GeneralEquilibriumConditionsofASystem

力系的一股平衡條件

在這一部分，我們將研究為了使一個(gè)物體保持平衡，作用在其上的力和力偶所必須滿足的條件。

根據(jù)牛頓第一定律，施加在一個(gè)靜止物體上的力系的合力一定為零。然而，請(qǐng)注意這個(gè)定律對(duì)力矩或力系的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)只字未提。顯然，合

力矩也一定為零，否則物體將會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

這里的基本問(wèn)題是原先敘述的牛頓第一定律（和第二定律）只適用于非常小的物體，或者尺寸可以忽略的非零質(zhì)量的粒子。然而，它可以

擴(kuò)展到如下所述的有限尺寸的物體。

考慮一個(gè)由兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成的系統(tǒng)，假設(shè)和/2為它們之間的相互作用力（圖.1.1）。這些力稱為內(nèi)力，因?yàn)樗鼈兪怯捎谙到y(tǒng)內(nèi)部的物體之

間的相互作用而產(chǎn)生的。假定內(nèi)力服從牛頓第三定律，我們有/1=-/20假如還有質(zhì)點(diǎn)與系統(tǒng)外物體之間的相互作用力施加在質(zhì)點(diǎn)上，

如尸1.尸2和歹3,這些力稱為外力。顯然，作用在一個(gè)特定粒子上的力一定有相同的應(yīng)用，因?yàn)榱Ｗ拥某叽缈梢院雎浴?/p>

如果系統(tǒng)內(nèi)的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)處于平衡，我們就可以說(shuō)系統(tǒng)是平衡的。在本例中，依據(jù)牛頓第一定律，作用在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力的合力一定為

零。對(duì)質(zhì)點(diǎn)A我們有：2心=與+己+6=0

而對(duì)質(zhì)點(diǎn)B有：￡&=712+瑞=O

作用在系統(tǒng)上的力的總和為：同尸=47^+夕/73=尸1+/2+13+/|+/2=0

現(xiàn)在我們來(lái)研究這些力對(duì)于同一點(diǎn)P的合力矩。由圖1.1,我們有：MP=rXFA）+riXFB）

由于力f\和-2有相同的作用線，力矩的條件可以改寫為2加尸=力乂（尸1+/2+/1+/2）+r2xF3=0

但/l二一/2；所以力和力矩的條件簡(jiǎn)化為2尸=尸1+/2+=0

和ZMP=（nxFi）+（nxFi）+（r2xFi）=0

換句話說(shuō)，如果系統(tǒng)處于平衡，那么作用在其二的合外力一定為零，而且這些力對(duì)于任一點(diǎn)的合力矩也為零。內(nèi)力不需要考慮，因?yàn)樗鼈兊?/p>

效應(yīng)相互抵消了。

如果系統(tǒng)處于平衡，那么Z/=Oand￡MP=0（1.1）

這里z尸是作用在系統(tǒng)上的所有外力的總和，而是這些力對(duì)任意點(diǎn)的合力矩，包括系統(tǒng)中可能作用有的力偶的矩。

方程（1.1〕是平衡的必要條件：也就是說(shuō)，如果系統(tǒng)處于平衡，必須滿足這些方程。一般來(lái)說(shuō)它們不是平衡的充分條件。然而，這并不會(huì)

帶來(lái)任何困難，因?yàn)槲覀兊难芯績(jī)H涉及平衡系統(tǒng)。對(duì)于剛體，力程（1.1）既是其平衡的必要條件也是充分條件。檢臉其充分性需要應(yīng)用牛

頓第二定律和其它超出本課文的知識(shí)。

重要的是要注意到，方程（1.1）適用于任何平衡系統(tǒng)，而不管組成該系統(tǒng)的物質(zhì)是什么。例如，他們適用于大量為靜止流體和固體。在

某種條件下，它們(指兩方程式)也適用于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兪墙⒃谂谝欢傻幕A(chǔ)上，而牛頓第一定律既適用于勻速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)

點(diǎn)，也適用于靜止的質(zhì)點(diǎn)。例如，方程(1.1)適用于做無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體和以通過(guò)質(zhì)心的固定軸為軸做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的物體。典型的

例子有做水平勻速直線飛行的飛機(jī)和勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)皮帶輪。但是，問(wèn)題涉及的任何運(yùn)動(dòng)一般歸類為動(dòng)力學(xué)。

當(dāng)以分量的形式表示時(shí)，方程(1.1)可變形為六個(gè)標(biāo)量方程；

=0^Fy=O^Fz=0^A7p.t=0￡Mpy=U=0(回

利用這些方程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，解決就外力和作用力偶而言的未知問(wèn)題。由于有6個(gè)方程，所以我們一般可以解決含六個(gè)未知數(shù)的

問(wèn)題。如果通過(guò)平衡方程可以解出關(guān)于外力和力偶的所有未知數(shù)，我們就說(shuō)系統(tǒng)是靜定的。反之，系統(tǒng)為靜不定。

如果問(wèn)題中含有的未知數(shù)個(gè)數(shù)比平衡方程的個(gè)數(shù)多，就要嘗試通過(guò)研究多個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩來(lái)獲得更多的方程。遺憾的是,這個(gè)系統(tǒng)不能正常工

作。

Unit2應(yīng)力和應(yīng)變

材料力學(xué)的介紹

材料力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)的一個(gè)分支，涉及受不同類型載荷的固體的性能。這是一個(gè)有多種名稱的研究領(lǐng)域，包括：“材料強(qiáng)度”，“易變形

體的力學(xué)”，本書中研究的固體包括受軸向載荷的桿，軸，梁，圓柱和由這些零件裝配的機(jī)構(gòu)。一般情況下，我們研究的目的是測(cè)定因受載

而引起的應(yīng)力，應(yīng)變和變形：如果當(dāng)所有負(fù)荷且達(dá)到破壞載荷時(shí)，能夠測(cè)得這些物理量，我們就可能得到一份完整的固體力學(xué)性能圖。

在材料?力學(xué)的研究中.理論分析和實(shí)驗(yàn)研究同等重要.很多情況下.我們通過(guò)邏輯推導(dǎo)來(lái)獲得領(lǐng)測(cè)力學(xué)性能的公式和方程.但同時(shí)

我們必須認(rèn)識(shí)到，這些公式不能用于實(shí)際情況中，除非材料的特性是已知的。只有在實(shí)驗(yàn)室中做過(guò)適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)之后我們才能使用這些特性。

并且，當(dāng)工程中的重要的問(wèn)題用邏輯推導(dǎo)方式不能有效的解決時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量就成為一種實(shí)際需要。材料力學(xué)的發(fā)展歷史是一個(gè)理論與實(shí)驗(yàn)極

有趣的結(jié)合，在一些情況下，是實(shí)驗(yàn)指出了得出正確結(jié)果的方式，在另一些情況下確是理論來(lái)做這些事。例如，著名的達(dá)芬奇(1452-1519)和

伽利略(1564/642)通過(guò)做實(shí)驗(yàn)測(cè)定鋼絲，桿，梁的強(qiáng)度，盡管在當(dāng)時(shí)對(duì)他們的測(cè)試結(jié)果并沒有充足的理論支持(以現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn))。相反，著

名的數(shù)學(xué)家歡拉(1707-1783),在1744年就提出了柱體的數(shù)學(xué)理論并計(jì)算其極限載荷，而過(guò)了很久才有實(shí)驗(yàn)證明其結(jié)果的正確性。因此，歐

拉的理論結(jié)果在很多年里仍然未被采用，但今天，它們莫定了圓柱理論的基礎(chǔ)。

隨著研究的不斷深入，把理論推導(dǎo)和在實(shí)驗(yàn)上已確定的材料性質(zhì)結(jié)合起來(lái)研究的重要性將電顯然的。在這一節(jié)，首先。我們討論一些基

本概念，如應(yīng)力和應(yīng)變，然后研窕受拉伸，壓縮和剪切的簡(jiǎn)單構(gòu)件的性能。

1.Stress應(yīng)力

通過(guò)對(duì)等截面桿拉伸的研究初步解釋應(yīng)力和應(yīng)變的概念［如圖14(a)h等截面桿是一個(gè)具有恒定截面的直線軸。這里，假設(shè)在桿的末端

施加軸向力P,產(chǎn)生均勻的伸展或拉伸。假設(shè)沿垂直于軸線的方向切割桿，我們就能把桿的一部分當(dāng)作自由體隔離出來(lái)［圖1.4(b)］＜(張力

P作用于桿的右端，在另一端就會(huì)出現(xiàn)一些力來(lái)代表?xiàng)U被切除的那一部分。這些力連續(xù)的分布在橫截面上，類似于作用在被淹沒物體表面的

連續(xù)的靜水壓力。力的密度，也就是單位面積二的力的大小稱為應(yīng)力，一般用。表示。假設(shè)應(yīng)力是均勻分布在橫截面上[如圖1.4(b)],我

們很容易得出它的大小等于密度。乘以桿的橫截面積A。而且，通過(guò)圖1.4(b)中所示物體的平衡，我們也能得到它與力P等大反向。因

此，我們得到

P

0-=—(1.3)

A

作為在等截面桿中求解均勻應(yīng)力的方程。從這個(gè)公式可以看出，應(yīng)力的單位是力除以面積一一例如：牛每平方亳米(N/〃〃〃2)或磅每平方

英寸(psi)。當(dāng)桿在力的作用下被拉伸時(shí)，如圖所示，所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為拉應(yīng)力；當(dāng)施加反方向的力時(shí)，桿被壓縮，這時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為壓

應(yīng)力。

方程(1.3)的必要條件是應(yīng)力。必須均勻分布在桿的橫截面上。如果軸向力通過(guò)截面的質(zhì)心時(shí)，這個(gè)條件將會(huì)被認(rèn)識(shí)，同時(shí)可以通

過(guò)靜力學(xué)驗(yàn)證。當(dāng)載荷P不是作用在行心時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生撓度，更復(fù)雜的分析就是必要的了。然而，如果沒有特殊說(shuō)明，本書中假定所有的軸

向力都作用在橫截面的行心。而且，除非另有說(shuō)明，物體本身的質(zhì)量一般忽略不計(jì)，就像討論圖1.4中的桿那樣。

3.Strain應(yīng)變

受軸向力時(shí)，桿的總的伸長(zhǎng)量用冷臘字母3表示，如圖1.4(a)所示。單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)即應(yīng)變，可以用￡二一計(jì)算得到。這里L(fēng)是桿的總

L

長(zhǎng)度。注意應(yīng)變￡是無(wú)量綱量，只要應(yīng)變?cè)跅U上是均勻的，就可以通過(guò)方程(1.4)得到精確的結(jié)果。如果桿被拉伸，此時(shí)的應(yīng)變稱為拉應(yīng)

變.即材料伸長(zhǎng)或被拉伸：如果桿是被壓縮,即為壓應(yīng)變,這就意味著桿的相鄰的截面離得更近r.

Unit3正應(yīng)力和切應(yīng)力

1.Normalstress正應(yīng)力

在這之前，我們已經(jīng)知道組成構(gòu)件的桿件存在內(nèi)載。不知不覺地，人們把測(cè)定桿件的壓力作為研究的第一步。而這個(gè)力是保持系統(tǒng)平衡的必

要載荷。該力是利用穿過(guò)桿件的橫截面求得的，因此叫做內(nèi)力或內(nèi)載荷。這就是壓力分析問(wèn)題的第一步一一求取內(nèi)載。第二步則是求由這個(gè)

載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，這是這部分主要研究的問(wèn)題，但是求產(chǎn)生這個(gè)應(yīng)力的內(nèi)載仍然是第一步，也是必不可少的一步。

如圖1.8(a)所示的橫截面積為2平方英寸的桿件，假設(shè)它受到1170磅的拉伸載荷?，F(xiàn)在假設(shè)載荷已經(jīng)作用于桿件上，問(wèn)題隨即出

現(xiàn)了。這個(gè)載荷是如何分布的？對(duì)于桿件來(lái)說(shuō)它是均勻分布的，如圖L8(b)所示。如果載荷均勻的分布在這2平方英寸的橫截面上，桿件

的應(yīng)力大小就等于載荷除以面積，即

loadP1170/Z?585/Z?,

stress=--------=—=.............-,or(T=-------=585psi

areaA2.0濘in.2

從這個(gè)案例中我們注意到：第一是應(yīng)力的符號(hào)，。。它是希臘語(yǔ)中的小寫字母，類似于英語(yǔ)中的有些教材中使用S,但是。比

較常用，因此我們使用現(xiàn)在習(xí)慣于用。將使后面的工作更方便。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常使用f表示壓力。

第二點(diǎn)是以下的方程:

<7=—(1.5)

A

這個(gè)方程對(duì)于我們即將研究的問(wèn)題來(lái)說(shuō)非常市要，應(yīng)該掌握，它將被市復(fù)使用。在獲得方程的過(guò)程中，假定應(yīng)力是均勻分布的，也

就是平等分布。這是個(gè)非常好的假設(shè)，在大量的案例中都適用。即使在這個(gè)假設(shè)不成立的情況下，設(shè)計(jì)壓力通常取平均壓力，因此，公式

(1.5)有廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)力的方向也應(yīng)當(dāng)注意。它垂直于力作用的表面，因此叫做正應(yīng)力?！癗ormal”表示垂直于表面的意思。除了大小和方向這兩個(gè)性

質(zhì)，應(yīng)力的第三個(gè)特性就是它分布的均勻性。這樣，畫出應(yīng)力分布草圖就很容易了。當(dāng)不畫草圖時(shí)，我們學(xué)生應(yīng)當(dāng)能想象出分布情況。圖

1.8(b)所示的是三維圖。但我們使用更多的是圖1.8(c)中的二維圖。

應(yīng)力產(chǎn)生的效果也是重要的。它不能從矢量力的符號(hào)中測(cè)得。它不依賴物體的運(yùn)動(dòng)而是依賴無(wú)物體上的壓力，如果壓力的趨勢(shì)是拉

伸物體或是使它分開，就叫做張力。通常，把拉伸張力規(guī)定為正的。如果應(yīng)力是壓縮或擠壓物體，則把它叫做壓縮，取負(fù)的。

最后研究的是應(yīng)力的單位。

Pforce\b

r=—=------=-7=psi

Aareain：

在國(guó)際單位制中，壓力的單位是牛頓，面積的單位是平方米。因此，應(yīng)力的單位是牛每平方米。它是一個(gè)導(dǎo)出單位，稱為帕斯卡，

簡(jiǎn)稱Pa。

2.ShearStress切應(yīng)力

圖1.8中物體所受的力是標(biāo)準(zhǔn)的，也就是垂直于橫截面。而圖1.9(a)中的力則不是標(biāo)準(zhǔn)的。如圖1.9(b),矢量力P分解成豎直分量

P)，和切向分量豎直分量尸)，產(chǎn)生正應(yīng)力。于是根據(jù)。=P)，/A求得平均正應(yīng)力，它與真實(shí)情況非常相近，切向分量將產(chǎn)生剪應(yīng)

力，如圖1.10所示。平均剪應(yīng)力有以下公式計(jì)策得到：Tav=-

Ao

但是，這個(gè)方程與真實(shí)壓力有很大的不同。盡管如此，根據(jù)實(shí)際需要，方程(1.6)也廣泛的應(yīng)用在許多工程應(yīng)用中。下腳表av表示計(jì)算

得到的是平均應(yīng)力而不是真實(shí)應(yīng)力。

最常用的表示剪應(yīng)力的符號(hào)是是希臘字母［au(T),而Ss不常用。由于它也是由載荷除以面積得到的，因此它的單位也是p$i,k$i,Pa,

MPa等等。

在前面部分中，公式(1.5)表明了應(yīng)力大小，方向，分布狀態(tài)的重要性。這些對(duì)剪應(yīng)力也同等重要。當(dāng)然，力的大小可由公式

(1.6)得到。力向平行于表面，朝著切向力向，因此把它叫做剪成力。假設(shè)力的方向是均勻的，如圖1.1U所示。

Unit4回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力

回轉(zhuǎn)殼體是由一條宜線或曲線繞一根旋轉(zhuǎn)形成的（一個(gè)回轉(zhuǎn)實(shí)體是由一個(gè)面統(tǒng)一根軸旋轉(zhuǎn)而成的）。大多數(shù)過(guò)程容器是由回轉(zhuǎn)殼體組成

的：圓柱形和圓錐形部件；半球形，橢圓形和準(zhǔn)球形的封頭；圖.1.13。

薄的容器壁被稱為“薄膜”：承受載荷不引起嚴(yán)重的彎曲和過(guò)大的剪切應(yīng)力；就象氣球的外壁一樣。

對(duì)受內(nèi)壓回轉(zhuǎn)殼的薄膜應(yīng)力分析為確定容器殼體最小壁厚奠定了基礎(chǔ)。實(shí)際的厚度要求同樣取決于容器所承受的載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力。

假設(shè)大致形狀如圖1.14的回轉(zhuǎn)殼體在載荷作用下做對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)；在殼體單位面積上所受的載荷（壓力）在周向方向是一致的，但是從

頂部到底部并不是一模一樣的。

讓P=壓力

【=殼體的厚度

b產(chǎn)經(jīng)向應(yīng)力（縱向應(yīng)力），應(yīng)力沿著經(jīng)線作用，

。2=周向或者切向應(yīng)力，應(yīng)力沿著平行的圓環(huán)作用（通常叫做環(huán)向應(yīng)力），

4=經(jīng)向曲率半徑，

公=環(huán)向曲率半徑。

注意：容器有雙曲率；rl和r2的值是由形狀決定的。

假設(shè)作用在單元上的力通過(guò)點(diǎn)a,b,c,d來(lái)定義。那么在單元上的應(yīng)力的法向分量（分力作用在和表面有特定隹度的方向）：

這個(gè)力被其它力的法向分量抵消與容器壁.上的薄膜應(yīng)力相關(guān)聯(lián)（給出.力=應(yīng)力乂面積1：

將上面等式左右連接并且簡(jiǎn)化，取極限方法令d6/2fds/2r,sind。

fd。，給出：

經(jīng)向應(yīng)力力可通過(guò)作用在周向沿線的力的平衡獲得：圖1.14。壓力垂直分量：

這是一種通過(guò)力的垂直分量建立的平衡，取決于作用在壓力容器外壁圓周上的經(jīng)向應(yīng)力：

連接這些力得出：（1.13）

公式（1.12：和（1.13）完全適用于任何回轉(zhuǎn)殼體。圓柱體（圖1.15a）

圓柱是由平行于回轉(zhuǎn)軸的一條線旋轉(zhuǎn)而得，所以：D姥圓柱的宜徑。

帶入公式（1.12）（LI3）得:球體（圖1.15b）因此:

圓錐體：

圓錐體是由和軸有一定角度a的直線旋轉(zhuǎn)而成，

帶入公式（1.12）和（1.13）得:

最大值將會(huì)發(fā)生在

r=D212.

Unit5機(jī)械振動(dòng)

機(jī)械振動(dòng)是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)或物體以一個(gè)平衡位置為中心做往夏周期的振蕩運(yùn)動(dòng)。由于工程師幾乎要面對(duì)所有的機(jī)械和結(jié)構(gòu)中，因此機(jī)械

振動(dòng)就成了一個(gè)經(jīng)常有遇要到的問(wèn)題。在機(jī)器和結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)振動(dòng)是不希望存在的，因?yàn)檎駝?dòng)會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力或交變應(yīng)力，引起額外磨

損，增大軸承載荷，導(dǎo)致疲勞破壞，使飛機(jī)、輪、火不及汽車上的乘客產(chǎn)生嚴(yán)重的不很舒服感，并且振動(dòng)會(huì)吸收本可以做有用功的能量。

1940年的TacomaNarrowsBridge倒塌就是一個(gè)山振動(dòng)引起附加應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的例子。附加振動(dòng)可能損壞精密儀表、工具和機(jī)械的精

度。為了防止來(lái)自振動(dòng)的破壞，旋轉(zhuǎn)機(jī)械需要很好的平衡。當(dāng)飛機(jī)的螺旋槳在飛行過(guò)程中損壞或斷裂時(shí)，螺旋槳就將不再對(duì)稱，除非可以及

時(shí)停止，否則發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)就會(huì)把它從飛機(jī)上撕裂下來(lái)。汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)或在崎嶇不平的路上.行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)在?定的部位產(chǎn)生交變

應(yīng)力，最終導(dǎo)致桿件疲勞失效。

有時(shí)候振動(dòng)也能產(chǎn)生有益的效果。比如，振動(dòng)可以壓實(shí)物體，用脫粒機(jī)將谷粒與谷殼分離。那些在具有常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)上可正常

運(yùn)行的儀器，當(dāng)用于滑翔機(jī)或噴氣機(jī)時(shí)，因?yàn)槿狈φ駝?dòng)，可能會(huì)趨于粘滯。在這種情況下，就需在儀器的儀表板上安裝振動(dòng)器。

當(dāng)質(zhì)點(diǎn)或物體是由彈簧系統(tǒng)支撐時(shí)，住于實(shí)際應(yīng)用和額外力的移走，軸、梁或其他彈性系偏離平衡位置，這時(shí)質(zhì)點(diǎn)或物體將開始振

動(dòng)。一些常見的例子有：圖1.19(a)中，A物體在螺旋彈簧上被垂直拉離平衡位置時(shí)稀放，它就會(huì)垂直振動(dòng)；圖1.19<b)中，當(dāng)B物體在

一個(gè)懸臂梁(忽略質(zhì)量)上偏離平衡位置并釋放時(shí)，它的垂直振動(dòng)；圖1.19(c)中，當(dāng)擺錘C由細(xì)線(忽略質(zhì)量)固定在豎直平面時(shí)的搖

擺運(yùn)動(dòng).

如圖1.20(a)所示，小物塊W通過(guò)彈簧懸拒在固定支撐上并處于平衡位置。如果符物體在力F的作用下偏離平衡位置然后釋放，在不考

慮任何摩擦力的情況下，物體將關(guān)于平衡位置做無(wú)休止的振蕩運(yùn)動(dòng)。圖1.20(b)所示的是物體W偏離平衡位置的位移y，時(shí)間的函數(shù)美系

圖。振動(dòng)的一個(gè)基本性質(zhì)是以一定的時(shí)間間隔直憑運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)的周期T是重復(fù)運(yùn)動(dòng)的最小時(shí)間間隔。完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)循環(huán)。振動(dòng)

頻率f是在給定的單位時(shí)間內(nèi)完成循環(huán)的個(gè)數(shù)：常用的單位是次每秒，cps,或赫茲，Hz。需要注意的是頻率是周期的倒數(shù)，用公式表示

為：f=—?

T

不管是線性的還是成角度的，振動(dòng)的振幅是物體偏離平衡位置的最大位移。

機(jī)械振動(dòng)是通過(guò)彈力保持的，有時(shí)是重力，這些力被稱為自由振動(dòng)。自由振動(dòng)通常稱為固有振動(dòng)，一旦開始，就將以固有頻率持續(xù)

振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)由系統(tǒng)外的周期性激蕩力產(chǎn)生并保持，它以激蕩力的頻率發(fā)生。如果系統(tǒng)近乎無(wú)摩擦和無(wú)耗散，那么，當(dāng)激蕩力的固有頻率

與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅就會(huì)受得非常太。因此，盡管強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與彈性系統(tǒng)的固有頻率無(wú)關(guān)，但是，所產(chǎn)生的振帕?xí)?/p>

受到兩個(gè)頻率的影響。振動(dòng)也被分為阻尼振動(dòng)和無(wú)阻尼振動(dòng)。當(dāng)摩擦力，空氣阻力，粘性阻尼和其他所有阻力都忽略時(shí)，振動(dòng)就是無(wú)阻尼

的。當(dāng)考慮這些因素時(shí)，物體就發(fā)生阻尼振動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，盡管由于各種原因，摩擦阻尼力可能被忽略，但是，它最終會(huì)阻礙自由振

動(dòng)。

當(dāng)?個(gè)質(zhì)點(diǎn)或物體的運(yùn)動(dòng)被限制時(shí)，它的位置用?個(gè)坐標(biāo)就能完全表示，這時(shí)，我們就說(shuō)它有?個(gè)自由度。當(dāng)?個(gè)系統(tǒng)可以在兩個(gè)

方向振動(dòng)或由兩個(gè)可以在同一方向獨(dú)立振動(dòng)的物體組成時(shí)，我們說(shuō)它有兩個(gè)自由度，這時(shí)，質(zhì)點(diǎn)任意時(shí)刻的位置需要兩個(gè)坐標(biāo)來(lái)確定。例

如，一個(gè)單質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)，通過(guò)彈簧固定，如圖1.21(a)所示，只能在豎直方向振動(dòng)，有一個(gè)自由度。一個(gè)可沿錯(cuò)垂方向振動(dòng)的雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)，

所受約束如圖1.21(b)所示，有兩個(gè)自由度，這是因?yàn)橐_定任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置需要兩個(gè)坐標(biāo)。一個(gè)由四個(gè)彈簧固定的單質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)，如

圖L21(c)所示，在豎直面內(nèi)被限制運(yùn)動(dòng)，有兩個(gè)自由度，這是因?yàn)樵谪Q直面內(nèi)要確定任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置需要兩個(gè)坐標(biāo)。一般而言，單

一剛體有六個(gè)自由度，因?yàn)樗醒厝齻€(gè)坐標(biāo)方向移動(dòng)和繞三個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的可能。

Unit6金屬

大約現(xiàn)有元素中的四分之三可歸類為金屬：而大約一半金屬元素都有一定的工業(yè)或商業(yè)上的重要性。盡管嚴(yán)格定義的金屬只局限于純金

屬，但是普遍的用法是把它擴(kuò)展到更廣范圍的金屬合金。盡管純金屬有很多特性，他們?cè)谏虡I(yè)中的應(yīng)用也很局限。金屬合金由兩種或兩種以

上的元素組成，用途非常廣泛，正是由于這種結(jié)構(gòu)上的原因，很多金屬被用于工業(yè)上。

金屬材料是晶狀固體。單個(gè)晶體是由單元晶粒按有規(guī)則模式重復(fù)而形成的三維晶格。?塊金屬則是成千上萬(wàn)相聯(lián)晶體的集合體，而這些晶

粒都沉浸在從晶體原廣中脫離出來(lái)的帶負(fù)電的價(jià)電r云中。由于這些自由電廣時(shí)帶正電的金屬原廣或離「有靜電吸引力，因此可以將晶體結(jié)

構(gòu)緊湊的結(jié)合在一起。而由于金屬結(jié)晶結(jié)構(gòu)致密本質(zhì)導(dǎo)致的這種很大的結(jié)合力是造成金屬一般都具有良好機(jī)械性質(zhì)的原因。同樣，電子云使

大多數(shù)金屬有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

在大多數(shù)情況下，根據(jù)生產(chǎn)金屬的模板來(lái)辨認(rèn)金屬。當(dāng)金屬已羥以固體的形式存在或形成時(shí)，并且是逑性的，被稱為可鍛金屬。將液體

金屬傾倒入模型形成的金屬稱為澆鑄金屬。

金屈材料分為兩類：黑色金屈和有色金屈。所有黑色金屈的基本成分都是鐵元素。這些金屬涉及的范圍從含碳9C%以上的鑄鐵和碳鋼到

特種鐵合金，在這些鐵合金中，各種其他元素的總和幾乎占總成分一半。

除商業(yè)純鐵之外，所有含鐵的原料，包括鐵和鋼，都被認(rèn)為是主要的鐵碳合金系統(tǒng)。雖然碳含量很少(鋼材中少于1％,鑄鐵中不超過(guò)

4%)而且通常低于其他合金元素，但它仍然是機(jī)械性能發(fā)展和控制的主要因素。

就定義而言，那些鐵元素不是主要成分的金屬原料被稱為有色金屬。大約十幾種有色金屬有相對(duì)廣泛的工業(yè)用途。排在第一位的是鋁，它

僅次于鋼鐵，被廣泛的應(yīng)用于今天的結(jié)構(gòu)金屬門。鋁、鎂、鈦和鍍被認(rèn)為是輕金屬，因?yàn)樗鼈兊拿芏缺蠕撹F的密度小的多。

從消耗量方面來(lái)說(shuō)，銅合金是排在第二位的有色金屬。銅合金有兩大類：一類是黃銅，它是以銅和鋅為基礎(chǔ)的二元合金：另一類是青

銅，它原本是銅錫合金系統(tǒng)。而現(xiàn)在，青銅還包含其他銅合金系統(tǒng)。

由于鋅、錫、鉛和睇的熔點(diǎn)都低于800F(4270,因此把它們歸類為低熔點(diǎn)今金。鋅的主要結(jié)構(gòu)用途是拉模鑄造，它的消耗量?jī)H次于鋁

和銅，排名第三。鉛和錫在應(yīng)用中是非常局限的，僅適用于需要熔點(diǎn)低和其他特性的場(chǎng)合。

另一類廣泛的有色合金被稱為難熔金屬。這些金屬有鋁、鋁和輅，它們的熔點(diǎn)都在3000F(16490以上，常用在必須抵抗異常高溫的

產(chǎn)品中。

最后，貴金屬，價(jià)值高是它們的共性。另外，他們一般具有較高的耐腐蝕性，有許多有益的物理特性。

Unit7材料的特性

用于工程構(gòu)件的任何一種材料的最終強(qiáng)度取決于這種材料在經(jīng)歷了一種或多種不同加工過(guò)程之后的機(jī)械與物理性質(zhì)。也有許多特性決定材料

的初始狀態(tài)適合一些特定的加工工藝。原始材料的最初強(qiáng)度很重要，因?yàn)閺?qiáng)度在一定程度上影響了材料最終被加工的形狀以及最后所能承受

的截面能力，增加或者降低初始材料的強(qiáng)度的因素也很重要。它可用于減小材料的強(qiáng)度并如許現(xiàn)有機(jī)器卜將材料加工成一定形狀?；蛘咦鳛?/p>

選擇去提高材料最終的強(qiáng)度來(lái)得到更高的服務(wù)強(qiáng)度。強(qiáng)度是一個(gè)不明確的詞匯，在這被理解為指示出材料接受或抵抗變形的能力。

一個(gè)類似的問(wèn)題也適用于另一個(gè)甚至更雉以捉摸的材料性質(zhì)，即材料的韌性。它通常被理解為指的是材料承受大變形(主要是拉伸變

形)而不發(fā)生斷裂的能力。在考慮加工工藝，這個(gè)參量的大部分值很明顯是很有用的。金屬加工工藝只受到實(shí)際工作材料的韌性影響而受到

限制，所以，強(qiáng)加到材料上的大量變形必須被限制為了防止材料斷裂。然而?些與韌性相反的加工工藝卻是有利的。一個(gè)適合的一股性的詞

匯來(lái)解釋脆性可能就是脆性了；例如，眾所周知某些脆性材料比韌性材料容易加工或剪切。

主要是制造過(guò)程中各種材料性質(zhì)的相互關(guān)系，例如強(qiáng)度與韌性等，影響著生產(chǎn)工藝。例如，一個(gè)很普通的常識(shí)大多數(shù)金屬當(dāng)受熱時(shí)將

會(huì)變軟和更容易變形。如果變形的速度太快，然而，這種優(yōu)勢(shì)會(huì)消失，材料會(huì)變的更硬更脆，過(guò)快的變形會(huì)導(dǎo)致斷裂。這些效果的事件和重

要性在某重程度上取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)，所以金屬冶金學(xué)的知識(shí)或者相應(yīng)的非金屬微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于理解這本書的許多學(xué)科是十分必要的，又

叫做材料的強(qiáng)度。這章開始討論的目的，實(shí)際二，是為了指出這些材料的性質(zhì)在加工過(guò)程中和加工過(guò)程之后都重要，為了了解它們?yōu)槭裁催@

么重要，它們?cè)趺礃佑绊懠庸すに嚨?。很明顯我們必須要有比強(qiáng)度、韌性更精確的詞匯，在這章考慮了一些標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械測(cè)試是為了了解是否有

必要定義一些更精確的概念。當(dāng)然，為了了解它很有必要掌握塑性數(shù)學(xué)理論或理想介質(zhì)的流變學(xué)理論。

一旦多種重要的加工性質(zhì)被定義和理解，那么我們有必要去考慮這些知識(shí)怎樣被使用去控制工藝和生產(chǎn)，這些性質(zhì)怎么樣被不同的加

工工藝影響，用這種方法我們可以很容易確定對(duì)一個(gè)給定的元件和材料的一個(gè)合適的方法最后給出最后的形狀，要求的強(qiáng)度和性質(zhì)。因此我

們可以理解為什么傳統(tǒng)的學(xué)科中的材料強(qiáng)度如此重要，不僅是因?yàn)樗c任何工程工件和材料的最終條件有關(guān)，也和最終變形前的材料有關(guān)。

例如，可能會(huì)和考慮形狀改變有關(guān)或者加工工件的材料去適合生產(chǎn)技術(shù)。這些問(wèn)題超出的這本書的研究范圍，并且可能屬丁?在加工設(shè)

計(jì)或者加工工程中更專業(yè)的領(lǐng)域。制造的成木自始至終，即從規(guī)定元件要在一定壽命期間滿足一定的功能開始，直到最后的檢驗(yàn)、試驗(yàn)和保

用，都是最重要的。整個(gè)加工工藝包括工件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，特別是影響材料的最終強(qiáng)度。

在加工中有?些物理和化學(xué)的性質(zhì)影響著材料的選擇和處理。?個(gè)物理性質(zhì)是傳熱率去膨響當(dāng)它在材料內(nèi)部變形和冷卻硬化的時(shí)候的

熱流量。同樣的，眾所周知的例子，是一個(gè)重要的抵抗腐蝕的性質(zhì)。它的重要性在生產(chǎn)的最終階段很明顯，它在加工工藝過(guò)程中也很重要，

因?yàn)樗袝r(shí)影響表面膜的形成，從而影響潤(rùn)滑性，或是導(dǎo)熱和導(dǎo)電的能力。

Unit10金屬的腐飩

化工廠，伴隨著大量多種的氣態(tài)，有機(jī)的和氣態(tài)的腐蝕，產(chǎn)生每種可想象的腐蝕類型?？刂圃O(shè)備的腐蝕在沒有化學(xué)過(guò)程的情況卜是一個(gè)相

當(dāng)大的挑戰(zhàn)，煉油廠在腐蝕控制方面具有最好聲譽(yù)，這部分地是由于?其產(chǎn)品的價(jià)值給了煉油廠以資金來(lái)進(jìn)行腐蝕控制，部分地也是由于對(duì)煉

油廠來(lái)說(shuō)如果任何一項(xiàng)腐蝕控制措施出現(xiàn)問(wèn)題的話，都存在發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)。抵抗腐蝕的材料和昂貴的化學(xué)抑制劑被認(rèn)為是必要的保障。

什么是腐蝕？腐蝕是金屬由于和環(huán)境反應(yīng)而產(chǎn)生的破壞。

破壞的規(guī)定是不包括工藝在內(nèi)的，比如化學(xué)藥品的研磨、鋁的陽(yáng)極反應(yīng)，和鋼的發(fā)藍(lán)，這些都是有意識(shí)的去改善金屬。所有種類的化

學(xué)和電化學(xué)過(guò)程在工業(yè)上被用做和金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是它們被設(shè)計(jì)出來(lái)是用于改善金屬而不是去破壞它。因此這些過(guò)程不認(rèn)為是腐蝕。

金屬在腐蝕的定義中被涉及到，但是任何一種材料都能被它的環(huán)境破壞：犁料在溶劑中膨脹，混凝土在污水中的溶解，木頭的腐爛，

等等。這些結(jié)果都是不同機(jī)理產(chǎn)生的嚴(yán)重問(wèn)題。但是在這個(gè)定義中它們不被包括。金屬，他們是否在腐蝕中被侵襲的均勻或者有紋孔或者開

裂，被腐蝕都是通過(guò)相同的基本機(jī)理，它們不同與其他的材料。這些試驗(yàn)集中在金屬上。

腐蝕對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)是個(gè)自然過(guò)程，因?yàn)樗鼈兣c環(huán)境反應(yīng)生成更穩(wěn)定的化合物.即使是在一個(gè)材料選擇總是正確的、設(shè)備設(shè)計(jì)沒有任何

缺陷并且操作也沒有任何借誤的理想世界中，腐蝕仍將發(fā)生，只不過(guò)是可以接受的腐蝕速率罷r。

腐蝕的代價(jià)?？纯凑鎸?shí)的腐蝕是怎樣的，許多國(guó)家的政府在1970年和1980年委托研究，得到r許多數(shù)據(jù)說(shuō)明腐蝕的確是大多數(shù)的主

要問(wèn)題。美國(guó)的研究估計(jì)腐蝕的直接損失是工業(yè)產(chǎn)值的4.9%對(duì)于工業(yè)化國(guó)家來(lái)說(shuō)。這4.9%中，大概1%到2%是可以通過(guò)現(xiàn)在的技術(shù)避免

的，大概是每人每年200美元的浪費(fèi)。

直接成本包括零件?、勞動(dòng)力代替汽車的消聲器，金屬的頂板，冷凝管，和所有其他的可腐蝕的金屬。一部完整的機(jī)器不得不被報(bào)廢由

于小部件的腐蝕。單單汽車腐蝕每年就值16億。直接成本包括金屬的重新噴漆，雖然這筆費(fèi)用不同于安裝精確的部件，因?yàn)樵S多金屬表而

噴漆是防止鞫蝕。腐蝕防護(hù)的成本也包括例如用極保護(hù)的投資成木、其電力消耗和維修成本、化學(xué)緩蝕劑的成本以及抗腐蝕材料的附加成本

等。

間接費(fèi)用更難以確定，盡管他們可能至少對(duì)一樣人的直接費(fèi)用進(jìn)行了調(diào)查。間接費(fèi)用包括工廠停產(chǎn)，損失或污染的產(chǎn)品，喪失效率，對(duì)于防

腐需要進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)，大約20%的電子故障是由腐蝕造成的。

腐蝕導(dǎo)致了我們一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的代價(jià)就是資源枯竭，但是這不是算作直接費(fèi)用。據(jù)估計(jì)，40%的鋼鐵生產(chǎn)用以取代鋼材腐蝕損失,

許多金屬，特別是例如格和鍥等那些制造合金時(shí)所必需的金屬，都不能通過(guò)當(dāng)代技術(shù)進(jìn)行可回收利用。能源資源也降低腐蝕，因?yàn)槟茉幢仨?/p>

用于生產(chǎn)替代金屬。

人力資源是一種浪費(fèi)，擁有時(shí)間和智慧的許多工程師和技術(shù)人員必須在H常斗爭(zhēng)腐蝕。往往腐蝕工作分配給新的工程師或技術(shù)員，因?yàn)樗?/p>

一種快速的方法為他/她去了解的人，工廠運(yùn)匕，它的問(wèn)題。然后，如果他們會(huì)得到進(jìn)步以及與另一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)員已經(jīng)重新開始學(xué)習(xí)周

期。

PARTm工業(yè)流程

Unit11化學(xué)工程

1.什么是化學(xué)工程？

從廣義上講，工程被定義為特定行業(yè)使用的科學(xué)技術(shù)和設(shè)施，例如，機(jī)械工程是指技術(shù)和設(shè)施被用來(lái)制造及其，它（機(jī)械工程）主要是以機(jī)

械力基礎(chǔ)，這些力用于改變被加工材料的表面形狀或物理性質(zhì)，而材料的化學(xué)性質(zhì)不變。化學(xué)工程包括材料的化學(xué)加工，主要以化學(xué)和物理

化學(xué)的高度且雜性為基礎(chǔ)。

因此，化學(xué)工程是注重設(shè)計(jì)，制造，機(jī)械設(shè)備操作，化學(xué)加工工業(yè)機(jī)械等要就工程領(lǐng)域的分支。

化學(xué)工業(yè)是首先以化學(xué)科學(xué)為基礎(chǔ)，例如物理化學(xué)，化學(xué)熱力學(xué)，和化學(xué)動(dòng)力學(xué)。等等，然而，它（化學(xué)工程）不是簡(jiǎn)單的復(fù)制他們

的發(fā)現(xiàn)，而是依靠他們進(jìn)行大量的化學(xué)處理。主要的目的是使化學(xué)工程成為一門純粹的學(xué)科，是一種能夠找到一種操作和設(shè)計(jì)商業(yè)設(shè)備及配

件最適合最經(jīng)濟(jì)的方案.因此.化學(xué)工程在沒有經(jīng)濟(jì)，物理，數(shù)學(xué)，控制理論.機(jī)械原理，和其他科學(xué)技術(shù)的緊密聯(lián)系是不可想望的.

在化學(xué)工程的早期，化學(xué)工程是?門大的描述性的學(xué)科。在那時(shí)許多的早期的化學(xué)工程的教科書和手冊(cè)都是百科全書?樣商業(yè)生產(chǎn)過(guò)

程中所知道，在科學(xué)和工業(yè)制造取得進(jìn)展并在增加化學(xué)制品的數(shù)量上給人印象深刻。如今，是有充當(dāng)?shù)?0,000種化學(xué)品的生產(chǎn)來(lái)源?；瘜W(xué)

工業(yè)的發(fā)展，一方面使化學(xué)和技術(shù)科學(xué)向前發(fā)展，另一方面可為化學(xué)加工工藝奠定理論基礎(chǔ)。

隨著化學(xué)工程的穩(wěn)步向前發(fā)展，新的數(shù)據(jù)，新的聯(lián)系，新的歸納正在被加入化學(xué)工程的主題。許多他們自己的分支區(qū)別化學(xué)工程的主

流。正如加工和機(jī)械設(shè)計(jì)，自動(dòng)化，化學(xué)模擬加工和建模等等。

2.化學(xué)工程的基本趨勢(shì)？

化學(xué)工程一直被用來(lái)加工工業(yè)來(lái)改變?cè)系奈锢頎顟B(tài)或化學(xué)成分。化學(xué)工程師所研究問(wèn)題的傳統(tǒng)范圍，從復(fù)雜性和規(guī)模上來(lái)講，也許都可以

稱之為是中等尺度的問(wèn)題。這種尺度包含反應(yīng)器和單一工序的裝備以及制造工廠里單位操作的組合體。未來(lái)的中等尺度研究將越來(lái)越多地有

微觀尺度的研究和極端復(fù)雜系統(tǒng)的宏觀尺度的研究來(lái)補(bǔ)充。

化學(xué)工程將來(lái)會(huì)整合成比其他任何工程領(lǐng)域分支都寬尺度（的工程學(xué)科）。例如，一些工作可能把宏觀尺度的環(huán)境和中間尺度的燃燒系

統(tǒng)和微觀尺度的分子反應(yīng)和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。另一些工作可能把一個(gè)復(fù)合的飛行器的宏觀尺度的性能和中間尺度的機(jī)翼的化學(xué)反應(yīng)器以及反應(yīng)

器的布局將受復(fù)雜液體的微觀動(dòng)力學(xué)研究的影響。

如此，將來(lái)化學(xué)工程將會(huì)構(gòu)想和在微觀到宏觀的連續(xù)的尺度范圉內(nèi)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q問(wèn)題。他們將會(huì)新的工具和新的觀察發(fā)現(xiàn)以及研究其他學(xué)

科：分子生物學(xué)，化學(xué)，固體物理，材料科學(xué)，和電子工程。并且他們?cè)谥圃旌瓦^(guò)程設(shè)計(jì)和加工方面將會(huì)越來(lái)越多的用計(jì)算機(jī)，人們的智

意，以及解決問(wèn)題的專門的系統(tǒng)。

Unit12工業(yè)制造的傳遞現(xiàn)象

1.引言

傳遞現(xiàn)象是一個(gè)共有的名詞來(lái)源于有規(guī)則的集成研究的三個(gè)古典的工程領(lǐng)域的學(xué)科；（1）能量或熱傳動(dòng)，（2）質(zhì)量傳遞或擴(kuò)散（3＞動(dòng)量

傳遞或流體動(dòng)力學(xué)。當(dāng)然，熱和質(zhì)量傳遞發(fā)生在流體中，正是由于這個(gè)原因一些工程研究人員們青睞于熱傳導(dǎo)和固體擴(kuò)散，然而，這個(gè)學(xué)科

實(shí)際上是比流體力學(xué)的范圍更廣。該學(xué)科不同于流體力學(xué)之處還在于傳遞現(xiàn)象的研究利用了傳熱，傳質(zhì)，和動(dòng)量傳遞方程之間的相似性。這

些相似性，饗著它們經(jīng)常被提起，能夠經(jīng)常涉及到相似的物理構(gòu)造借以發(fā)生傳送，因而，明白一個(gè)傳送過(guò)程就可以明白另一個(gè)傳送過(guò)程。而

且，如果微分方程和邊界條件都相同，則僅需對(duì)其中一個(gè)（傳遞）過(guò)程求解，因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變名稱，該解可用作任何其他傳遞過(guò)程的解。

需要強(qiáng)調(diào)的是，然而，在傳遞過(guò)程中有很多相似之處，也有很重要的不同之處，尤其在動(dòng)量傳動(dòng)，和熱或質(zhì)量傳遞。盡管如此，一個(gè)對(duì)

傳賽過(guò)程相似之處有系統(tǒng)的研究會(huì)使識(shí)別和明白他們的不同力處變得審加簡(jiǎn)單。

2.為什么工程師要研究傳遞現(xiàn)象？

自從這門學(xué)科涉及到一些自然規(guī)律，一些人把它歸類為工程方面的一個(gè)分支。這如這些原因一些參與經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)和設(shè)備操作以及技能方面的

工程師，十分適當(dāng)?shù)靥岢鰝鬟f現(xiàn)象將會(huì)在實(shí)踐中體現(xiàn)價(jià)值。大致有兩種答案回答這些問(wèn)題。第一種要要求認(rèn)識(shí)熱，質(zhì)盤，動(dòng)量等傳遞發(fā)生在

各種工程設(shè)備中，熱交換器，壓縮機(jī)，核電站，增濕機(jī)，空氣冷卻器，干燥器，分制器，減震器等等。這些傳遞過(guò)程也參與到人體當(dāng)中就像

在復(fù)雜得過(guò)程憑借污染物質(zhì)的其反應(yīng)擴(kuò)散到大氣中。如果工程師想要了解在工程裝備中所發(fā)生的情況，并就造作的經(jīng)濟(jì)性做出明智的決策，

那么他們應(yīng)該對(duì)控制這些傳遞過(guò)程的物理定律有所理解，這一點(diǎn)很重要。

第二中答案是工程師們需要能夠用他們對(duì)H然規(guī)律的理解來(lái)設(shè)計(jì)這些正在發(fā)生的裝備過(guò)程。這樣做他們必須預(yù)測(cè)出熱，質(zhì)量或動(dòng)量等傳遞的

比率。例如，考察一個(gè)簡(jiǎn)單的換熱器，即一根管了，通過(guò)保持器壁溫高于流過(guò)管鹵的流體溫度，即可加熱流體。這個(gè)比率通過(guò)管壁傳熱給流

體的依靠的因素叫做熱傳遞系數(shù)這是在進(jìn)行昂貴的實(shí)驗(yàn)室或試驗(yàn)工廠測(cè)量后以及通過(guò)相關(guān)度量的以觀察或?qū)嶒?yàn)為依據(jù)的方程式所獲得的。這

些方程式在一定范圍內(nèi)適合一些數(shù)據(jù)的方程式：它們不是建立在原理的基礎(chǔ)上，也不能用在已經(jīng)獲得數(shù)據(jù)的精確度意外的問(wèn)題上。

更便宜牧而且一般更可莫的方程式被用在傳遞現(xiàn)象來(lái)預(yù)測(cè)傳熱系數(shù)通過(guò)以自然規(guī)律為基礎(chǔ)的方程式。這些預(yù)測(cè)的結(jié)果將會(huì)通過(guò)一個(gè)研究

工程師計(jì)算?些方程式（通常是用計(jì)算機(jī)）后獲得的。?個(gè)設(shè)計(jì)工程師將會(huì)用這些方程式是研究型的工程師獲得傳熱系數(shù)。

記住設(shè)計(jì)熱交換器的工作一樣也是不管如何要先得到傳熱系數(shù)。由于這個(gè)原因，一些傳遞現(xiàn)象的課程僅僅強(qiáng)調(diào)傳熱系數(shù)的確定和實(shí)際的

單元操作課程的設(shè)計(jì)水平。當(dāng)然獲得參數(shù)也是僅市.要的，熱傳遞系數(shù)被用作設(shè)計(jì)，也正是由于這些原因一個(gè)傳遞課程可以被認(rèn)為是一個(gè)工程

課程就像是一門學(xué)科。

事實(shí)上，有一些設(shè)計(jì)的工程師可以用這個(gè)方法和傳遞想象的方程式直接用于設(shè)備的設(shè)計(jì)的例子。一個(gè)例子就是一個(gè)作為一個(gè)管子說(shuō)明的

管子型的反應(yīng)器，這個(gè)熱交換器伴隨著均相化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在里面會(huì)描述的早些，流體以某種反應(yīng)物濃度進(jìn)入管子，而以減小了的反應(yīng)物濃度

和提高了的前品濃度排除管子。

當(dāng)然，不是所有的問(wèn)題今天都可以用這種方式解決。然而，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，越來(lái)越多的問(wèn)題將會(huì)用這種方法解決。如果工程學(xué)的學(xué)

生接受教育沒有變得過(guò)時(shí)，那他們必須做好思想準(zhǔn)備，同伙理解傳遞現(xiàn)象的一種方法，應(yīng)用計(jì)算機(jī)將會(huì)創(chuàng)造未來(lái)。因?yàn)樗芯薮蟮臐摿φ?/p>

他的應(yīng)用的趨勢(shì)，傳遞現(xiàn)象的課程將會(huì)最終證叨這是在大學(xué)牛.涯最實(shí)際而R有用的的課程。

Unit13傳熱原理

實(shí)際的全部為已完成的操作都有化學(xué)工程參與生產(chǎn)或以熱的形式吸收能量。因此，控制傳熱的定律和以控制熱流為主要目的的儀器類型都是

很重要的。

1.自然的熱流動(dòng)

當(dāng)兩個(gè)不同溫度的物體進(jìn)行接觸時(shí)，熱量會(huì)有溫度高的物體流到溫度地的物體。這種流動(dòng)經(jīng)常朝著溫度下降的方向，熱的流動(dòng)有三種途徑：

傳導(dǎo)，對(duì)流，和輻射。

傳導(dǎo)如果一個(gè)連續(xù)的實(shí)體中存在著溫度變化，熱量可能流動(dòng)不伴隕物質(zhì)的任何運(yùn)動(dòng)。熱量的這種流動(dòng)叫做傳導(dǎo)。在金屬體中，熱傳遞

的結(jié)果來(lái)自自由電子的運(yùn)動(dòng)，所以熱傳遞和電的傳導(dǎo)率很相似。在電的傳導(dǎo)率低的實(shí)體中，在大多數(shù)的液體中，熱傳導(dǎo)的結(jié)果伴隨著溫度變

化的分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量。氣體的傳導(dǎo)發(fā)生在任意的運(yùn)動(dòng)的分子，所以熱是一種擴(kuò)散從高溫地區(qū)傳導(dǎo)低溫地區(qū)。區(qū)普通的傳導(dǎo)的例子就是熱在不

透明的物體中流動(dòng)，就像火爐里的磚墻或是管子的金屬壁。

對(duì)流當(dāng)個(gè)宏觀的液體微粒穿過(guò)?個(gè)特定的表面，例如?個(gè)固定容積的范用內(nèi)，它帶有確定數(shù)目的焰。這樣的焰的流動(dòng)來(lái)自連續(xù)的熱

的流動(dòng)或者簡(jiǎn)單的對(duì)流。由于對(duì)流是一種宏觀現(xiàn)象，囚此，只有當(dāng)力作用在微團(tuán)或液流上且該力能夠克服摩擦力并維瘠其運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種傳遞

現(xiàn)象才能發(fā)生對(duì)流的一個(gè)例子是熔的變化由于湍流流動(dòng)和由于熱的空氣流過(guò)普通的冷卻器。

自然和強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流在液體中有兩種形式，如果這種趨勢(shì)的原因是密度不同和液體中溫度變化引起的密度不同所產(chǎn)生的浮力。這

個(gè)作用叫做自然對(duì)流。流動(dòng)的空氣穿過(guò)加熱的冷卻器就是自然對(duì)流的一個(gè)例子。如果這個(gè)氣流產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)被機(jī)械力的作用分開如泵和攪拌

器，這種流動(dòng)域密度的變化程度無(wú)關(guān)叫做強(qiáng)制對(duì)流。熱流動(dòng)由液體被泵入以個(gè)加熱的管子就是強(qiáng)制對(duì)流的例子。這兩種力有可能同時(shí)在同-

種液體中作用，這是自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流共同作用。

輻射輻射是一個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)自于能量以電磁波的形式穿過(guò)空間，如果輻射正在穿過(guò)空的空間，它不會(huì)改變熱或其它任何形式的解量。也不

會(huì)使它偏離原來(lái)的路徑。然而。在它自己的路徑中，輻射將會(huì)被傳播，被反射或者被吸收。它僅通過(guò)吸收能量來(lái)產(chǎn)生熱量，這種改變是數(shù)量

上的，例如，融化的石英傳播所有的輜射當(dāng)它受到打擊是：一個(gè)磨亮的不透明的表面將會(huì)吸收大多數(shù)的輻射，并將會(huì)改變這樣吸收能量數(shù)量

上的在熱中，

單元子和雙原子氣體對(duì)熱射線是可以通過(guò)的，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)熱經(jīng)過(guò)某種氣體團(tuán)是，它可以通過(guò)輻射的方式也可以傳導(dǎo)。例子處：從散熱器

或未保溫的蒸汽管道向周用環(huán)境氣體損失熱量在熔爐傳熱以及其它高溫氣體加熱損失。這兩個(gè)機(jī)制是互相獨(dú)立并且是并行產(chǎn)生的。所以?種

類型的熱流動(dòng)可以被控制或與其它獨(dú)立的。傳熱，對(duì)流和輻射都被分開和避免相互間造成影響??者都很重要。在一般的條件下，射線變得重

要并與液體流動(dòng)的情況無(wú)關(guān)。傳熱傳導(dǎo)它們對(duì)流動(dòng)狀態(tài)是非常敏感的收溫度影響的。

2.傳熱率

熱通量傳熱計(jì)算是基于熱的傳熱表面的面積用平方英尺每小時(shí)的單位表示。每單位面積的傳熱率叫做熱通量。許多類型的傳熱裝備都是用

管子構(gòu)成的，熱通量也可以在內(nèi)表面上，或者在管子的外表面。盡管這個(gè)選擇是隨意的，但它必須得明確的規(guī)定因?yàn)闊嵬康闹匾臄?shù)值是

不同的。

流體流動(dòng)的平均溫度當(dāng)一個(gè)流體正在變熱或者變冷時(shí)，流體橫截面的溫度會(huì)變化。如果流體被加熱，流體靠近加熱表面的溫度最高，

中心外溫度逐漸降低，如果流體被冷卻，流體拿近冷卻表面的溫度最低，從中心到表面溫度組件升高。應(yīng)為這個(gè)溫度變化遍及整個(gè)流體的橫

截面。為了明確，我們必須指出，流體的溫度定指什么。大家一致認(rèn)為，流束的溫度就是假設(shè)把流過(guò)所研究截面的全部流束取出并絕熱混合

后所達(dá)到的均勻溫度。這個(gè)溫度所以明確的叫做平均或流體混合溫度。

Unit14化學(xué)工程的單元操作

1.介紹

化學(xué)加工可以包含各種各樣的不同的過(guò)程順序，它的原理是獨(dú)立于我們的操作的材料和操作的系統(tǒng)，把復(fù)雜的工藝過(guò)程分解成單個(gè)的物理過(guò)

程（即單元操作）和多種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的實(shí)踐，導(dǎo)致了化學(xué)工程的通用性。單元操作的觀念在化學(xué)工程是基于不同的過(guò)程步驟可以減少簡(jiǎn)單

操作或反應(yīng)，而這些反應(yīng)在不考慮操作條件下有同樣的基本反應(yīng)。這個(gè)原則，在美國(guó)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中變得明顯，在1915年早些首次

變得明顯。

任何一個(gè)化學(xué)過(guò)程，無(wú)論所操作規(guī)模大小，可以被分解成單元作用的同等的一些系列，像粉碎，混合，加熱，烘干，吸取，濃縮，析

出，沉淀，結(jié)晶，過(guò)濾，溶解，電解等等?；締卧僮鞯臄?shù)量不是很大而且只有很少幾個(gè)包含特定的操作，化學(xué)工程的復(fù)雜性源于各種條

件如溫度，壓力等的多樣性。由于條件的變化，單元作用就必須在不同的過(guò)程中完成。同時(shí)化學(xué)工程的復(fù)雜性還受到由反應(yīng)物的物理及化學(xué)

性質(zhì)所決定的結(jié)構(gòu)材料和設(shè)備設(shè)計(jì)的影響。

單元操作的開始清單列舉了十二個(gè)功能，不是所有的都包含單元操作。再增加的都會(huì)命名，在那些年處于適中的比率但是最近在一個(gè)

加速的比率，流體流動(dòng)，熱傳遞，蒸儲(chǔ)，加濕，氣體吸收，沉積，分類，攪拌，和離心過(guò)濾已經(jīng)被公認(rèn)。最近幾年，新技術(shù)逐漸被理解，比

較適用于過(guò)去但很少使用分離技術(shù)這導(dǎo)致了分離，處理，操作或者是介入制造的數(shù)量上的持續(xù)增長(zhǎng)，這些可用于沒有重大改變的各種進(jìn)程。

這走根據(jù)一個(gè)術(shù)語(yǔ)〃單元操作”，現(xiàn)在為我們提供了、一系列的技術(shù)合作。

2.單元操作的分類

流體流動(dòng)這涉及的原則，確定流動(dòng)或運(yùn)輸任何流體從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)。

傳熱這個(gè)單元操作處理的原則是，積累和轉(zhuǎn)讓的熱量和能量從一個(gè)地方到另一個(gè)地方。

蒸發(fā)這是一個(gè)特殊的情況下傳熱，其中涉及蒸發(fā)的揮發(fā)性溶劑，如水從一個(gè)非易失性溶質(zhì)如鹽或其它材料在解決方案

烘干在這個(gè)操作中揮發(fā)液體，通常是水，從固體材料中揮發(fā)出去。

蒸餡這是一個(gè)過(guò)程即液態(tài)混合物的分離通過(guò)沸騰，因?yàn)樗鼈兊恼羝麎翰煌?/p>

吸收這個(gè)過(guò)程的一個(gè)組成部分是通過(guò)對(duì)其一液體的處理提取天然氣流。

膜分離這一過(guò)程涉及的是溶質(zhì)從液體或氣體中通過(guò)半透明膜屏障傳播到另一流體中。

液-液萃取在這種情況卜的解決辦法是，在混合溶劑中除去與之接觸的另一種液體。

液-固浸取這涉及到處理微細(xì)固體，同一種液體溶解并消除了溶質(zhì)中所載的固體。

結(jié)晶這涉及除去潛質(zhì)，如鹽從溶液沉淀溶質(zhì)的解決辦法。

機(jī)械物理分離這涉及分離固體流體或氣體的機(jī)械方法，如過(guò)濾，沉淀，壓縮體積，而這些問(wèn)題往往被列入為單獨(dú)的單元操作。

許多的單元操作有一定的基本基礎(chǔ)和基本原則或共同的機(jī)制。例如，擴(kuò)散發(fā)生在干燥，吸收，蒸鐳，結(jié)晶。傳熱放生在干燥，蒸館，蒸

發(fā)等等，

Unit15化學(xué)反應(yīng)工程

每一個(gè)工業(yè)化過(guò)程的設(shè)計(jì)都是從各種原材料出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列的牛?產(chǎn)加工步驟，及經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出期望的產(chǎn)品。圖3.1展示了一個(gè)典型的情

況。原料承受一些物理處理使它們以能夠其化學(xué)反應(yīng)的組成。它們穿過(guò)反應(yīng)器。反應(yīng)的產(chǎn)品必須那時(shí)承受更多的物理處理-分離，凈化等

等。最后期望的產(chǎn)品就得到了。

Fig.3.1Typicalchemicalprocess

對(duì)于用于物理處理的設(shè)備設(shè)計(jì)的步驟是研究單元操作。在這里我們感到關(guān)切的是化學(xué)處理的一個(gè)過(guò)程。經(jīng)濟(jì)上這肯能是一個(gè)無(wú)關(guān)緊要的

單元，說(shuō)一個(gè)簡(jiǎn)單的混合罐。然而，化學(xué)處理的步驟是整個(gè)過(guò)程的中心，它破花了經(jīng)濟(jì)過(guò)程。

設(shè)計(jì)的反應(yīng)器沒有例子和許多其它可以提出的進(jìn)程，所追求的最佳的并步僅僅是反應(yīng)器的成本的最小化。也許一種設(shè)計(jì)方案中的反應(yīng)

器費(fèi)用并不嵬高，但從反應(yīng)器出來(lái)的物料后處理費(fèi)用可能遠(yuǎn)高于另?些反應(yīng)器設(shè)計(jì)方案中的處理費(fèi)用。因此，整體過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性必須加以考

慮。

反應(yīng)器的設(shè)計(jì)用到信息，知識(shí)，以及不同領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)-熱力學(xué)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)，流體力學(xué)，傳熱，傳質(zhì)，和經(jīng)濟(jì)學(xué)，化學(xué)反應(yīng)工程是綜合

所有因素，其目的是正確設(shè)計(jì)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器?；瘜W(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)也許是一種只有化學(xué)工程領(lǐng)域才涉及的工作。并且可能正是因?yàn)檫@種功能

才奠定了化學(xué)工程作為工程領(lǐng)域的一個(gè)特殊分支而存在的合理性。

化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)有兩個(gè)必須回答的問(wèn)題；

(1)我們期空放生的是什么變化？

(2)它們進(jìn)行的速度會(huì)有多快？

第?個(gè)問(wèn)題與熱力學(xué)有關(guān)，第二個(gè)問(wèn)題則與各種速率過(guò)程，例如化學(xué)動(dòng)力學(xué)及傳熱學(xué)關(guān)。把這些都放?起，試圖確定這些相互關(guān)聯(lián)的

過(guò)程是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題：我們從最簡(jiǎn)單的情況通過(guò)考慮其它因素建立我們的分析，直到我們能夠處理更困難的問(wèn)題。

1.熱力學(xué)

熱力學(xué)給我們?cè)谠O(shè)計(jì)上兩個(gè)非常重要的信息，在反應(yīng)過(guò)程中的熱釋放和熱吸收以及最大可能的反應(yīng)程度。

化學(xué)反應(yīng)總是伴隨著釋放或吸收能量，我們必須直到適當(dāng)設(shè)計(jì)的重要性?？紤]這個(gè)反應(yīng)

反應(yīng)溫度T是傳熱從周圍環(huán)境到反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)中，當(dāng)一摩爾的A消失形成R摩爾的R和S摩爾的S,該系統(tǒng)測(cè)量處于同一溫度和壓強(qiáng)在反

應(yīng)前后。熱反應(yīng)是可以從熱化學(xué)的數(shù)據(jù)知道或估計(jì)的。

熱力學(xué)也可以計(jì)算反應(yīng)材料的標(biāo)準(zhǔn)白山度的平衡常數(shù)。與已知的平衡常數(shù)，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)品的最高產(chǎn)量是可以估計(jì)出來(lái)的。

2.化學(xué)熱力學(xué)

在適當(dāng)?shù)臈l件下提供的材料可能被轉(zhuǎn)化為新的和由不用材料物質(zhì)構(gòu)成的的不同材料。如果發(fā)生這種情況只有通過(guò)重新安排或組成原子形成新

的分了?在分配，我們說(shuō)?個(gè)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。化學(xué)是聯(lián)系著反應(yīng)的研究。它研究反應(yīng)的模式和機(jī)制，物理和能量改變的關(guān)系以及生成產(chǎn)品的

效率。

這是最后提到的領(lǐng)域，化學(xué)動(dòng)力學(xué)，這是我們主要的?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)尋找影響反應(yīng)效率的因素。它衡量著這個(gè)比率并提出有價(jià)值發(fā)現(xiàn)的

解釋。對(duì)于化學(xué)工程師化學(xué)動(dòng)力學(xué)是必須知道的如果他是滿意設(shè)計(jì)設(shè)備來(lái)影響在技術(shù)規(guī)模生的反應(yīng)。當(dāng)然，如果反應(yīng)時(shí)迅速的足以使系統(tǒng)基

本上是平衡的，設(shè)計(jì)是非常簡(jiǎn)化的。動(dòng)力學(xué)信息是不需要的，熱力學(xué)信息本身就足矣。

Unit16壓力容器及其部件

壓力容器時(shí)不泄露的容器。它們有各種尺寸。最小的直徑不到一英寸，最大的直徑能達(dá)到150英尺甚至更大。某些是埋在地下或海洋

深處，多數(shù)是安放在地上或支操在平臺(tái)上，還有一些實(shí)際上是在航天飛行器中的貯槽和液壓裝置中。

由于內(nèi)歆壓力，容罌被設(shè)計(jì)成各種形狀和尺寸。內(nèi)部的壓力可能低到I英寸，水的表面壓力可能達(dá)到300000多磅。普通的單層表面建筑

壓力是15到5000磅，雖然有很多容器的設(shè)計(jì)壓力高出或低于這個(gè)范圍。ASME鍋爐和壓力標(biāo)準(zhǔn)中第八卷第一節(jié)指定一個(gè)范圍從15磅在底

部到上限，然而，內(nèi)部壓力在3000磅以.匕ASME標(biāo)準(zhǔn)，第八卷第?節(jié)，指出考慮特殊設(shè)計(jì)的情況是必要的。

壓力容器的典型部件描述如下：

圓柱殼體在石化工業(yè)中對(duì)于結(jié)構(gòu)壓力容器圓柱殼體是經(jīng)常被用到的，它是很容易制造、安裝并且維修很經(jīng)濟(jì)。雖然在一些場(chǎng)合應(yīng)用載荷

和外壓控制，要求的厚度通常由內(nèi)壓決定。其他因素如熱應(yīng)力和不連續(xù)壓力可能有.要求厚度決定。

成型的封頭許多的端封頭和過(guò)度部分有設(shè)計(jì)工程師選擇。用一種結(jié)構(gòu)相對(duì)另一種依靠很多因素，如成型方法、材料成本、和空間限。一

些經(jīng)常應(yīng)用挎成型封頭是：

帶凸緣的封頭這些封頭通常在較低壓力的壓力設(shè)備中，例如汽油槽和鍋爐。有些也應(yīng)用在較高壓力的但是較小直涇的設(shè)備中。設(shè)計(jì)和結(jié)

構(gòu)的許多細(xì)節(jié)在ASME標(biāo)準(zhǔn)，第八卷第一節(jié)中給出。

半球形封頭通常，在一個(gè)給定溫度和壓力下半球形的要求厚度是相同直徑和材料圓柱殼體的一半。假如我們用鍥和鈦昂貴的合金建造實(shí)

心或覆蓋形半球形封頭，這樣是很經(jīng)濟(jì)的。假如使用碳鋼，然而，由于這高價(jià)的制造費(fèi)用就不比凸緣形和磔形的封頭經(jīng)濟(jì)。

半球形封頭經(jīng)常通過(guò)部分三角形結(jié)構(gòu)加工，也可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)法或施壓法加工。由于半球形封頭比與它們連接的圓柱殼體薄，所以在封頭與殼

體連接區(qū)域必須是等高的，以便減小不連續(xù)區(qū)域的影響。

橢圓與準(zhǔn)球形封頭這樣的封頭是十分普遍的在壓力容器中。它們的厚度與連接殼體是一樣的。這就簡(jiǎn)化了焊接安裝的工作。因此，由于

這邊意外的X域所需的厚度小于封頭的實(shí)際厚度，多余的部分就可以用于這些區(qū)域內(nèi)接管的補(bǔ)強(qiáng)。許多工廠都可以提供不同宜徑和厚度的封

頭而且在價(jià)格上有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

錐型和準(zhǔn)錐形封頭這些封頭在漏斗型和塔容器中作為底部封頭應(yīng)用，而且它們也可用做不同圓柱直徑的過(guò)渡區(qū)域。由于在鏈接區(qū)不平

衡應(yīng)力，這圓錐到圓柱的鏈接區(qū)必須考慮成圓鏈形