1、,化工設(shè)備機械基礎(chǔ),前 言,1 課程介紹 本課是化學(xué)專業(yè)及其相近的非機械類專業(yè)的一門專業(yè)方向必修課。 講授必要的機械設(shè)計方面的基礎(chǔ)知識，并具備對一般化工設(shè)備進行分析和設(shè)計的能力。,2.課程內(nèi)容,(1)力學(xué)基礎(chǔ) 理論力學(xué)(靜力學(xué))：求解作用于構(gòu)件上的外力 工程力學(xué) 材料力學(xué) ：桿件受力后的基本變形（拉、壓、 彎、扭）。,(2)壓力容器的設(shè)計 a.化工設(shè)備常用材料 簡介化工設(shè)備常用材料性能、分類、熱處理方法； b.中、低壓化工容器設(shè)計 薄膜理論；內(nèi)、外壓容器設(shè)計方法、容器零部件設(shè)計；,（3）典型化工設(shè)備,反應(yīng)釜,管殼式換熱器,塔設(shè)備,這些設(shè)備要滿足什么生產(chǎn)工藝要求，結(jié)構(gòu)如何才可以? 用什么材料,如

2、何制作出來的? 抵抗壓力,溫度的能力如何?安全性如何？ 經(jīng)濟性如何?,課程類型：考試課 考試形式：閉卷考試(70%) 輔助形式：作業(yè)(15%) 出勤(15%) 計劃學(xué)時：40學(xué)時,3.教學(xué)要求與計劃,第一篇 力 學(xué) 基 礎(chǔ),剛體的受力分析和平衡規(guī)律 金屬的力學(xué)性能 三.受拉（壓構(gòu)件的強度計算 與受剪切構(gòu)件的使用計算 四.直梁的彎曲 五.圓軸的扭轉(zhuǎn),第一章 剛體的受力分析及平衡規(guī)律,簡化 平衡,力系的,靜力學(xué)-研究物體在力的作用下處于平衡的規(guī)律,平衡 : 靜止和保持勻速直線運動,靜力學(xué) 任 務(wù),研究對象： 構(gòu)件 指宏觀可見物體，如橋梁、汽車、塔、化工設(shè)備等。,構(gòu)件力學(xué)模型外力 變形 強度、剛度、

3、穩(wěn)定性 設(shè)計校核,本章任務(wù)： 搞清處于平衡狀態(tài)下的構(gòu)件上的全部外力（個數(shù)、作用線位置、大?。?一 力的概念及其性質(zhì) 二 剛體的受力分析 三 平面匯交力系的簡化與平衡 四 力矩、力偶、力的平移定理 五 平面一般力系的簡化與平衡 六 靜力學(xué)問題求解方法小結(jié),第一節(jié) 力的概念及其性質(zhì),一、基本概念,1、力: 是物體間的相互作用，這種作用使物體的機 械運動狀態(tài)發(fā)生變化，或使物體發(fā)生變形。,力的三要素：大小、方向、作用點,力的單位： N(牛頓)，kN(千牛),2、剛體：在任何情況下都不發(fā)生 變形的 物體（理想化的力學(xué)模型，忽略內(nèi)效應(yīng)）,3 、力的表示方法 力的大小：F,G,Q 矢量： F,G,Q,集中力

4、、分布力,二、力的基本性質(zhì),1.力的可傳性 力的可傳性原理: 作用于剛體上的力，可以沿其作用線移到剛體上任一點而不改變對該剛體的外效應(yīng)。,F1=F2=F,2、力的成對性 作用反作用定律： 作用力反作用力同時產(chǎn)生，同時消失，并且等值、反向、共線,平行四邊形法則：作用于同一點的兩個力可以合成為一個合力，合力的大小和方向是以這兩個力為鄰邊的平行四邊形的對角線矢量，其作用點不變。也即： 合力等于兩分力的矢量和。,3、力的可合性：,0,一個力可以分解成 兩個力 平行四邊形法則： 無數(shù)解,4 、力的可分性：,力的可消性：一個力對物體產(chǎn)生的外效應(yīng)， 可以被另一個或幾個作用于該同一物體上的 外力所產(chǎn)生的外效應(yīng)

5、抵消 。 平衡力系：使物體處于平衡的那幾個外力。,5、力的可消性,（1）二力平衡定律：當(dāng)物體受兩個力作用處于平衡 時，外力等值、反向、共線。 二力桿 : 在兩力作用下處于平衡的構(gòu)件。,（2）三力平衡定理：如果一物體受三個力作用而處于 平衡時，若其中兩個力的作用線相交于一點，則第三 個力的作用線必交于同一點。,一、約束和約束反力 基本概念： 主動力：引起物體運動狀態(tài)改變或運動狀態(tài)改變趨勢的力。 約束反力：阻礙物體改變運動狀態(tài)的力。 自由體：只受主動力作用，能夠完全自由運動的物體。 非自由體：受到限制不能完全自由運動的物體。 約束：限制非自由體運動的物體。,第二節(jié) 剛體的受力分析,（1）柔性體被拉

6、直時才起約束作用。（2）約束反力作用線沿柔性體伸直的方位朝外運動，背離被約束物體。是離點而去的力。,1.由柔軟的繩索、鏈條或皮帶構(gòu)成的柔性體約束,約束反力作用在接觸點處，方向沿公法線，指向受力物體，是向點而來的力。,2.光滑接觸面約束 (光滑指摩擦不計),A,畫約束反力時，一定要按照約束的固有性質(zhì)畫圖，切不可主觀臆斷！,二 剛體分離要點,例：圖示為一個三角支架，由兩根桿和三個銷釘組成，A、C將桿與墻面連接，銷釘B則將兩桿連在一起。當(dāng)AB桿中央置一重物時，試確定AB桿兩端的約束反力力線方位（桿自身質(zhì)量不計）,（1）取分離體：根據(jù)問題的要求確定研究對象，將它從周圍物體的約束中分離出來，單獨畫出研究

7、對象的輪廓圖形； （2）受力分析是受力圖，不是施力圖。 （3）除重力、電磁力外，只有直接與研究對象接觸的物體才有力的作用。 （4）畫約束反力： 利用二力桿定理和三力平衡匯交定理確定力線方向，力的指向在無法判定時可任意假定,剛體分離要點:,第三節(jié) 平面匯交力系的簡化與平衡,平面力系：,作用在剛體上的外力均處于同一平面。,平面匯交力系：,平面力系中的諸力匯交于一點。,平面平行力系：,平面力系中的諸力相互平行。,平面一般體系：,平面力系中的諸力既不匯交于一點又不相互平行。,平衡條件：,作用于剛體上的所有外力的合力等于0。,一、 平面匯交力系的簡化,X=Fcos,Y= Fsin,1、力在軸上的投影,2

8、、力的分解 ： 一個力在沒有限制的情況下，可以分解為無數(shù)組力。只有在正交坐標(biāo)系下，分力的大小才等于投影。,結(jié)論:,3、合力投影定理,4、簡化的解析法,5、平面匯交力系的平衡方程及其應(yīng)用,1)取研究對象 -力系的匯交點A,3)建立坐標(biāo)系,4)列出對應(yīng)的平衡方程,5)解方程,解：,2)作受力圖,例：重為G的均質(zhì)圓球放在板AB與墻壁AC之間，D，E兩處均為光滑接觸，尺寸如圖所示，設(shè)板AB質(zhì)量不計，求A處的約束反力和繩的拉力,一 、力的基本性質(zhì) 二 、約束類型和特點和剛體受力分析 二力平衡定律 三力平衡定律 三 、平面匯交平衡力系的平衡方程,知識回顧:,F 使物體 繞O點轉(zhuǎn)動效應(yīng)的物理量稱為力F 對O

9、點的力矩。O稱為力矩中心。點到力的作用線的垂直距離稱為力臂。,力矩的單位：牛頓米(Nm) 或千牛頓米(kNm),第四節(jié) 力矩、力偶、力的平移定理,一、力矩,1、 力F對O點之矩不僅取決于 力的大小，同時還與矩心的位 置有關(guān)； 2 、力F對任一點之矩，不會 因該力沿其作用線移動而改 變，因為此時力臂和力的大小 均未改變； 3 、力的作用線通過矩心時， 力矩等于零；,力矩的特點：,4 、互相平衡的二力 對同一點之矩的代數(shù) 和等于零； 5 、作用于物體上的力可 以對物體內(nèi)外任意點取 矩計算。,二、力偶與力偶矩,1、概念 一對等值、反向、力作用線不重合的力叫做力偶。并記為（F，F(xiàn)）。 力偶中兩個力所在

10、的平面叫力偶作用面。 兩個力作用線間的垂直距離叫力偶臂。,h,力偶矩：力偶對物體轉(zhuǎn)動效應(yīng)的度量，力偶的兩個力對其作用面內(nèi)任一點之矩的代數(shù)和恒等于該力偶的力偶矩，而與矩心位置無關(guān)。,力偶矩的單位：牛頓米（Nm)或千牛頓米(kNm),表示方法：,(1)等效變換性 在同一平面內(nèi)的兩個力偶，只 要它們的力偶矩大小相等、轉(zhuǎn) 動方向相同，則兩力偶必等效。,2、力偶的性質(zhì),1、 力偶可以在作用面內(nèi)任意轉(zhuǎn)移，而不影響它對 物體的作用效應(yīng)； 2、 在保持力偶矩的大小和轉(zhuǎn)向不改變的條件下， 可以任意改變力和力偶臂的大小，而不影響它對物 體的作用。,重要推論(不適用于變形體)：,(3)可合成性（等效取代）,(2)基

11、本物理量：力偶是兩個力，但是不能用一個力來等效代替。（代替力偶的只能是力偶矩相同的另一力偶）,物體同一平面作用了兩個以上的力偶，這些力偶可用 一個力偶來代替,平面力偶系的合成結(jié)果為一合力偶，合力偶矩等于各已知分力偶矩的代數(shù)和。,平面力偶系平衡的必要和充分條件是：力偶系中各分力偶矩代數(shù)和等于零。,例、 在汽缸上要鉆四個相同的孔，現(xiàn)估計鉆每個孔的切削力偶矩m1=m2=m3=m4=m=-15Nm,當(dāng)用多軸鉆床同時鉆這四個孔時,問工件受到的總切削力偶矩是多大?,解: 作用在汽缸上的力偶大小相等,轉(zhuǎn)向相 同，又在同一平面內(nèi)，因此這四個力偶 的合力矩為：,負(fù)號表示合力偶矩順時針方向轉(zhuǎn)動。知道總切削力偶矩之

12、后，就可考慮夾緊措施，設(shè)計夾具。,三、力的平移定理,力的平移定理: 作用在剛體上的力可以平移到剛體內(nèi)任意指定點，要使原力對剛體的作用效果不變，必須同時附加一個力偶，此附加力偶的力偶矩等于原力對新作用點的力矩，轉(zhuǎn)向取決于原力繞新作用點的旋轉(zhuǎn)方向。,例：試對以下四種現(xiàn)象予以解釋：1在桌面上平放一圓盤，通過圓盤質(zhì)心O施加一水平力F(a),圓盤向右平移；2 若力F施加于圓盤的邊緣（b），則圓盤在向右平移的同時，還會發(fā)生繞質(zhì)點O的順時針轉(zhuǎn)動；3 如果圓盤中心開孔并套在一根豎立的固定軸上（c），則圓盤僅產(chǎn)生繞固定軸的轉(zhuǎn)動；4 如果作用在圓盤上的是力偶，那么不管圓盤有無固定軸，只發(fā)生純轉(zhuǎn)動,第五節(jié) 平面一般

13、力系的簡化與平衡,定義：如果作用在物體上諸力的作用線都分布在同一平面內(nèi)，不匯交于同一點，也不互相平行，這種力系稱為平面一般力系（簡稱平面力系）,力學(xué)規(guī)律： 1 平面匯交力系可以用一個力等效代替; 2 同平面內(nèi)的力偶系可以用一個合力偶等效代替； 3 一個力可以向任何點平移，平移后的力和產(chǎn)生的附加力偶可以等效代替原來的力。,一、平面一般力系的簡化,O 簡化中心,O,.,MO,O,.,d,.,O,.,1、平衡方程的基本形式 平面一般力系 平 衡 0, MO = 0,二、平面一般力系的平衡方程及其應(yīng)用,平面一般力系的平衡方程:,例：圖為一升降操作臺，其自重G1=10kN，工作載荷F=4kN，在 C點處和操作臺相連接的軟索繞過滑輪E，末端掛有重力為G的 平衡重物，裝在臺邊上的A、B兩滾輪能使工作臺沿軌道上下滾 動。試求軟索的拉力和作用在A、B兩輪上的反力（不計摩擦 力）。,解：由Y=0可得 TF G1=0 T=F +G1=4+10=14kN,由力矩平衡方程可得 Mc（F）=0 1NB 1.2G1 1.5F=0 NB =1.210+1.54=18kN,由X=0可得: NB+NA=0 NA= NB= 18kN,F,Fy,