化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1課件

1、化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ) 主講教師: 方書起 袁振偉 開課院系: 化工與能源學(xué)院 過程裝備與控制系化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ) 本課程內(nèi)容組成： 工程力學(xué)基礎(chǔ) 薄壁容器設(shè)計 典型化工設(shè)備設(shè)計 本課程目的：掌握必要的力學(xué)基礎(chǔ)知識初步具備壓力容器和化工設(shè)備的設(shè)計能力鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(guān)閉手機；上課禁止吃東西。成績評定：化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院第一篇 工程力學(xué)基礎(chǔ) 構(gòu)件 必須滿足以下三方面要求：要有足夠的強度： 構(gòu)件抵抗外力對其破壞的能力。要有足夠的剛度： 構(gòu)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(gòu)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?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院工程力學(xué)的任務(wù): 研究構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性問題。主要內(nèi)容 研究構(gòu)件的受力情況及平衡條件，進行受力大小的計算。研究構(gòu)件的受力變形與破壞規(guī)律，進行構(gòu)件的強度，剛度和穩(wěn)定性計算?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)第一篇 工程力學(xué)基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)第1章 構(gòu)件的受力分析（78學(xué)時）鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 第1章 構(gòu)件的受力分析構(gòu)件的受力分析：構(gòu)件上受到哪些外力作用其大小、方向如何? 構(gòu)件的受力分析是指構(gòu)件處在平衡狀態(tài)下的受力分析。平衡狀態(tài)： 構(gòu)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)?；ぴO(shè)備設(shè)計基

3、礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-1 力的概念及性質(zhì) 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(yīng)：使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變外效應(yīng)。使物體產(chǎn)生變形內(nèi)效應(yīng)。 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(yīng)?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(zhì)化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(zhì)化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)FFF鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院二、力的基本性質(zhì) 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(yīng)彼此抵消，因此平衡力系是對物體作用的外效應(yīng)等于零的力系?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-1 力的概念及性質(zhì)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 （3）等效力系： 若兩個力系分別作用于同一物體它們所產(chǎn)生的外效應(yīng)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(zhuǎn)化成幾個分力的過程?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-1 力的概念及性質(zhì)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院2、

5、力的基本性質(zhì)： （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(gòu)件(二力桿)化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-1 力的概念及性質(zhì)（3）力的可傳性：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-1 力的概念及性質(zhì)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院注：合力具有唯一性?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-1 力的概念及性質(zhì)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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?；?/p>

6、工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-1 力的概念及性質(zhì)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(chǎn)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?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-2 約束與約束反力GTA鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院（2）光滑面約束：一些光滑支承表面(如導(dǎo)軌、托輪等)產(chǎn)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-2 約束與約束反力NNANB鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院（3）圓柱鉸鏈約束化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-2 約束與約束反力 鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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。化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-2 約束與約束反力鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 固定鉸鏈（固鉸）支座（固支）：軸承化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-2 約束與約束反力鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院（4）固定端約束化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-2 約束與約束反力鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-3 受力圖 1、受力圖： 表示構(gòu)件及其所受全部外力的圖?；ぴO(shè)備設(shè)計基

8、礎(chǔ) 2、分離體： 把所分析的構(gòu)件(即研究對象)從與它們聯(lián)系的周圍約束物體中分離出來，單獨畫出。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-3 受力圖（b）（c）G1NANBN/BG2NCND鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(lián)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-3 受力圖NAyNAxGRDQRDRC鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(gòu)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(zhì)。在畫相互制約的各構(gòu)件的受力圖時，要利用相鄰構(gòu)件作用力與反作用力之間的關(guān)系。化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-3 受力圖鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(nèi)，且匯交于一點的力系。化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)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(xué)化工與能源學(xué)院1、力在坐標(biāo)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)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(xué)化工與能源學(xué)院1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)2、合力投影定理鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)3、平面匯交力系的合成鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-4 平面匯交力系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)4、平面匯交力系的平衡條件鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)解：鄭州大學(xué)化工與能

11、源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)力矩正負規(guī)定：逆時針為正，順時針為負鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)二、力偶與力偶矩鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)1-5 平面力偶系的合成與平衡條件鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件三、力偶的性質(zhì) 1、力偶無合力2、力偶的轉(zhuǎn)動效應(yīng)與矩心的位置無關(guān)化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)o鄭州大學(xué)化工與能源

12、學(xué)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(zhuǎn)向相同，則產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動效應(yīng)必相等。此二力偶為等效力偶?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(nèi)任意轉(zhuǎn)移(包括移動和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件 因此根據(jù)第二個特性，力偶可用一旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)卻不一樣?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-5 平面力偶系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)四、平面力偶系的合成鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)二、平面一般力系向任一點簡化鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-6 平

15、面一般力系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)（主矢）（主矩）或簡寫成：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)三、平面一般力系簡化結(jié)果分析 1、主矢和主矩都不等于零：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shù)和。化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院2、主矢等于零,但主矩不等于零。 平面內(nèi)對任一點取矩所得結(jié)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(guān)。1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(zhuǎn)動，即物體在該力系作用下處于平衡狀態(tài)?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(nèi)任意的兩個點，但A、B兩點的連線不能垂直于x軸?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(nèi)不共線的三個任意點。 化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備，塔重G450kN。塔高h=30m，塔底螺栓與基礎(chǔ)緊固聯(lián)接.塔體所受的風(fēng)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(shè)備在支座A處所受的約束反力?；ぴO(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-6 平面一般力系的合成與

18、平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(lián)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件由化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-6 平面一般力系的合成與平衡條件化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1-6 平面一般力系的合成與平衡條