化工設備設計基礎

化工設備設計基礎第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》上冊，哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室，高等教育出版社2、《材料力學》上冊，劉鴻文主編，高等教育出版社3、《工程力學》，朱熙然主編，上海交通大學出版社4、《金屬材料及熱處理》，史美堂主編，上海科學技術出版社5、《金屬工業(yè)學》上冊，范全福主編，高等教育出版社6、《化工機械制造》，第八章、第九章，姚慧珠、鄭海泉編，化學工業(yè)出版社第2頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月理論力學：研究物體機械運動一般規(guī)律材料力學：研究構件承載能力構件承受荷載能力衡量：

1．強度：構件抵抗破壞的能力

2．剛度：構件抵抗變形的能力

3．穩(wěn)定性：構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械作用力的運動效應，由理論力學研究力的變形效應，由材料力學研究力的三要素：大小，方向，作用點。第4頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2力學公理

1、作用與反作用定律2、二力平衡定律二力構件和二力桿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、是一個基本的力學量，不能與一個力平衡，力偶只能與力偶平衡。2、力偶對作用面內任一點之矩與矩心的位置無關，恒等于力偶矩。3、同平面內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的簡化第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，大小主動力（促使運動）和被動力第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，傳動帶，鏈條等，忽略剛性，不計重力，絕對柔軟且不可伸長特點：只受拉，不受壓，不能抗拒彎矩，限制物體沿柔性體伸長的方向運動。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：只受壓，不受拉，沿接觸點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，全長為L，支座B采用固定式鞍座，支座C采用活動式鞍座。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構管道支架，上面鋪設三根管道，試畫出結構整體及各構件的受力圖。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，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)簡化結構，畫結構簡圖；

(2)選擇研究對象，畫出作用在其上的全部主動力；(3)根據(jù)約束性質，畫出作用于研究對象上的約束反力。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：力系的主矢和對任一點的主矩都等于零。

第29頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月例1-4梁AB，長L=6m，A、B端各作用一力偶，m1=15kN.m，m2=24kN.m，轉向如圖所示，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。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，梁長度為L。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對變形固體作的三個假設連續(xù)性假設均勻性假設各向同性假設

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、扭轉第36頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月拉伸與壓縮扭轉彎曲第37頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3工程實例第38頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.4拉伸和壓縮時橫截面上的內力1、概念：附加內力，簡稱內力2、截面法軸力，拉為正，壓為負第39頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月截面法步驟1、在需要求內力處假想用一橫截面將構件截開，分成兩部分；

2、以任一部分為研究對象；

3、在截面上加上內力，以代替另一部分對研究對象的作用

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

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、應變的概念絕對變形Δu，線應變或應變：γ為剪應變或角應變，弧度線應變ε由正應力σ決定剪應變γ由剪應力τ決定。平均應變第45頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月桿件受拉伸或壓縮時的應變絕對伸長ΔL，相對伸長或線應變第46頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.6拉伸和壓縮時材料的力學性能一、拉伸和壓縮試驗室溫、靜載（緩慢加載）、小變形等條件金屬標準試件，圓截面長試件標距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、低碳鋼的拉伸實驗及其力學性能第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變ν橫向變形系數(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%的塑性應變所對應的應力滑移線或剪切線Q235-AσS=235MPa第53頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月3、強化階段、強度極限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月反映材料力學性能的主要指標：強度性能：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、鑄鐵拉伸的應力-應變圖灰鑄鐵σb=205MPa第57頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月四、低碳鋼壓縮的應力-應變圖第58頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月五、鑄鐵壓縮的應力-應變圖受壓第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械性能的主要區(qū)別

1．塑性材料在斷裂時有明顯的塑性變形；而脆性材料在斷裂時變形很小；2．塑性材料在拉伸和壓縮時的彈性極限、屈服極限和彈性模量都相同，它的抗拉和抗壓強度相同。而脆性材料的抗壓強度遠高于抗拉強度，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、溫度對材料力學性能的影響1、高溫的影響（1）高溫對短期靜載試驗的影響第62頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）高溫對長期加載的影響碳鋼超過200度，外力不變，但變形隨時間的延續(xù)而不斷增長，不可恢復。蠕變條件：高溫和應力2、低溫對材料力學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，應將桿件在截面突變處和軸力突變處分斷，分別求出各段的變形，再相加，得到總體變形。

七、虎克定律的應用第64頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月當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，其中兩側鋼桿長度為L，而中間一根鋼桿較兩側的短δ=L/2000，求三桿的裝配應力。設E=210Gpa。

N1=N2，N3=N1+N2變形協(xié)調條件得到：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)拉伸和壓縮的強度條件一、極限應力、許用應力和安全系數(shù)極限應力用σ0表示許用應力以[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、拉伸和壓縮的強度條件

強度條件在工程上，強度條件可以解決三類問題：強度校核、設計截面尺寸、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，內徑D=75mm，活塞桿直徑d=18mm，材料的許用應力[σ]=50MPa，校核活塞桿的強度。強度足夠第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懸臂起重機撐桿AB為中空鋼管，外徑105mm，內徑95mm。鋼索1和2互相平行，且設鋼索1可作為相當于直徑d=25mm的圓鋼計算。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）式得相應的吊重為：比較，可知起重機的許可吊重應為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月受力特點是：在構件的縱向對稱平面內，受到垂直于梁的軸線的力或力偶作用，使構件的軸線在此平面內彎曲為曲線，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

簡支梁：一端固定鉸鏈，另一端活動鉸鏈；外伸梁：簡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—內力—應力—強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梁橫截面上的內力

1.3.2.1剪力和彎矩一、截面法求內力—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月內力符號規(guī)定如下：第85頁，課件共122頁，創(chuàng)作于2023年2月左側梁上向上的外力或右側梁上向下的外力引起的剪力為正，反之為負，剪力等于該側外力的代數(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所有外力對該截面形心取力矩的代數(shù)和。梁上向上的外力均產生正彎矩；而向下的外力均產生負彎矩。截面左側順時針轉向的力偶或截面右側逆時針轉向的力偶取正值，反之取負值第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．簡支梁在C點處受集中荷載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，當均布荷載q(x)向下時，彎矩圖凸向上，當均布荷載向上時，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彎曲時橫截面上的正應力及其分布規(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橫截面上的正應力變形幾何條件物理條件：彈性范圍內第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。梁純彎曲時橫截面上的最大正應力的公式為：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，橫向力引起擠壓應力平面假設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支梁，L/h>5時，按純彎曲正應力計算，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梁彎曲時的強度條件利用強度條件，可對梁進行強度校核、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容器四個耳座支架在四根各長2.4m的工字鋼梁的中點上，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號型鋼，鋼材彎曲許用應力[s]=120MPa，試校核工字鋼的強度。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號工字鋼的Wz