化工设备机械基础课件

化工设备机械基础电话：Email：Page1绪论一、研究对象（为什么）化工机器及设备：反应器、换热器、塔器各种泵、压缩机、离心机带搅拌的反应釜静设备动设备及机器带运动的静设备Page2二、本课程的内容（1）工程力学基础：研究物体机械运动的规律及构件的受力、变形与破坏规律，进行强度、刚度计算（2）压力容器设计基础：研究化工容器及设备的类型、特点、设计计算方法（3）机械传动：几种典型常用传动装置的工作原理、失效形式、承载能力计算。机械通用零部件的设计方法。Page3三、目的要求具备对常见的典型的低中压化工设备和简单机械传动装置进行初步设计能力；掌握必备的机械知识。四、注意事项本课程是一门技术基础课Page4第一篇、工程力学基础力学：研究物体机械运动一般规律的科学历史(前287-212)杠杆平衡等规律墨翟(前468-382)“墨经”：力，重心Page5[意]伽利略(1564-1642)天文学家，力学家，哲学家加速度的概念加速度试验惯性原理[明]宋应星1637“天工开物”Page6[英]牛顿(1642-1727)物理学家,数学家,天文学家牛顿运动定律万有引力定律1687年出版的巨著“MathematicalPrinciplesofNaturalPhilosophy”

微积分学振动理论,运动稳定性理论,多刚体系统动力学Page7第一篇、工程力学基础一、构件：工程结构和机器的组成部分。按几何形状分为杆、板（壳）、体。二、对构件的力学要求强度（strength)：抵抗破坏的能力刚度(stiffness)：抵抗变形的能力稳定性(stability)：保持原有平衡形状的能力Page8三、本篇内容静力学:研究物体受力的简化及平衡条件（刚体）材料力学:研究变形杆件的强度、刚度和稳定性（变形体）根据实际问题抽象建立力学模型应用数学方法描述客观规律应用数学工具得到解决问题的方法研究方法Page9第一章、物体的受力分析和静力平衡方程§1静力学的基本概念§2约束和约束反力§3分离体和受力图§4平面汇交力系的简化与平衡§5平面力偶系的间化与平衡§6力的平移§7平面力系的简化合力矩定理§8平面力系的平衡方程问题：受力分析：几个力平衡条件：什么力大小方向作用点Page10一、力的的基本概概念力是物体体间的相相互机械械作用，，这种作作用使物物体的运运动状态态和形状状发生改改变。运动状态态改变———外效效应（静静力学））形状改变变——力力的内效效应（材材料力学学）力是一个个矢量力的三要要素：大大小、方方向、作作用点§1静静力学学的基本本概念FPage11力的分类类按作用方方式分为为：体积积力和表表面力Fq(x)q集中力分布力均布力均布载荷Page12二、刚体体的概念念理想化理想化分子的集集合看成连续续体看成刚体体看成质点点理想化Page13刚体：在在外力作作用下，，不发生生变形的的物体质点:集集中质量量的数学学模型。。它没有有大小，，但具有有质量。。Page14载人飞船船的对接接研究轨道道问题时时——质质点研究对接接问题时时——刚刚体Page15三、静力力学的公公理力系———作用在在物体上上的一群群力，称称为力系系。平衡力系系——如如果刚体体在某个个力系的的作用下下保持静静止或匀匀速直线线运动，，则称这这个力系系为平衡衡力系。。等效力系系——如如果作用用在刚体体上的一一个力系系能用另另一个力力系来代代替，而而不改变变对刚体体的作用用效果，，则这两两个力系系为等效效力系（（其中任任一个力力系是另另一个力力系的等等效力系系）。合力———如果一一个力和和一个力力系等效效，则称称这个力力是该力力系的合合力。Page16合力：与某力系系等效的的力FR：该力系系的合力(resultantforce)Fi（i=1,2,…n)：合力的的分力(componentforce)平衡力系系(equilibriumforcesystem):对刚体不产生任任何作用用效果的的力系。。作用在刚刚体上的的力系满满足什么么条件时时，物体体保持平平衡？Page17公理一（（二力平平衡公理理）作用于刚刚体上的的两个力力平衡的的充要条条件是：：两个力力大小相相等，方方向相反反，并作作用在同同一直线线上。注意：这这个公理理只适用用于刚体体。FFFFFF二力构件件Page18公理二（（加减平平衡力系系公理））在作用于于刚体上上的任何何一个力力系上，，添加或或除去一一个平衡衡力系，，并不改改变原力力系对刚刚体的作作用效应应。ABF1

ABF1

F1

F1＝BA

F1＝Page19推论（力力的可传传性）作用在刚刚体的任任何力，，可以沿沿其作用用线移至至刚体内内任意一一点，而而不改变变它对刚刚体的作作用效果果。注意：公理二二和力的可传传性也都只适适用于刚体而而不适用于变变形体。FF＝Page20公理三（作用用与反作用定定律）两物体间相互互作用的力，，总是大小相相等，方向相相反，分别作作用在这两个个物体上。Page21§1-2约束和约束反反力自由体(freebody):在空间可以自自由运动，而而获得任意位位移的物体。。非自由体(nonfreebody):位移受到某些些限制的物体体。约束(constraint):限制非自由体体运动的装置置和设施约束反力(constraintforce):约束对物体的的反作用力主动力(activeforce):主动引起物体体运动状态改改变和改变趋趋势的力（载载荷）Page22几种常见的约约束类型1.柔索约束束（柔绳、链链条、胶带构构成的约束））G约束反力的方方向与该约束限制制的物体的位移方向相反阻止沿柔索中中心线伸长Page23T1T2约束反力作用在接触点；约束反力方向沿绳索中心背离非自由体。柔索约束GT1T2Page242.理想光光滑面约束GGFN公切线公法线GFNPage25GGFNFF光滑面约束：约束反力通通过接触点沿沿公法线指向向非自由体。。Page263.圆柱铰链链约束A圆柱铰链圆柱铰链约束束：约束反力通通过销钉中心心，沿接触点点公法线方向向。通常用两两个正交分量量Fx和Fy来表示。AFxFyPage27铰支座：用圆圆柱铰链将一一个构件与底底座连接。分分为固定铰支支座和可动铰支座固定铰链支座座AAFyFxPage28可动铰支座可动铰支座：约束反力通过过销钉的中心心垂直于支承承面。AAFyPage29轴承约束径向轴承止推轴承FyFxFxFyFzPage30§3分离离体和受力图图研究对象———把所研究的的物体与周围围的物体分离离开（隔离体体或分离体））。受力图——在在分离体上加加全部所受之之力。受力图的画法法：1.根据题意意选取研究对对象，用尽可可能简明的轮轮廓把它单独独画出。2.画出分离离体所受的主主动力。3.在原来存存在约束的地地方按照约束束类型逐一画画出约束反力力。Page31ABCDO1O2例题：Page32(b)DABC例：画出AB杆的的受力图(a)ABCD解除约束原理理：人为地解除约约束后，必须须在接触点上用一个适适当的约束力力来代替约束束的作用Page33(a)(b)(d)(c)二力构件/二力杆Page34反之，当投影影Fx、Fy已知时，则可可求出力F的大小和方向向：§1–4力力的投影.合力投影定定理一、力在坐标标轴上的投影影：结论：力在某某轴上的投影影，等于力的的模乘以力与与该轴正向间间夹角的余弦弦。yb´a´abFOxBFxFyPage35由力矢F的始端A和末端B向投影平面面oxy引垂线，由由垂足A′到B′所构成的矢矢量A′B′，就是力在在平面Oxy上的投影记记为Fxy。即：注意：力在轴上投投影是代数数值。力在平面上上的投影是是矢量。二、力在平平面上的投投影：xyOA′B′ABFFxyPage36AF2F1(a)F3xF1F2FRF3ABCD(b)合力在任一一轴上的投投影等于它它的各分力力在同一轴轴上的投影影的代数和和。证明：以三个力组组成的共点点力系为例例。设有三三个共点力力F1、F2、F3如图。三、合力投投影定理：：Page37根据合力投投影定理得得合力的大小小()()()222222ååå++=++=zyxFFFFRxFRFRyFRz=+++=åFRxFRyFRzxnxxxFFFFL21å=+++=ynyyyFFFFL21å=+++=znzzzFFFFL21合力R的方向余弦弦FRyFRzFRxFFFzyxååå======gbacos

,

cos

,

cosFRFRFRFRFRFRPage38OAdBF一、力矩的定义义——力F的大小乘以以该力作用用线到某点点O间距离d，并加上适适当正负号号，称为力力F对O点的矩。简简称力矩。。§1–5力力矩矩力偶偶二、力矩的表达式:三、力矩的正负号规定：按右手规则，当有逆时针转动的趋向时，力F对O点的矩取正值。四、力矩的单位：与力偶矩单位相同，为N.m。Page39五、力矩的的性质：1、力沿作作用线移动动时，对某某点的矩不不变2、力作用用过矩心时时，此力对对矩心之矩矩等于零3、互成平平衡的力对对同一点的的矩之和等等于零4、力偶中中两力对面面内任意点点的矩等于于该力偶的的力偶矩Page40六、力矩的的解析表达达式yxOxyAB力对某点的的矩等于该该力沿坐标标轴的分力力对同一点点之矩的代代数和Page41F1F2d七、力偶偶和力偶矩矩1、力偶———大小相相等的二反反向平行力力。⑴、作用效效果：引起起物体的转转动。⑵、力和力力偶是静力力学的二基基本要素。。力偶特性二二：力偶只能用用力偶来代代替（即只只能和另一一力偶等效效），因而而也只能与与力偶平衡衡。力偶特性一一：力偶中的二二个力，既既不平衡，，也不可能能合成为一一个力。Page42工程实例Page432、力偶臂臂——力偶偶中两个力力的作用线线之间的距离离。3、力偶矩矩——力偶偶中任何一一个力的大大小与力偶臂臂d的乘积，加加上适当的正负负号。F1F2d力偶矩正负负规定：若力偶有使使物体逆时时针旋转的的趋势，力力偶矩取正正号；反之之，取负号号。量纲：力××长度，牛牛顿•米（（N•m））.FdM±=Page44八、力偶的的等效条件件同平面上力力偶的等效效条件FdFd因此，以后后可用力偶偶的转向箭箭头来代替替力偶。=作用在刚体体内同一平平面上的两两个力偶相相互等效的充要条条件是二者者的力偶矩矩代数值相相等。Page451、概念：：用来表示力力偶矩的大大小、转向向、作用面面的有向线线段。2、力偶的的三要素：：(1)、力力偶矩的大大小。(2)、力力偶的转向向。(3)、力力偶作用面面的方位。。3、符号：：m九、力偶矩矩矢FFmPage464、力偶矩矩矢与力矢矢的区别力偶矩矢是是自由矢量量，而力矢矢是滑动矢矢量。指向人为规规定，力矢矢指向由本本身所决定定。5、力偶等等效定理又又可陈述为为:力偶矩矢相相等的两个个力偶是等等效力偶。。Page47十、力对点点的矩与力力偶矩的区区别：相同处：力力矩的量纲纲与力偶矩矩的相同。。不同处：力力对点的矩矩可随矩心心的位置改改变而改变，但一个个力偶的矩矩是常量。。联系：：力偶中的的两个力对对任一点的的矩之和是是常量，等于于力偶矩。。Page48§3–2FAOdFAOdMAO==把力F作用线向某某点O平移时，须须附加一个个力偶，此此附加力偶偶的矩等于于原力F对点O的矩。证明：一、力线平平移定理：：§1–6力力的平移移()FmFdM0==Page49二、几个性性质：1、当力线线平移时，，力的大小小、方向都都不改变，，但附加力力偶的矩的的大小与正正负一般要要随指定O点的位置的的不同而不不同。2、力线平平移的过程程是可逆的的，即作用用在同一平平面内的一一个力和一一个力偶，，总可以归归纳为一个个和原力大大小相等的的平行力。。3、力线平平移定理是是把刚体上上平面任意意力系分解解为一个平平面共点力力系和一个个平面力偶偶系的依据据。Page50Page51§1––7平平面力力系的的简化化•合力矩矩定理理

A3OA2A1F1F3F2l1Ol2l3LOO==应用力力线平平移定定理，，可将将刚体体上平平面任任意力力系中中各个个力的的作用用线全全部平平行移移到作作用面面内某某一给给定点点O。从而而这力力系被被分解解为平平面共共点力力系和和平面面力偶偶系。。这种种变换换的方方法称称为力力系向向给定定点O的简化化点点O称为简简化中中心。。一、力力系向向给定定点O的简化化Page52共点力力系F1、F2、F3的合成成结果果为一一作用用点在在点O的力FR。这个个力矢矢FR称为原原平面面任意意力系系的主主矢。。附加力力偶系系的合合成结结果是是作用用在同同平面面内的的力偶偶，这这力偶偶的矩矩用MO代表，，称为为原平平面任任意力力系对对简化化中心心O的主矩矩。321321FFFFFFFR++=¢+¢+¢=¢()()()3210FmFmFmM1+M2+M3Mooo++==Page53结论：：平面任任意力力系向向面内内任一一点的的简化化结果果，是是一个个作用用在简简化中中心的的主矢矢；和和一个个对简简化中中心的的主矩矩。推广广：：平面面任任意意力力系系对对简简化化中中心心O的简简化化结结果果主矩矩：：主矢矢：：()()()()å=+++=FmFmFmFmMonoooL210FFFFFRnå=+++=¢L21Page54二、、几几点点说说明明：：1、、平平面面任任意意力力系系的的主主矢矢的的大大小小和和方方向向与与简简化化中中心心的的位位置置无无关关。。2、、平平面面任任意意力力系系的的主主矩矩与与简简化化中中心心O的位位置置有有关关。。因因此此，，在在说说到到力力系系的的主主矩矩时时，，一一定定要要指指明明简简化化中中心心。。Page55Page56方向向余余弦弦：：2、、主主矩矩Lo可由由下下式式计计算算：：三、、主主矢矢、、主主矩矩的的求求法法：：1、主矢矢可可接接力力多多边边形形规规则则作作图图求求得得，，或或用用解解析析法计计算算。。()()2222åå+=+=yxFFFRxFRFRx()()Fxxå=,cosFRFR()()Fyyå=,cosFRFR()()()()å=+++=FmFmFmFmMonoooL210Page57ORMo

AFRFR”FR’=1、、FR=0，，而而MO≠0，，原原力力系系合合成成为为力力偶偶。。这这时时力力系系主主矩矩MO不随简简化中中心位位置而而变。。2、MO=0，，而FR≠0，，原力力系合合成为为一个个力。。作用用于点点O的力FR就是是原力力系的的合力力。3、FR≠0，MO≠0，，原力系系简化化成一一个力力偶和和一个个作用用于点点O的力。。这时时力系系也可可合成成为一一个力力。说明如如下：：简化结结果的的讨论论MOOFRORMo

AFR”=()FmFRMAOå==00FRPage58综上所所述，，可见见：4、FR=0，而MO=0，原力力系平平衡。。⑴、平平面任任意力力系若若不平平衡，，则当当主矢矢主矩矩均不不为零零时，，则该该力系系可以以合成成为一一个力力。⑵、平平面任任意力力系若若不平平衡，，则当当主矢矢为零零而主主矩不不为零零时，，则该该力系系可以以合成成为一一个力力偶。。Page59平面任任意力力系的的合力力对作作用面面内任任一点点的矩矩，等等于这这个力力系中中的各各个力力对同同一点点的矩矩的代代数和和。合力矩矩定理理yxOxyAB()()å=FmFRmoo()()()yoxooFmFmFm+=()xxoyFFm-=()yyoxFFm=Page60F1F2F3F4OABC

xy2m3m30°60°例题1-4在长方方形平平板的的O、A、