第一章剛體的受力分析及其平衡規(guī)律--化工機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)

1、,化工設(shè)備機(jī)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(jī)械類專業(yè)的一門專業(yè)方向必修課。 講授必要的機(jī)械設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，并具備對一般化工設(shè)備進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)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(jì) 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(jì) 薄膜理論；內(nèi)、外壓容器設(shè)計(jì)方法、容器零部件設(shè)計(jì)；,（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(jì)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(jì)劃學(xué)時(shí)：40學(xué)時(shí),3.教學(xué)要求與計(jì)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(qiáng)度計(jì)算 與受剪切構(gòu)件的使用計(jì)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(yùn)動(dòng),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(qiáng)度、剛度、

3、穩(wěn)定性 設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)、作用線位置、大小）,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(jī) 械運(yùn)動(dòng)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(diǎn),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?。篎,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(diǎn)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(shí)產(chǎn)生，同時(shí)消失，并且等值、反向、共線,平行四邊形法則：作用于同一點(diǎn)的兩個(gè)力可以合成為一個(gè)合力，合力的大小和方向是以這兩個(gè)力為鄰邊的平行四邊形的對角線矢量，其作用點(diǎn)不變。也即： 合力等于兩分力的矢量和。,3、力的可合性：,0,一個(gè)力可以分解成 兩個(gè)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(gè)力對物體產(chǎn)生的外效應(yīng)， 可以被另一個(gè)或幾個(gè)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(gè)外力。,5、力的可消性,（1）二力平衡定律：當(dāng)物體受兩個(gè)力作用處于平衡 時(shí)，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(gè)力作用而處于 平衡時(shí)，若其中兩個(gè)力的作用線相交于一點(diǎn)，則第三 個(gè)力的作用線必交于同一點(diǎn)。,一、約束和約束反力 基本概念： 主動(dòng)力：引起物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變趨勢的力。 約束反力：阻礙物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的力。 自由體：只受主動(dòng)力作用，能夠完全自由運(yùn)動(dòng)的物體。 非自由體：受到限制不能完全自由運(yùn)動(dòng)的物體。 約束：限制非自由體運(yùn)動(dòng)的物體。,第二節(jié) 剛體的受力分析,（1）柔性體被拉

6、直時(shí)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(yùn)動(dòng)，背離被約束物體。是離點(diǎn)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(diǎn)處，方向沿公法線，指向受力物體，是向點(diǎn)而來的力。,2.光滑接觸面約束 (光滑指摩擦不計(jì)),A,畫約束反力時(shí)，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(diǎn),例：圖示為一個(gè)三角支架，由兩根桿和三個(gè)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(shí)，試確定AB桿兩端的約束反力力線方位（桿自身質(zhì)量不計(jì)）,（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(dú)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(shí)可任意假定,剛體分離要點(diǎn):,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(diǎn)。,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(diǎn)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(gè)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(diǎn)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(jì)，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(diǎn)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(shí)回顧:,F 使物體 繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的物理量稱為力F 對O

9、點(diǎn)的力矩。O稱為力矩中心。點(diǎn)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(diǎn)之矩不僅取決于 力的大小，同時(shí)還與矩心的位 置有關(guān)； 2 、力F對任一點(diǎn)之矩，不會(huì) 因該力沿其作用線移動(dòng)而改 變，因?yàn)榇藭r(shí)力臂和力的大小 均未改變； 3 、力的作用線通過矩心時(shí)， 力矩等于零；,力矩的特點(diǎn)：,4 、互相平衡的二力 對同一點(diǎn)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(diǎn)取 矩計(jì)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(gè)力所在

10、的平面叫力偶作用面。 兩個(gè)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(dòng)效應(yīng)的度量，力偶的兩個(gè)力對其作用面內(nèi)任一點(diǎn)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(gè)力偶，只 要它們的力偶矩大小相等、轉(zhuǎn) 動(dòng)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(gè)力，但是不能用一個(gè)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(gè)以上的力偶，這些力偶可用 一個(gè)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(gè)相同的孔，現(xiàn)估計(jì)鉆每個(gè)孔的切削力偶矩m1=m2=m3=m4=m=-15Nm,當(dāng)用多軸鉆床同時(shí)鉆這四個(gè)孔時(shí),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(gè)力偶 的合力矩為：,負(fù)號表示合力偶矩順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。知道總切削力偶矩之

12、后，就可考慮夾緊措施，設(shè)計(jì)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(diǎn)，要使原力對剛體的作用效果不變，必須同時(shí)附加一個(gè)力偶，此附加力偶的力偶矩等于原力對新作用點(diǎn)的力矩，轉(zhuǎn)向取決于原力繞新作用點(diǎn)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(shí)，還會(huì)發(fā)生繞質(zhì)點(diǎn)O的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；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(dòng)；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(dòng),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(diǎn)，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(gè)力等效代替; 2 同平面內(nèi)的力偶系可以用一個(gè)合力偶等效代替； 3 一個(gè)力可以向任何點(diǎn)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(tái)，其自重G1=10kN，工作載荷F=4kN，在 C點(diǎn)處和操作臺(tái)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(tái)邊上的A、B兩滾輪能使工作臺(tái)沿軌道上下滾 動(dòng)。試求軟索的拉力和作用在A、B兩輪上的反力（不計(jì)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,