化工設備設計基礎1課件

1、化工設備設計基礎 主講教師: 方書起 袁振偉 開課院系: 化工與能源學院 過程裝備與控制系化工設備設計基礎 本課程內容組成： 工程力學基礎 薄壁容器設計 典型化工設備設計 本課程目的：掌握必要的力學基礎知識初步具備壓力容器和化工設備的設計能力鄭州大學化工與能源學院上課要求：上課不能遲到（不早退、不曠課）；作業(yè)按時獨立完成；上課關閉手機；上課禁止吃東西。成績評定：化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院第一篇 工程力學基礎 構件 必須滿足以下三方面要求：要有足夠的強度： 構件抵抗外力對其破壞的能力。要有足夠的剛度： 構件在外力作用下不發(fā)生超出許可變形的能力。要有足夠的穩(wěn)定性： 構件在外力作用下能保

2、持它原有幾何形狀而不發(fā)生突然失去原形的能力。化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院工程力學的任務: 研究構件的強度、剛度和穩(wěn)定性問題。主要內容 研究構件的受力情況及平衡條件，進行受力大小的計算。研究構件的受力變形與破壞規(guī)律，進行構件的強度，剛度和穩(wěn)定性計算?；ぴO備設計基礎第一篇 工程力學基礎鄭州大學化工與能源學院化工設備設計基礎第1章 構件的受力分析（78學時）鄭州大學化工與能源學院 第1章 構件的受力分析構件的受力分析：構件上受到哪些外力作用其大小、方向如何? 構件的受力分析是指構件處在平衡狀態(tài)下的受力分析。平衡狀態(tài)： 構件在外力作用下，相對于地面保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)。化工設備設計基

3、礎鄭州大學化工與能源學院1-1 力的概念及性質 一、力的概念 力是物體之間的相互機械作用。 1、力的兩種效應：使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變外效應。使物體產生變形內效應。 2、剛體： 在外力作用下不變形的物體。 剛體只考慮力的外效應。化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院3、力的三要素： 力的大小、方向和作用點（線）1-1 力的概念及性質化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院4、力的表示： 力是一個矢量，矢量用黑體字或在白體字上方加一箭頭；5、單位： 按照國際單位制，力的單位用“牛頓 (N) ”或“千牛頓（KN）”1-1 力的概念及性質化工設備設計基礎FFF鄭州大學化工與能源學院二、力的基本性質 1

4、、幾個概念： （1）力系: 作用在同一物體上的兩個或兩個以上的力。 （2）平衡力系: 使物體處于平衡狀態(tài)的力系。平衡力系中的各力對物體作用的外效應彼此抵消，因此平衡力系是對物體作用的外效應等于零的力系?；ぴO備設計基礎1-1 力的概念及性質鄭州大學化工與能源學院 （3）等效力系： 若兩個力系分別作用于同一物體它們所產生的外效應相同，則這兩個力系互為等效力系。 （4）合力與分力、合成與分解： 若一個力與一個力系等效，則這個力是該力系的合力，而該力系中的各個力為其合力的分力。合成：由力系求合力的過程。分解：將合力轉化成幾個分力的過程?；ぴO備設計基礎1-1 力的概念及性質鄭州大學化工與能源學院2、

5、力的基本性質： （1）力的成對性：分別作用在兩個物體上； （2）二力平衡條件：剛體只受兩個力作用而處于平衡狀態(tài)，則該二力必大小相等、方向相反，且作用在同一直線上；二力構件(二力桿)化工設備設計基礎1-1 力的概念及性質（3）力的可傳性：鄭州大學化工與能源學院 （4）力的可合性與可分性 (力的平行四邊形法則和力三角形法則)化工設備設計基礎1-1 力的概念及性質鄭州大學化工與能源學院注：合力具有唯一性。化工設備設計基礎1-1 力的概念及性質鄭州大學化工與能源學院注：分力不具唯一性。三力平衡匯交定理： 某剛體受三個力作用而處于平衡狀態(tài)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。化

6、工設備設計基礎1-1 力的概念及性質鄭州大學化工與能源學院1-2 約束與約束反力 1、概念： （1）自由體： 在空間能沿任何方向、不受限制的自由運動的物體。 （2）非自由體或被約束體： 在某些方向上受到限制而不能完全自由運動的物體。 （3）約束： 限制非自由體運動的物體。 化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院2、約束分類：（1）柔軟體約束： 由繩索、膠帶、鋼絲繩等柔性物體產生的約束。約束反力的方向：沿著柔軟體的中心線且背離被約束的物體。化工設備設計基礎1-2 約束與約束反力GTA鄭州大學化工與能源學院（2）光滑面約束：一些光滑支承表面(如導軌、托輪等)產生的約束。光滑面約束反力的方向：沿著接

7、觸點的公法線，并指向被約束的物體?；ぴO備設計基礎1-2 約束與約束反力NNANB鄭州大學化工與能源學院（3）圓柱鉸鏈約束化工設備設計基礎1-2 約束與約束反力 鄭州大學化工與能源學院活動鉸鏈（活鉸）支座（活支）： 在支座下裝一滾軸，使其能沿支撐面移動。只能阻止物體沿著垂直于支撐面的方向運動?；ぴO備設計基礎1-2 約束與約束反力鄭州大學化工與能源學院 固定鉸鏈（固鉸）支座（固支）：軸承化工設備設計基礎1-2 約束與約束反力鄭州大學化工與能源學院（4）固定端約束化工設備設計基礎1-2 約束與約束反力鄭州大學化工與能源學院1-3 受力圖 1、受力圖： 表示構件及其所受全部外力的圖?；ぴO備設計基

8、礎 2、分離體： 把所分析的構件(即研究對象)從與它們聯系的周圍約束物體中分離出來，單獨畫出。鄭州大學化工與能源學院例1-1 圖所示為兩個油桶堆放在地下槽中桶I、的重力分別為G1，G2，試作出每個桶的受力圖。 （a）化工設備設計基礎1-3 受力圖（b）（c）G1NANBN/BG2NCND鄭州大學化工與能源學院 例1-2 水平梁AB用斜杠CD支撐，A、D、C三處均為圓柱鉸鏈聯接(圖)。水平梁的重力為G，其上放置一個重為Q的電動機。如不計斜桿CD的重力，試畫出斜桿CD和水平梁AB的受力圖。化工設備設計基礎1-3 受力圖NAyNAxGRDQRDRC鄭州大學化工與能源學院畫受力圖時注意的問題：確定研究

9、對象，即首先明確畫哪個構件。解除約束，即將研究對象單獨畫出。先畫主動力，再畫出約束反力。畫約束反力時要充分考慮約束的性質。在畫相互制約的各構件的受力圖時，要利用相鄰構件作用力與反作用力之間的關系。化工設備設計基礎1-3 受力圖鄭州大學化工與能源學院1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件平面匯交力系： 作用于物體上的各力的作用線位于同一平面內，且匯交于一點的力系?；ぴO備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎一、平面匯交力系的幾何法與平衡條件平衡條件F5F5鄭州大學化工與能源學院1、力在坐標軸上的投影1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件 (式中是力F與x

10、軸正向間的夾角)投影正負符號規(guī)定:化工設備設計基礎二、平面匯交力系合成的解析法與平衡條件投影：ab、ab鄭州大學化工與能源學院1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎2、合力投影定理鄭州大學化工與能源學院1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎3、平面匯交力系的合成鄭州大學化工與能源學院1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎4、平面匯交力系的平衡條件鄭州大學化工與能源學院1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件例1-3 圖中所示的球重G80N，用繩子懸掛在光滑墻壁上，繩子與墻壁之間的夾角為30，試求繩子和墻壁對球的約束反力?；ぴO備設計基礎解：鄭州大學化工與能

11、源學院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件一、力矩 單位:牛頓米（Nm）或千牛頓米（kNm）化工設備設計基礎力矩正負規(guī)定：逆時針為正，順時針為負鄭州大學化工與能源學院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件力偶： 由兩個大小相等、方向相反，作用線不重合的力組成的力系?；ぴO備設計基礎二、力偶與力偶矩鄭州大學化工與能源學院力偶臂： 兩力之間的垂直距離力偶矩 ：單位： 牛頓米（Nm）或千牛頓米（kNm）化工設備設計基礎1-5 平面力偶系的合成與平衡條件鄭州大學化工與能源學院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件三、力偶的性質 1、力偶無合力2、力偶的轉動效應與矩心的位置無關化工設備設計基礎o鄭州大學化工與能源

12、學院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件3、力偶的等效性： 等效力偶：力偶矩的大小相等、轉向相同，則產生的轉動效應必相等。此二力偶為等效力偶?；ぴO備設計基礎鄭州大學化工與能源學院 由力偶的等效性，還可以推出力偶兩個重要特性： 1、力偶可在其作用平面內任意轉移(包括移動和轉動)，而不改變該力偶對物體的作用； 2、在保持力偶矩大小和轉向不變的條件下，可以任意改變力偶中的力和力偶臂的大小不影響它們對物體的作用。1-5 平面力偶系的合成與平衡條件化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件 因此根據第二個特性，力偶可用一旋轉符號來表示， 符號旁邊注明力偶矩的簡寫符號m，符號

13、中的箭頭表示力偶的轉向，如圖所示。說明：以上特性只適用于剛體而不適用于變形體。 例如，圖示的兩個等效力偶，對梁的平衡沒影響，但對梁的變形效應卻不一樣?；ぴO備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件化工設備設計基礎四、平面力偶系的合成鄭州大學化工與能源學院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件五、平面力偶系平衡條件若物體在平面力偶系作用下處于平衡狀態(tài)，則合力偶矩必等于零。 即：化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件例1-4 用多軸鉆床在一個水平工件上同時加工三個孔。每個鉆頭對工件施加一壓力和一力偶。已知三個力偶矩的大小分別為20Nm、20N

14、m、40Nm，兩固定螺柱之間的距離l=250mm。求加工時兩個固定螺柱所受的水平力。 化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件一、力的平移定理力的平移：把作用在物體上的力從一個位置平移到物體的另一個位置?；ぴO備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件力的平移定理： 作用在物體上某點的力可以平行移動到該物體上的任意一點，但必須同時附加一個力偶，這個附加力偶的力偶矩等于原力對新作用點之矩。化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎二、平面一般力系向任一點簡化鄭州大學化工與能源學院1-6 平

15、面一般力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎（主矢）（主矩）或簡寫成：鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎三、平面一般力系簡化結果分析 1、主矢和主矩都不等于零：鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件合力矩定理： 平面一般力系對某點取矩等于該力系中各分力對某點取矩的代數和。化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院2、主矢等于零,但主矩不等于零。 平面內對任一點取矩所得結果都是一樣的，恒等于力偶矩。 因此，在主矢等 于零時，平面力系的主矩與簡化中心的位置無關。1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院3、主矢不

16、等于零，但主矩等于零。 這表明原力系可合成為一個合力，其就是作用在簡化中心的主矢。 1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件4、主矢和主矩都等于零 。 這表示該力系既不能使物體移動，也不能使物體轉動，即物體在該力系作用下處于平衡狀態(tài)?；ぴO備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件四、平面一般力系的平衡條件平面一般力系平衡的必要與充分條件： 力系的主矢和力系對其作用面任一點的主矩都等于零，即：化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件二矩式平衡方程 注：式中A和B是平

17、面內任意的兩個點，但A、B兩點的連線不能垂直于x軸?；ぴO備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件三矩式平衡方程 注：式中A、B、C是平面內不共線的三個任意點。 化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件例1-5 圖所示為一塔設備，塔重G450kN。塔高h=30m，塔底螺栓與基礎緊固聯接.塔體所受的風力可簡化為兩段均布載荷。在離地面h115m高度以下均布載荷的載荷集度為q1=380Nm，在h1以上高度，其載荷集度為q2 =700Nm。試求塔設備在支座A處所受的約束反力?；ぴO備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與

18、平衡條件化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件由，得： 由 得：由得：化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件 例1-6 如圖所示為一簡易起重機，橫梁AB的A端用鉸鏈聯接在墻上，B端用鋼絲繩拉住。已知橫梁長度l2m，粱重G400N，小車及吊掛重物的重力w1000N，30。試求小車在距梁左端x1.5m處時，繩BC的拉力和A處的約束反力?；ぴO備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件由化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件例1-7 如圖所示一由AB、AC兩桿組成的梯子放在光滑表面上，AB、AC兩桿在E、F處 用繩子連接。在AB桿上D點站著一人，重量為W。已知AB、AC的重量為G，AD=b, BE=f，AB=AC=l, AB與地面夾角為，試確定B、C處約束反力及繩子拉力。 化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設備設計基礎鄭州大學化工與能源學院1-6 平面一般力系的合成與平衡條