過程設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).ppt

1、過程設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),-學(xué)習(xí)輔導(dǎo)（1） 華東理工大學(xué) 郝俊文,前言,學(xué)習(xí)要求 能寫：填空題 能判：選擇題 能想：簡答題 能算：計(jì)算題,課件結(jié)構(gòu) 教學(xué)目的與要求 學(xué)習(xí)重點(diǎn) 提示 例題/習(xí)題解答,二 靜力學(xué)構(gòu)件的受力分析,教學(xué)目的與要求,了解有關(guān)力和力平衡的基本概念； 了解靜力學(xué)的研究對象，掌握靜力學(xué)的基本公理、定理和推論等； 了解約束的基本類型，并能夠應(yīng)用匯交力系平衡條件、二力平衡公理和平行四邊形法則等進(jìn)行受力分析，確定未知力的大小和方向； 了解力矩、力偶（矩）的基本概念； 掌握力線平移定理及其證明； 掌握求解平面任意力系問題的基本步驟并完成一定數(shù)量的習(xí)題。,重點(diǎn)內(nèi)容,2.1 靜力學(xué)的基本概念

2、1 力和力系的概念 力是物體之間的相互作用；力系是作用在同一物體上的力的總和。如果力的作用線位于同一平面內(nèi)，則稱為平面力系，反之，稱為空間力系。 力的三要素 大小、方向、作用點(diǎn),提示1：這里所說的力均指外力，不考慮物體內(nèi)部的相互作用； 提示2：同一物體的概念是相對的，可以把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)看作一個(gè)物體，也可以把系統(tǒng)中的單個(gè)元部件看作一個(gè)整體，區(qū)別在于：對于前者，內(nèi)部單個(gè)元部件之間的作用為內(nèi)力，而對于后者，內(nèi)部單個(gè)元部件之間的作用成為外力，也就是靜力學(xué)所研究的力。,2.1 靜力學(xué)的基本概念,2 二力平衡公理 作用于剛體上的兩個(gè)力，使剛體保持平衡的必要與充分條件是：這兩個(gè)力的大小相等、方向相反、且作

3、用在同一直線上。 提示：該公理對剛體的形狀和尺寸沒有限制，不能簡單理解為二力桿件。,3 三力平衡匯交定律 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該點(diǎn)，且三力共面。 舉例1,舉例2,2.2 約束、約束反力和受力圖,1 約束與約束反力的概念 所謂約束，是指工程中對某一物體的活動(dòng)起著限制作用的物體。當(dāng)物體受到外力的作用時(shí)就會(huì)有運(yùn)動(dòng)趨勢，約束對物體就會(huì)產(chǎn)生限制力，這一限制物體運(yùn)動(dòng)的力稱為約束反力，簡稱約束力。 2 主動(dòng)力與被動(dòng)力 能夠使物體發(fā)生運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢的力稱為主動(dòng)力，由主動(dòng)力引起的限制物體運(yùn)動(dòng)的力稱為被動(dòng)力。約束反力是被動(dòng)力。,3 約束的基本類型 約束

4、的基本類型有柔性約束，光滑面約束，固定鉸鏈約束，輥軸支座約束和固定端約束等5種基本類型。各種約束產(chǎn)生的約束力參看教科書。 提示1：約束的本質(zhì)是構(gòu)件之間的相互作用。 提示2：除了這些約束外，構(gòu)件之間的相互作 用也可以看作約束。,4 畫受力圖的基本步驟： 根據(jù)題意選取研究對象，單獨(dú)畫出其簡圖； 畫出作用在分離體上的主動(dòng)力； 畫出約束反力。凡解除約束處，根據(jù)約束性質(zhì)逐一畫上約束反力。 在同一物系中，畫相關(guān)構(gòu)件的受力圖時(shí)，要利用相關(guān)物體間作用力和反作用力的特點(diǎn)，由已知方向確定未知的方向。 提示：結(jié)構(gòu)特別簡單時(shí)，可畫在題圖上,2.3 平面匯交力系的合成與平衡條件 1 平面匯交力系的合成方法 平面匯交力系

5、的合成方法有幾何法即平行四邊形法則和解析法即投影法。 2 合力投影定理 3 平面力系平衡條件,2.4 平面力偶系的合成與平衡條件 1 力矩與合力矩 力矩是用來描述力使物體轉(zhuǎn)動(dòng)效果的物理量。簡稱矩。,提示1：描述構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)效果的物理量 提示2：力矩與矩心位置有關(guān),提示3：計(jì)算力矩時(shí)需要用到力臂，力臂的大小為矩心到作用線的距離，所以合力矩的大小與矩心的選取有關(guān)；但是合力的矩與各分力矩的和總是相等的，這一等量關(guān)系與所取矩心的位置是無關(guān)的。 提示4：我們研究的對象是處于平衡狀態(tài)的構(gòu)件，所以力系的合力和合力矩總是等于零，在這種條件下，我們可以說，處于平衡狀態(tài)的構(gòu)件的合力矩與各分力的矩的和相等，且等于0，與

6、矩心的位置無關(guān)。,2 力偶與力偶矩 力偶是指大小相等，方向相反，不共作用線的一對平行力。 力偶矩是描述力偶使物體轉(zhuǎn)動(dòng)效果的物理量。,提示1：力偶的本質(zhì)是一對力，這對力具有大小相等，方向相反不共作用線的特點(diǎn)。 提示2：力偶矩的本質(zhì)是一力矩，是力偶對空間任意一點(diǎn)的力矩的代數(shù)和。,提示3：力偶矩沒有矩心的概念。 力偶矩可以用下式表達(dá)：,3 力偶矩的三要素和等效力偶 和力相似，力偶矩也有三要素，分別是大小，方向和作用平面； 凡是這三個(gè)要素相同的力偶矩互為等效力偶。,5 平面力偶系的合成 同一平面內(nèi)的若干力偶可以合成為一個(gè)力偶。稱為合力偶。合力偶矩的大小等于各力偶矩之代數(shù)和。 6 平面力偶系的平衡條件

7、各力偶矩的代數(shù)和，即合力偶矩等于零，表示為：,2.5 平面任意力系的合成與平衡條件 1 平面一般力系的平衡條件,4 解題步驟 確定研究對象，取分離體，做受力圖；,建立坐標(biāo)系，列平衡方程； 解平衡方程，求出未知數(shù)， 給出文字結(jié)論。,第三章 拉伸與壓縮,教學(xué)目的和要求,了解拉/壓桿件的受力變形特點(diǎn)，能夠根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)抽象出相應(yīng)的力學(xué)模型。 掌握內(nèi)力和截面法的涵義，能夠采用截面法求解內(nèi)力并繪制軸力圖。 應(yīng)力、應(yīng)變和胡克定律等是本章乃至本書的重要內(nèi)容，要求正確理解，熟練掌握和運(yùn)用。,了解材料的主要力學(xué)性能及其相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)，能夠借助教材和工具書獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。 了解典型材料的拉伸/壓縮曲線特征，明確脆性材

8、料和塑性材料的劃分依據(jù)。 明確工作應(yīng)力、許用應(yīng)力、安全系數(shù)和強(qiáng)度條件的意義，能夠應(yīng)用強(qiáng)度公式等解決三類工程問題。,了解影響構(gòu)件強(qiáng)度和材料性能的因素（溫度，蠕變，疲勞，應(yīng)力集中等）,重點(diǎn)內(nèi)容,3.1材料力學(xué)的基本概念 1 構(gòu)件的變形 構(gòu)件的變形可以分為三類，即不變形，彈性變形和塑性變形。 2 材料力學(xué)和靜力學(xué)的比較 靜力學(xué)的研究對象是剛體，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是平衡狀態(tài)，研究目的主要是獲得構(gòu)件保持平衡所必須的未知力（通常是約束力）的大小。而材料力學(xué)的研究對象為變形體，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為平衡狀態(tài)，研究的目的主要是獲得構(gòu)件在外力的作用下的內(nèi)力/應(yīng)力和變形/應(yīng)變。,3 材料力學(xué)的工程應(yīng)用包括三個(gè)方面： 新構(gòu)件設(shè)計(jì)（形狀，

9、尺寸，材料等）； 舊構(gòu)件的可靠性校核(強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性)； 計(jì)算已有構(gòu)件的最大承載能力（載荷，位移） 4 材料力學(xué)的三個(gè)假設(shè) 連續(xù)性假設(shè)； 小變形假設(shè)； 各向同性假設(shè)。,4 構(gòu)件的分類 桿，板，殼 5 構(gòu)件變形的基本形式 拉伸或壓縮，剪切/擠壓，彎曲，扭轉(zhuǎn),6 內(nèi)力 所謂內(nèi)力，是相對于構(gòu)件的外力而言的，是構(gòu)件在外力作用下的內(nèi)力反映，是內(nèi)力的改變量，稱為附加內(nèi)力。 提示：內(nèi)力不是絕對值，而是一個(gè)相對值，是內(nèi)力的改變量，或者增量。 7 截面法求內(nèi)力 用一假想截面將物體切分為兩部分，取其中一部分作為研究對象；將棄去部分對留下部分的約束用內(nèi)力代替；對留下部分建立靜力平衡方程式，求所截得截面上的內(nèi)力。

10、 提示：求解結(jié)果與截面的位置無關(guān)；無論取那一部分作為研究對象，計(jì)算結(jié)果都是一樣的。,3.2 拉伸和壓縮 1 桿件拉伸/壓縮的特征 大小相等 方向相反，且作用線共線且與桿件軸線重合。 2 應(yīng)力 所謂應(yīng)力是用來描述桿件受力強(qiáng)度的物理量，其大小為單位面積上的內(nèi)力。用公式表示：,3 軸力圖的繪制 軸力圖可以直觀表示桿件的受理情況，繪制時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： 橫坐標(biāo)與桿件平行，縱坐標(biāo)與桿件垂直， 橫軸水平時(shí)，上方為正，橫軸豎直時(shí)左邊為正。 標(biāo)出特殊點(diǎn)的數(shù)值（包括力的大小和相應(yīng)的截面位置）。,3.3 直桿拉伸或壓縮時(shí)斜截面上的應(yīng)力 1 正應(yīng)力與剪應(yīng)力 與截面平行的應(yīng)力為剪應(yīng)力，與截面垂直的應(yīng)力為正應(yīng)力。 2

11、直桿拉伸/壓縮時(shí)的應(yīng)力,提示與討論 討論： 時(shí)，正應(yīng)力最大，剪應(yīng)力最??； 時(shí)，剪應(yīng)力最大； =90o時(shí)， ，表明縱向截面內(nèi)無應(yīng)力。 提示：能夠利用上述結(jié)論分析實(shí)例。,3.4 直桿受軸向拉伸（壓縮）時(shí)的強(qiáng)度條件 1 桿件的強(qiáng)度條件 2 強(qiáng)度公式的應(yīng)用 主要用來解決三類問題 已有構(gòu)件的強(qiáng)度校核 新構(gòu)件的截面設(shè)計(jì) 已有構(gòu)件的承載能力確定,3.5直桿拉伸或壓縮時(shí)的變形 1 絕對變形與相對變形 絕對變形是指在拉伸/壓縮載荷的作用下引起的軸向（或橫向）單位尺寸的增大或減小（減小或增大），單位通常為m或mm。 相對變形是指在拉伸/壓縮載荷的作用下引起的軸向（或橫向）單位尺寸的增大或減?。p小或增大）量，稱為

12、應(yīng)變。,2 橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變與泊松比 縱向應(yīng)變： 橫向應(yīng)變： 泊松比：,提示：泊松比為材料的彈性常數(shù)，不同的材料具有不同的泊松比，泊松比一般都小于0.5。 討論： 問：桿件在拉伸載荷作用前后體積是否保持不變？ 思考：采用不同材料制造的尺寸相同的構(gòu)件，在拉伸載荷的作用下達(dá)到相同的縱向應(yīng)變時(shí)，由于泊松比不同，得到的橫向應(yīng)變卻是不同的。這就意味著變形后的構(gòu)件長度相等而截面不再相等，進(jìn)而得出變形后的體積也不再相等，這就意味著在拉伸載荷作用下體積發(fā)生了變化，那么是變大還是變小了？,3 胡克定律,（EA稱為抗拉剛度）,3.6 材料拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能及測試 1 拉伸和壓縮試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試樣 實(shí)驗(yàn)試樣按長度

13、可分為長試樣和短試樣兩種， 按截面積可以分為矩形截面和圓截面兩種。 2 拉伸/壓縮實(shí)驗(yàn)曲線 拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以簡單地用載荷-位移曲線或者應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示。,3 實(shí)驗(yàn)（曲線）四個(gè)階段 彈性階段，可以分為線彈性和非線性彈性段，現(xiàn)行彈性段的斜率即為胡克定律中的彈性模量； 屈服階段，應(yīng)力波動(dòng)而應(yīng)變持續(xù)增加，對應(yīng)的應(yīng)力水平即為屈服強(qiáng)度； 強(qiáng)化階段，材料屈服一定時(shí)間后，其抵抗變形的能力開始增加，直到達(dá)到一最大值。該最大值即為抗拉強(qiáng)度； 局部變形階段，試樣的某一局部發(fā)生頸縮從而導(dǎo)致試樣的承載能力急劇下降，直至斷裂。,提示：并不是所有的塑性材料都有屈服平臺(tái)，對于這類材料，工程上常將產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)

14、所對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度。 4 通過拉伸實(shí)驗(yàn)獲得的材料力學(xué)性能 彈性模量E，屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，延伸率，斷面收縮率，泊松比。 提示：學(xué)習(xí)這部分以后，不但應(yīng)該掌握基本的概念和計(jì)算方法，還要了解低碳鋼的相應(yīng)性能參數(shù)的數(shù)量級(jí)。如彈性模量通常在200GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度在150400MPa等。,5 塑性材料與脆性材料的劃分 延伸率大于等于5%的稱為塑性材料，反之，稱為脆性材料。 提示：要求能夠舉例，低碳鋼，鑄鐵，銅，玻璃 6 脆性材料與塑性材料的變形特點(diǎn)差異 典型的塑性材料在拉伸和壓縮過程中可以分為四個(gè)階段，即彈性階段，塑性階段，強(qiáng)化階段和局部變形階段， 而脆性材料在拉伸過程中變形較小(5

15、%)，壓縮過程中塑性材料不會(huì)發(fā)生斷裂破壞，而脆性材料會(huì)發(fā)生斷裂，斷裂面通常與軸線呈45度。解釋原因.,7 溫度對材料力學(xué)性能的影響 常溫下，塑性材料塑性指標(biāo)和，隨溫度的升高而顯著增大，并隨溫度降低而減?。ǖ吞间撛?300前有相反的現(xiàn)象）；而材料強(qiáng)度指標(biāo)s、b和彈性模量E則隨溫度的升高而減小，并隨溫度的降低而增大（但低碳鋼在+300前，溫度升高時(shí)b增大，這是碳鋼的一種特殊情況）。 低溫對材料力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)為材料的塑性指標(biāo)隨溫度的降低而減小。當(dāng)溫度低于某一數(shù)值后，材料的塑性指標(biāo)將急劇下降，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧?，這一溫度稱為無延性轉(zhuǎn)變溫度（NDT）。 實(shí)例：titanic號(hào)失事事件。,8 蠕

16、變 應(yīng)力超過一定值（遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度）時(shí)，即使應(yīng)力值保持不變，材料的塑性變形也會(huì)隨著時(shí)間的延長而不斷增加，這種現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變變形是一種不可恢復(fù)的塑性變形。蠕變通常發(fā)生在高溫環(huán)境。 9 沖擊試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn)的目的是測試金屬材料的抗沖擊能力。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)試樣。測試結(jié)果稱為沖擊韌度，記為Ak。單位為J。 試樣缺口有U型和V型兩種.,10 硬度測試 硬度指材料抵抗異物入侵的能力。常用硬度有布氏硬度和洛氏硬度，分別記為HB和HRC、HRB和HRA。 11 疲勞破壞 長期處在交變應(yīng)力下工作的構(gòu)件，雖然其工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限，但也會(huì)出現(xiàn)突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。,12 循環(huán)特性及交變應(yīng)力的分類 循環(huán)特性是指交變應(yīng)力的最小值與最大值的比值。 據(jù)此交變應(yīng)力可以分為對稱循環(huán)，非對稱循環(huán)和脈動(dòng)循環(huán)。 提示：盡管交變應(yīng)力的類型很多，但是工程上通常都采用-1作為疲勞強(qiáng)度的基本數(shù)據(jù)，這是因?yàn)?1測試容易且在該條件下材料最容易發(fā)生疲勞破壞。,13 應(yīng)力集中 引起應(yīng)力集中常見的因素包括構(gòu)件的幾何形狀突變，材料變化等。 應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度用應(yīng)力集中系數(shù)來表示，,書后部分習(xí)題提示和答案,2-1(a) 提示1：該題主要考察同學(xué)們對三力平衡匯交定律的掌握程度 提示2：要求正確