《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)3版》第一章

電話：地點(diǎn)：Page1化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)緒論一、研究對(duì)象（為什么）化工機(jī)器及設(shè)備：反應(yīng)器、換熱器、塔器各種泵、壓縮機(jī)、離心機(jī)帶攪拌的反應(yīng)釜Page2靜設(shè)備動(dòng)設(shè)備及機(jī)器帶運(yùn)動(dòng)的靜設(shè)備

現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿

現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿

現(xiàn)代化企業(yè)的雄姿反應(yīng)器、換熱器、塔器反應(yīng)器、換熱器、塔器泵、壓縮機(jī)、離心機(jī)帶攪拌的反應(yīng)釜Page10二、本課程的內(nèi)容（1）工程力學(xué)基礎(chǔ)：研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及構(gòu)件的受力、變形與破壞規(guī)律，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算（2）壓力容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：研究化工容器及設(shè)備的類型、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)計(jì)算方法（3）機(jī)械傳動(dòng)：幾種典型常用傳動(dòng)裝置的工作原理、失效形式、承載能力計(jì)算。機(jī)械通用零部件的設(shè)計(jì)方法。三、目的要求《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》是一門綜合多門學(xué)科、理論與使用并重的課程?；ぴO(shè)備又稱過(guò)程設(shè)備。通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，要達(dá)到一下目的：1、使同學(xué)掌握桿件、平板、回轉(zhuǎn)形殼體的基礎(chǔ)力學(xué)理論和金屬材料的基本知識(shí)；2、熟悉涉及壓力容器設(shè)計(jì)、制造、材料使用和監(jiān)察管理的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)；3、具備使用和管理中、低壓壓力容器與化工設(shè)備的能力，熟悉簡(jiǎn)單機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。第一篇、工程力學(xué)基礎(chǔ)概述力學(xué)：研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的科學(xué)。歷史：(前287-212)杠桿平衡等規(guī)律墨子(前468-376)，名翟（dí）“墨經(jīng)”：力，重心Page13[意]伽利略(1564-1642)天文學(xué)家，力學(xué)家，哲學(xué)家加速度的概念加速度試驗(yàn)慣性原理[明]宋應(yīng)星（1587-1661）1637“天工開物”

Page14[英]牛頓(1642-1727)物理學(xué)家,數(shù)學(xué)家,天文學(xué)家牛頓運(yùn)動(dòng)定律萬(wàn)有引力定律微積分學(xué)振動(dòng)理論,運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性理論,多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)1687年出版的巨著：《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》Page15第一篇、工程力學(xué)基礎(chǔ)一、構(gòu)件：工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器的組成部分。按幾何形狀分為桿、板（殼）、體(塊)。二、對(duì)構(gòu)件的力學(xué)要求強(qiáng)度（strength)：抵抗破壞的能力剛度(stiffness)：抵抗變形的能力穩(wěn)定性(stability)：保持原有平衡形狀的能力

三、本篇內(nèi)容靜力學(xué):研究物體受力的簡(jiǎn)化及平衡條件（剛體）材料力學(xué):研究變形桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性（變形體）Page16根據(jù)實(shí)際問(wèn)題抽象建立力學(xué)模型應(yīng)用數(shù)學(xué)方法描述客觀規(guī)律應(yīng)用數(shù)學(xué)工具得到解決問(wèn)題的方法研究方法第一章、物體的受力分析和靜力平衡方程一、重點(diǎn)、難點(diǎn)：

1.靜力平衡的基本規(guī)律；

2.求解結(jié)構(gòu)上的未知力；

3.力的性質(zhì)。二、授課內(nèi)容：

1.1靜力學(xué)基本概念1.7平面力系的簡(jiǎn)化合力矩定理

1.2約束和約束反力1.8平面力系的平衡方程

1.3分離體和受力圖1.9空間力系

1.4力的投影－合力投影定理

1.5力矩、力偶

1.6力的平移問(wèn)題：受力分析：幾個(gè)力平衡條件：什么力

大小方向作用點(diǎn)一、力的概念及作用形式1、力是物體間的相互機(jī)械作用，這種作用使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和形狀發(fā)生改變。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變--外效應(yīng)（靜力學(xué)）。形狀改變--力的內(nèi)效應(yīng)（材料力學(xué)）。力是一個(gè)矢量。力的三要素：大小、方向、作用點(diǎn)。1.1靜力學(xué)的基本概念F2、力的分類按作用方式分為：體積力和表面力。Fq(x)q集中力分布力均布力均布載荷二、剛體的概念理想化理想化分子的集合看成連續(xù)體看成剛體看成質(zhì)點(diǎn)理想化剛體：在外力作用下，不發(fā)生變形的物體。質(zhì)點(diǎn):集中質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型。它沒(méi)有大小，但具有質(zhì)量。載人飛船的對(duì)接研究軌道問(wèn)題時(shí)——質(zhì)點(diǎn)研究對(duì)接問(wèn)題時(shí)——?jiǎng)傮w三、靜力學(xué)的公理1、力系——作用在物體上的一群力，稱為力系。2、平衡力系——如果剛體在某個(gè)力系的作用下保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，則稱這個(gè)力系為平衡力系。3、等效力系——如果作用在剛體上的一個(gè)力系能用另一個(gè)力系來(lái)代替，而不改變對(duì)剛體的作用效果，則這兩個(gè)力系為等效力系（其中任一個(gè)力系是另一個(gè)力系的等效力系）。4、合力——如果一個(gè)力和一個(gè)力系等效，則稱這個(gè)力是該力系的合力。FR

：該力系的合力(resultantforce)Fi（i=1,2,…n)：合力的分力(componentforce)作用在剛體上的力系滿足什么條件時(shí)，物體保持平衡？公理一（二力平衡公理）作用于剛體上的兩個(gè)力平衡的充要條件是：兩個(gè)力大小相等，方向相反，并作用在同一直線上。注意：這個(gè)公理只適用于剛體。FFFFFF二力構(gòu)件公理二（加減平衡力系公理）在作用于剛體上的任何一個(gè)力系上，添加或除去一個(gè)平衡力系，并不改變?cè)ο祵?duì)剛體的作用效應(yīng)。ABF1

ABF1

F1

F1＝BA

F1＝推論（力的可傳性）作用在剛體的任何力，可以沿其作用線移至剛體內(nèi)任意一點(diǎn)，而不改變它對(duì)剛體的作用效果。注意：公理二和力的可傳性也都只適用于剛體而不適用于變形體。FF＝公理三（作用與反作用定律）作用力與反作用力必定同時(shí)出現(xiàn)，且大小相等，方向相反，作用在同一直線上。注意：作用力與反作用力不是作用在同一物體上，不能與二力平衡原理的一對(duì)平衡力相混淆。公理四三力平衡匯交定理F3F2F1ABCOR當(dāng)剛體在三力作用下處于平衡時(shí)，若其中兩力的作用線相交于一點(diǎn)，則第三力的作用線必通過(guò)該點(diǎn)，且三力共面。1.2約束和約束反力1、自由體:在空間可以自由運(yùn)動(dòng)，而獲得任意位移的物體。2、非自由體:位移受到某些限制的物體。3、約束:限制非自由體運(yùn)動(dòng)的裝置和設(shè)施。4、約束反力:約束對(duì)物體的反作用力。5、主動(dòng)力:主動(dòng)引起物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變和改變趨勢(shì)的力（載荷）。1、柔索約束（柔繩、鏈條、膠帶構(gòu)成的約束）約束反力的方向與該約束限制的物體的位移方向相反。阻止沿柔索中心線伸長(zhǎng)約束反力作用在接觸點(diǎn)；約束反力方向沿繩索中心背離非自由體。柔索約束GT1T2T1T2G2、理想光滑面約束GGFN公切線公法線GFNGGFNFF光滑面約束：約束反力通過(guò)接觸點(diǎn)沿公法線指向非自由體。3、圓柱鉸鏈約束A圓柱鉸鏈圓柱鉸鏈約束：約束反力通過(guò)銷釘中心，沿接觸點(diǎn)公法線方向。通常用兩個(gè)正交分量Fx和Fy來(lái)表示。AFxFy鉸支座：用圓柱鉸鏈將一個(gè)構(gòu)件與底座連接。分為固定鉸支座和可動(dòng)鉸支座。A.固定鉸鏈支座AAFyFxB.可動(dòng)鉸支座可動(dòng)鉸支座：約束反力通過(guò)銷釘?shù)闹行拇怪庇谥С忻?。AAFyC.軸承約束（了解）徑向軸承止推軸承FyFxFxFyFz1.3分離體和受力圖1、研究對(duì)象——把所研究的物體與周圍的物體分離開（隔離體或分離體）。2、受力圖——在分離體上加全部所受之力。3、受力圖的畫法：⑴根據(jù)題意選取研究對(duì)象，用盡可能簡(jiǎn)明的輪廓把它單獨(dú)畫出。⑵畫出分離體所受的主動(dòng)力。⑶在原來(lái)存在約束的地方按照約束類型逐一畫出約束反力。(b)DABC例1-2：畫出AB桿的受力圖(a)ABCD解除約束原理：人為地解除約束后，必須在接觸點(diǎn)上用一個(gè)適當(dāng)?shù)募s束力來(lái)代替約束的作用(a)(b)(d)(c)二力構(gòu)件/二力桿4、剛體受力分析要領(lǐng)⑴要有明確的研究對(duì)象。要解除約束，取分離體。⑵受力分析要求畫出的是受力圖，不是施力圖。⑶除重力、電磁力外，只有直接與研究對(duì)象接觸的物體才有力的作用。⑷約束反力的畫法支取決于約束的性質(zhì)，不要考慮剛體的主動(dòng)力作用下企圖運(yùn)動(dòng)的方向。⑸畫約束反力時(shí)，重要的是確定力線方位，力的指向在無(wú)法判斷時(shí)可任意假設(shè)。⑹要充分利用二力桿定理和三力平衡匯交定理來(lái)解決力線方位。不能確定時(shí)，可以用兩個(gè)正交分力代替該力。

反之，當(dāng)投影Fx

、Fy

已知時(shí)，則可求出力

F

的大小和方向：1.4力的投影合力投影定理一、力在坐標(biāo)軸上的投影：結(jié)論：力在某軸上的投影，等于力的模乘以力與該軸正向間夾角的余弦。y

b′a′abFOxBFxFy

由力矢F的始端A和末端B向投影平面oxy引垂線，由垂足A′到B′所構(gòu)成的矢量A′

B′

，就是力在平面Oxy上的投影記為Fxy。即：注意：力在軸上投影是代數(shù)值。力在平面上的投影是矢量。二、力在平面上的投影：

xyOA′B′ABFFxyAF2F1(a)F3F1F2FRF3ABCDx(b)

合力在任一軸上的投影等于它的各分力在同一軸上的投影的代數(shù)和。證明：以三個(gè)力組成的共點(diǎn)力系為例。設(shè)有三個(gè)共點(diǎn)力F1、F2、F3如圖。三、合力投影定理：根據(jù)合力投影定理得：

合力的大?。?)()()222222???++=++=zyxFFFFRxFRFRyFRz=+++=?FRxFRyFRzxnxxxFFFFL21?=+++=ynyyyFFFFL21?=+++=znzzzFFFFL21合力R的方向余弦：FRyFRzFRxFFFzyx???======gbacos

,

cos

,

cosFRFRFRFRFRFROAdBF一、力矩的定義——力F的大小乘以該力作用線到某點(diǎn)O間距離d，并加上適當(dāng)正負(fù)號(hào)，稱為力F對(duì)O點(diǎn)的矩。簡(jiǎn)稱力矩。1.5力矩力偶二、力矩的表達(dá)式:三、力矩的正負(fù)號(hào)規(guī)定：按右手規(guī)則，當(dāng)有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨向時(shí)，力F對(duì)O點(diǎn)的矩取正值。四、力矩的單位：與力偶矩單位相同，為N.m。

五、力矩的性質(zhì)：

1、力沿作用線移動(dòng)時(shí)，對(duì)某點(diǎn)的矩不變；2、力作用過(guò)矩心時(shí)，此力對(duì)矩心之矩等于零；3、互成平衡的力對(duì)同一點(diǎn)的矩之和等于零；4、力偶中兩力對(duì)面內(nèi)任意點(diǎn)的矩等于該力偶的力偶矩。六、力矩的解析表達(dá)式y(tǒng)xOxyAB

力對(duì)某點(diǎn)的矩等于該力沿坐標(biāo)軸的分力對(duì)同一點(diǎn)之矩的代數(shù)和。F1F2d七、力偶和力偶矩1、力偶——大小相等的二反向平行力。

⑴、作用效果：引起物體的轉(zhuǎn)動(dòng)。⑵、力和力偶是靜力學(xué)的二基本要素。力偶特性二：力偶只能用力偶來(lái)代替（即只能和另一力偶等效），因而也只能與力偶平衡。力偶特性一：力偶中的二個(gè)力，既不平衡，也不可能合成為一個(gè)力。工程實(shí)例2、力偶臂——力偶中兩個(gè)力的作用線之間的距離。3、力偶矩——力偶中任何一個(gè)力的大小與力偶臂d的乘積，加上適當(dāng)?shù)恼?fù)號(hào)。F1F2d力偶矩正負(fù)規(guī)定：若力偶有使物體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，力偶矩取正號(hào)；反之，取負(fù)號(hào)。量綱：力×長(zhǎng)度，牛頓?米（N?m）.FdM±=八、力偶的等效條件

同平面上力偶的等效條件：FdF

d

因此，以后可用力偶的轉(zhuǎn)向箭頭來(lái)代替力偶。=

作用在剛體內(nèi)同一平面上的兩個(gè)力偶相互等效的充要條件是二者的力偶矩代數(shù)值相等。九、力對(duì)點(diǎn)的矩與力偶矩的區(qū)別：相同處：力矩的量綱與力偶矩的相同。不同處：力對(duì)點(diǎn)的矩可隨矩心的位置改變而改變，但一個(gè)力偶的矩是常量。聯(lián)系：力偶中的兩個(gè)力對(duì)任一點(diǎn)的之和是常量，等于力偶矩。FAOdFAOdMAO==

把力F作用線向某點(diǎn)O平移時(shí)，須附加一個(gè)力偶，此附加力偶的矩等于原力F對(duì)點(diǎn)O的矩。證明：一、力線平移定理：1.6力的平移()FmFdM0==

1、當(dāng)力線平移時(shí)，力的大小、方向都不改變，但附加力偶的矩的大小與正負(fù)一般要隨指定O點(diǎn)的位置的不同而不同。2、力線平移的過(guò)程是可逆的，即作用在同一平面內(nèi)的一個(gè)力和一個(gè)力偶，總可以歸納為一個(gè)和原力大小相等的平行力。3、力線平移定理是把剛體上平面任意力系分解為一個(gè)平面共點(diǎn)力系和一個(gè)平面力偶系的依據(jù)。二、幾個(gè)性質(zhì)：1.7平面力系的簡(jiǎn)化合力矩定理

A3OA2A1F1F3F2l1Ol2l3LOO==應(yīng)用力線平移定理，可將剛體上平面任意力系中各個(gè)力的作用線全部平行移到作用面內(nèi)某一給定點(diǎn)O

。從而這力系被分解為平面共點(diǎn)力系和平面力偶系。這種變換的方法稱為力系向給定點(diǎn)O的簡(jiǎn)化點(diǎn)O稱為簡(jiǎn)化中心。一、力系向給定點(diǎn)O的簡(jiǎn)化

共點(diǎn)力系F1

、F2

、F3

的合成結(jié)果為一作用點(diǎn)在點(diǎn)O的力FR

。這個(gè)力矢FR

稱為原平面任意力系的主矢。

附加力偶系的合成結(jié)果是作用在同平面內(nèi)的力偶，這力偶的矩用MO代表，稱為原平面任意力系對(duì)簡(jiǎn)化中心O

的主矩。321321FFFFFFFR++=￠+￠+￠=￠()()()3210FmFmFmM1+M2+M3Mooo++==結(jié)論：

平面任意力系向面內(nèi)任一點(diǎn)的簡(jiǎn)化結(jié)果，是一個(gè)作用在簡(jiǎn)化中心的主矢；和一個(gè)對(duì)簡(jiǎn)化中心的主矩。推廣：平面任意力系對(duì)簡(jiǎn)化中心O的簡(jiǎn)化結(jié)果。主矩：主矢：()()()()?=+++=FmFmFmFmMonoooL210FFFFFRn?=+++=￠L(zhǎng)21二、幾點(diǎn)說(shuō)明：1、平面任意力系的主矢的大小和方向與簡(jiǎn)化中心的位置無(wú)關(guān)。2、平面任意力系的主矩與簡(jiǎn)化中心O的位置有關(guān)。因此，在說(shuō)到力系的主矩時(shí)，一定要指明簡(jiǎn)化中心。方向余弦：2、主矩Lo可由下式計(jì)算：三、主矢、主矩的求法：1、主矢可接力多邊形規(guī)則作圖求得，或用解析法計(jì)算。()()2222??+=+=yxFFFRxFRFRx()()Fxx?=,cosFRFR()()Fyy?=,cosFRFR()()()()?=+++=FmFmFmFmMonoooL210=1、FR

=0，而MO≠0，原力系合成為力偶。這時(shí)力系主矩MO不隨簡(jiǎn)化中心位置而變。2、MO=0，而FR

≠0，原力系合成為一個(gè)力。作用于點(diǎn)O的力FR

就是原力系的合力。3、FR

≠0，MO≠0，原力系簡(jiǎn)化成一個(gè)力偶和一個(gè)作用于點(diǎn)O的力。這時(shí)力系也可合成為一個(gè)力。四、簡(jiǎn)化結(jié)果的討論：MOOFRORMo

AFR”O(jiān)RMo

AFRFR”FR’=()FmFRMAO?==00FR綜上所述，可見：4、FR

=0，而MO=0，原力系平衡。⑴、平面任意力系若不平衡，則當(dāng)主矢主矩均不為零時(shí)，則該力系可以合成為一個(gè)力。

⑵、平面任意力系若不平衡，則當(dāng)主矢為零而主矩不為零時(shí)，則該力系可以合成為一個(gè)力偶。

平面任意力系的合力對(duì)作用面內(nèi)任一點(diǎn)的矩，等于這個(gè)力系中的各個(gè)力對(duì)同一點(diǎn)的矩的代數(shù)和。五、合力矩定理yxOxyAB()()?=FmFRmoo()()()yoxooFmFmFm+=()xxoyFFm-=()yyoxFFm=F1F2F3F4OABC

xy2m3m30°60°例題1-4：在長(zhǎng)方形平板的O、A、B、C點(diǎn)上分別作用著有四個(gè)力：F1=1kN，F(xiàn)2=2kN，F(xiàn)3=F4=3kN（如圖），試求以上四個(gè)力構(gòu)成的力系對(duì)點(diǎn)O的簡(jiǎn)化結(jié)果，以及該力系的最后的合成結(jié)果。解：取坐標(biāo)系Oxy。

1、求向O點(diǎn)簡(jiǎn)化結(jié)果：①求主矢FR

：598.030cos60cos432=++-==￠?ooFFFFFRxx

xFR

OABCy22768.01332130sin60sin421=′+′-=+-==￠?ooFFFFFyRy7940

22.FRyFRxFRx=￠+=￠\()614.0

cos=￠￠=￠FRFRxx、FR()'x652

,

°=￠DTFR()789.0

cos=￠￠=￠FRFRyy、FR()'y5437

,

°=￠DTFR②求主矩：2、求合成結(jié)果：合成為一個(gè)合力FR，F(xiàn)R

的大小、方向與FR’

相同。其作用線與O點(diǎn)的垂直距離為：FR

OABC

xyLoFRdF1F2F3F4OABC

xy2m3m30°60°()?=FomMo5.030sin3260cos2432=°+-°=FFFm51.0=￠=FRModF

R=0，而MO=0:表明原力系是平衡力系。處理方法：將平面一般力系轉(zhuǎn)化為一組匯交力系和一組力偶系。平衡方程：

由于F

R=0

為力平衡

MO=0為力偶也平衡 所以平面一般力系平衡的充要條件為：力系的主矢F

R和主矩MO

都等于零，1.8平面一般力系的平衡方程②二矩式條件：x軸不AB

連線③三矩式條件：A,B,C不在同一直線上上式有三個(gè)獨(dú)立方程，只能求出三個(gè)未知數(shù)。①一矩式

[例]已知：P,a,求：A、B兩點(diǎn)的支座反力？解：①選AB梁研究②畫受力圖PAB2aaYAXANB1.9空間力系若作用在物體的力系中各力的作用線不在同一平面內(nèi)，則稱該力系為空間力系。一、力在直角坐標(biāo)軸上的投影如果一個(gè)力F的作用線與直角坐標(biāo)軸X、Y、Z正向?qū)?yīng)的夾角分別為α、β、γ（稱為方向角），則力F在三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影為：cosα、cosβ、cosγ稱為力F的方向余弦，有如下關(guān)系: