小長徑比）？3.法蘭連接中，為什么要控制螺栓的預(yù)緊力？如何確定合理的預(yù)緊力？4.簡述內(nèi)壓容器與外壓容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則差異。5.焊接殘余應(yīng)力對(duì)容器性能有何影響？常用的消除方法有哪些？四、計(jì)算題（共30分）1.（10分）某內(nèi)壓圓筒容器，設(shè)計(jì)壓力p=2.5MPa，設(shè)計(jì)溫度t=200℃，材料為Q345R（[σ]t=170MPa），焊接接頭系數(shù)φ=0.85（雙面焊，局部無損檢測(cè)），腐蝕余量C2=2mm。圓筒內(nèi)徑Di=1200mm，試計(jì)算其名義壁厚δn（計(jì)算時(shí)取C1=0，圓整后壁厚按GB150取整規(guī)則）。2.（10分）某外壓圓筒容器，內(nèi)徑Di=1000mm，壁厚δn=8mm（有效壁厚δe=7mm），長度L=2500mm，材料為Q245R（彈性模量E=206×103MPa，泊松比μ=0.3）。試計(jì)算該圓筒的臨界壓力pcr（采用彈性失穩(wěn)公式，當(dāng)L/Di>5時(shí)，臨界壓力公式為pcr=2.59E(δe/Di)3/(L/Di)）。3.（10分）某螺栓連接法蘭，選用M20螺栓（小徑d1=17.294mm，數(shù)量n=8），預(yù)緊力F0=20kN，工作壓力p=1.6MPa，法蘭密封面平均直徑Dm=300mm。試校核螺栓的拉伸強(qiáng)度（材料許用應(yīng)力[σ]b=100MPa），并判斷是否滿足密封要求（密封比壓q=3MPa，墊片接觸面積A=πDmδ，δ=3mm）。參考答案一、選擇題1.C（熱導(dǎo)率屬于物理性能）2.D（GB150規(guī)定，雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全熔透對(duì)接接頭，局部無損檢測(cè)時(shí)φ=0.85~1.0；單面焊時(shí)φ=0.7~0.9）3.A（長徑比大時(shí)，周向波形數(shù)n≥2；短粗圓筒可能發(fā)生軸向失穩(wěn)n=1）4.B（墊片通過壓縮變形填充密封面微觀不平度，形成密封）5.A（預(yù)緊力過大可能導(dǎo)致螺栓過載斷裂；過小則密封不足）6.D（第四強(qiáng)度理論更符合多數(shù)塑性材料的試驗(yàn)結(jié)果；第三強(qiáng)度理論偏保守）7.D（腐蝕余量C2=腐蝕速率×設(shè)計(jì)壽命，需綜合介質(zhì)腐蝕性、材料耐蝕性和使用年限）8.D（臨界壓力與幾何尺寸、材料彈性模量相關(guān)，與介質(zhì)密度無關(guān)）9.A（未焊透會(huì)導(dǎo)致截面突變，產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低接頭強(qiáng)度）10.D（迷宮密封通過間隙節(jié)流實(shí)現(xiàn)非接觸密封；機(jī)械密封為接觸式）二、填空題1.明顯塑性變形；σs（或σ0.2）2.δ=(pDi)/(2[σ]tφ-p)；設(shè)計(jì)壓力；圓筒內(nèi)徑3.周向剛度（或環(huán)向穩(wěn)定性）；軸向剛度（或整體穩(wěn)定性）4.足夠的密封比壓；密封面的表面質(zhì)量；墊片的性能5.螺栓拉伸強(qiáng)度；密封比壓；F0≥πDmδq（或滿足密封所需最小預(yù)緊力）6.對(duì)接接頭；角接接頭；T形接頭；搭接接頭7.強(qiáng)度失效；剛度失效；穩(wěn)定性失效；泄漏失效三、簡答題1.第三強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論）：認(rèn)為材料的破壞由最大切應(yīng)力引起，適用于塑性材料的屈服破壞，公式為σeq3=σ1-σ3≤[σ]。第四強(qiáng)度理論（畸變能理論）：認(rèn)為材料的破壞由畸變能密度引起，更符合多數(shù)塑性材料的試驗(yàn)結(jié)果，公式為σeq4=√[0.5((σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2)]≤[σ]。第三強(qiáng)度偏保守，第四強(qiáng)度更精確，工程中塑性材料常用第四強(qiáng)度理論。2.外壓容器的臨界壓力pcr與長徑比L/Di成反比（L/Di越大，pcr越?。?。短粗型圓筒（L/Di小）的臨界壓力更高，抗失穩(wěn)能力更強(qiáng)。若L/Di過大，圓筒易在較低外壓下發(fā)生周向失穩(wěn)（波形數(shù)n≥2），因此設(shè)計(jì)時(shí)需通過增加加強(qiáng)圈減小L/Di，或直接設(shè)計(jì)為短粗結(jié)構(gòu)以提高穩(wěn)定性。3.控制預(yù)緊力的原因：預(yù)緊力過小，墊片壓縮不足，無法填充密封面間隙，導(dǎo)致泄漏；預(yù)緊力過大，可能壓潰墊片或使螺栓過載斷裂。合理預(yù)緊力需滿足：①密封要求：F0≥πDmδq（q為墊片密封比壓）；②螺栓強(qiáng)度要求：F0≤(πd12/4)[σ]b。實(shí)際中通過扭矩扳手或液壓拉伸器控制預(yù)緊力，確保在兩者之間。4.內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：以強(qiáng)度失效為控制目標(biāo)，采用彈性失效準(zhǔn)則（最大薄膜應(yīng)力不超過許用應(yīng)力），公式為δ=(pDi)/(2[σ]tφ-p)。外壓容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：以穩(wěn)定性失效為控制目標(biāo)，需計(jì)算臨界壓力pcr，并保證設(shè)計(jì)外壓p≤pcr/安全系數(shù)（通常取3）。內(nèi)壓容器失效形式為強(qiáng)度破壞（塑性變形或斷裂），外壓容器失效形式為彈性或彈塑性失穩(wěn)（幾何形狀突然改變）。5.焊接殘余應(yīng)力的影響：①降低容器的靜載強(qiáng)度（在拉應(yīng)力區(qū)可能引發(fā)脆性斷裂）；②加速應(yīng)力腐蝕開裂（拉應(yīng)力與腐蝕性介質(zhì)共同作用）；③導(dǎo)致加工變形（殘余應(yīng)力釋放引起尺寸偏差）。消除方法：①熱處理（整體或局部退火，加熱至550~650℃后緩冷）；②機(jī)械拉伸（對(duì)焊接接頭施加超過屈服強(qiáng)度的拉應(yīng)力，使殘余應(yīng)力松弛）；③振動(dòng)時(shí)效（通過高頻振動(dòng)釋放殘余應(yīng)力）。四、計(jì)算題1.內(nèi)壓圓筒壁厚計(jì)算公式：δ=(pDi)/(2[σ]tφ-p)代入數(shù)據(jù)：p=2.5MPa，Di=1200mm，[σ]t=170MPa，φ=0.85δ=(2.5×1200)/(2×170×0.85-2.5)=3000/(289-2.5)=3000/286.5≈10.47mm考慮腐蝕余量C2=2mm，計(jì)算壁厚δc=δ+C2=10.47+2=12.47mm名義壁厚δn需圓整至標(biāo)準(zhǔn)厚度，GB150規(guī)定圓整后厚度為14mm（因12.47mm接近14mm，且需滿足最小壁厚要求）。2.外壓圓筒臨界壓力計(jì)算已知：Di=1000mm，δe=7mm，L=2500mm，L/Di=2500/1000=2.5（注意題目中公式適用條件為L/Di>5，但此處L/Di=2.5<5，需采用短圓筒公式。實(shí)際外壓圓筒臨界壓力公式分長圓筒、短圓筒和剛性圓筒，當(dāng)L/Di≤5時(shí)為短圓筒，臨界壓力公式為pcr=2.59E(δe/Di)3/(L/Di)可能有誤，正確短圓筒公式應(yīng)為pcr=2.59E(δe/Di)3/(L/Di)，但需確認(rèn)。假設(shè)題目給定公式適用，則：Di=1000mm，δe/Di=7/1000=0.007，L/Di=2.5pcr=2.59×206×103×(0.007)3/2.5=2.59×206000×0.000000343/2.5≈2.59×206000×0.000000343≈2.59×0.0706≈0.183MPa（注：實(shí)際短圓筒臨界壓力公式應(yīng)為pcr=2.59E(δe/Di)3/(L/Di)，但需驗(yàn)證單位一致性，此處計(jì)算結(jié)果僅供參考。）3.螺栓強(qiáng)度及密封校核（1）螺栓拉伸強(qiáng)度校核：螺栓總拉力F=F0+(πDm2/4)p（但工作時(shí)螺栓拉力可能增加，此處假設(shè)預(yù)緊力為主要載荷）單個(gè)螺栓拉力Fb=F0=20kN=20×103N螺栓應(yīng)力σ=Fb/(πd12/4)=20×103/(π×(17.294×10?3)2/4)=20×103/(π×0.000299/4)=2