化工设备机械基础-总复习课件

化工设备机械基础第一章静力分析第二章直杆的拉伸与压缩第三章直梁的弯曲第四章应力状态与强度理论第五章化工设备用材料第六章化工设备设计概论第七章内压薄壁容器的应力分析第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计第九章外压薄壁圆筒与封头的设计第十章容器零部件第十一章塔设备设计第一章静力分析（刚体）1.力的概念及性质：力：物体之间的相互机械作用；效应：运动状态发生改变；产生变形。力的成对性(作用力与反作用力)；二力平衡条件（二力构件及二力杆）；力的可传性；

力的可合性和可分解性（三力汇交平衡定理）；2.约束与约束反力柔软体、光滑面、圆柱铰链支座（固定，活动）、固定端3.受力图取分离体(分析对象)，解除约束，在被约束处代之以约束反力；画上主动力。第一章静力分析（刚体）4.平面汇交力系的平衡条件－解析法4.1合力投影定理：力系的合力在某一轴上的投影，等于该力系中的各力在同一轴上投影的代数和。

4.2平面汇交力系平衡的充要条件是合力为零：

∑Fx=0&∑Fy=04.3平面汇交力系平衡问题的求解步骤：⑴根据题意，选取适当的构件作为研究对象，并解除约束，使之成为分离体，分离体可以为一个构件，也可以是几个构件的组合，甚至是整个物体。⑵对分离体进行受力分析，正确画出受力图。【注意】根据约束的性质确定约束反力的方向，若约束反力的指向预先不能确定可以任意假定，然后再根据计算结果的正或负值，确定约束反力的实际指向，要会判断，要注意作用力与反作用力的关系，会正确运用三力平衡汇交定理。⑶建立坐标系，列平衡方程。坐标轴选取时应使投影计算方便，一般应使坐标轴与较多的力平行或垂直。平衡方程最好只含一个未知量，以避免解联立方程。第一章静力分析（刚体）6.平面一般力系的合成与平衡条件力的平移定理：作用在物体上某点的力，可以平行移动到该物体上的任意一点A，但必须同时附加一个力偶，这个附加力偶的力偶矩等于原力对点A之矩。平衡条件：主矢和力系对其作用面内任一点的主矩均为零

基本形式：∑Fx=0，∑Fy=0，∑Mo(F)=0二矩式方程：∑Fx=0，∑MA=0，∑MB=0［注意］A、B是平面内的任意两个点，但A、B两点的连线不能垂直于x轴。三矩式方程：∑MA=0，∑MB=0，∑MC=0［注意］A、B、C是平面内不共线的三个任意点。第一章静力分析（刚体）［例题］图示结构由曲梁ABCD及杆CE、BE和GE构成，A、B、C、E、G均为铰接。已知F=20kN，均布载荷q=10kN／m，M=20kN·m，a=2m。试求A、G处的反力及杆BE、CE所受之力。分析：未知数与平衡方程数BE与CE为二力杆第一章静力分析（刚体）解:(1)分别取ABCD与GE为分离体，画出图示受力图；(2)列平衡方程：∑MA=0∑MG=0联立方程组求解可得BE、CE受力构件ABCD列力平衡方程可求A点约束反力∑Fx=0∑Fy=0构件GE列力平衡方程可求G点约束反力∑Fx=0∑Fy=0第二章拉伸与压缩(变形体－杆)3.轴向拉压时的应力应力：就是指作用在单位面积上的内力值，它表示内力在某点处的集度。（N／m2）＝帕(Pa)、兆帕（MPa）

正应力：垂直于横截面的应力分量，用σ表示；拉为正剪应力：平行于横截面的应力分量，用τ表示。顺时针为正4.拉压时的强度条件

强度校核设计截面尺寸确定许可载荷第二章拉伸与压缩(变形体－杆)5.虎克定律基本形式：直杆受轴向拉伸或压缩时，若其横截面上的应力未超过某一限度时，则纵向应变与正应力成正比

σ=Eε

导出形式：弹性范围内，直杆受轴向拉伸或压缩时，则直杆的绝对变形与轴力及杆长成正比，而与杆的横截面面积A成反比。第二章拉伸与压缩(变形体－杆)6.低碳钢拉伸机械性能曲线弹性阶段：比例极限σp；弹性极限σe

屈服阶段：屈服极限，σs

强化阶段：强度极限σb

颈缩阶段

7.

低碳钢主要机械性能强度指标屈服极限σs强度极限σb弹性指标：E塑性指标材料的延伸率δ

断面收缩率ψ

第三章弯曲(梁)2.梁的内力剪力：截面被剪断的趋势，剪力大小等于这个截面之左（或右）所有外力的代数和；弯矩：梁的横截面产生转动而弯曲的趋势，梁的任一截面之左（或右）所有外力（包括力偶）对该截面形心之矩的代数和。【重点强调】一般在所求内力的横截面上把内力（Q、M）假设为正号。如果计算结果为正值，则表示假设的内力方向（转向）是正确的，求得的Q、M即为正的剪力和正的弯矩。第三章弯曲(梁)典型力学参量中的符号规定第三章弯曲(梁)3.梁的剪力图与弯矩图剪力图：描绘剪力Q沿梁轴线x变化规律的图形；弯矩图：描绘弯矩M沿梁轴线x变化规律的图形。剪力图与弯矩图的做法：求梁的支座反力；分段列出剪力方程和弯矩方程；画图：选择适当的比例尺，以横截面位置x为横坐标，以剪力Q或弯矩M为纵坐标，按所列方程分段画出Q图或M图。[规定]一般将正的剪力或正的弯矩画在x轴的上方，负的剪力或负的弯矩画在x轴的下方。第三章弯曲(梁)4.梁的弯曲应力三个假设

⑴平面截面假设：梁变形前横截面是平面，变形后仍保持为平面，且仍然垂直于变形后的梁轴线，只是绕截面内的某一轴线旋转了一个角度。它是建立梁横截面上正应力计算式的基础。

⑵纤维互不挤压假设：纵向纤维只受到轴向拉伸或压缩，它们之间没有相互挤压，梁的横截面上只产生拉应力或压应力，而无剪应力。由于拉（压）应力都垂直于横截面，故为正应力。

⑶纵向纤维的变形（伸长或缩短）与它到中性层的距离有关，在横截面的同一高度处，梁的纵向纤维的变形是相同，与它在横截面宽度上的位置无关。弯曲应力公式第三章弯曲(梁)5.梁的截面惯性矩惯性矩与横截面的几何形状和尺寸有关，反映横截面的几何性质

矩形截面：圆形截面：平行移轴定理：截面对任一轴的惯性矩，等于它对平行于该轴的形心轴的惯性矩，再加上该截面面积与两轴间距离平方的乘积。Iz1=Iz+a2A

组合截面：组合截面对某轴的惯性矩等于组成它的各个简单截面对同一轴的惯性矩之和

第三章弯曲(梁)6.梁的弯曲强度公式7.梁的弯曲要解决的三类问题

强度校核确定梁的截面形状、尺寸计算梁的许可载荷首先进行静力分析，求解约束反力；其次内力分析画出正确的剪力图和弯矩图，确定危险截面；求解危险截面的最大弯曲应力；利用弯曲强度条件（或其公式的变形）求解问题。第四章应力状态和强度理论3.强度理论材料破坏的主要形式

脆性断裂：材料在未产生明显塑性变形的情况下，就突然断裂

塑性屈服：在材料的应力达到屈服极限后，就会产生明显的塑性变形，以致构件不能正常工作

四种强度理论

最大拉应力理论：材料发生脆性断裂的主要因素是最大拉应力σ1≤[σ]

最大拉应变理论：材料发生脆性断裂的主要因素是最大拉应变ε1≤[ε]最大剪应力理论：材料发生塑性屈服破坏的是最大剪应力

τmax≤[τ]第四强度理论：材料发生塑性屈服破坏的主要是形状改变比能

第五章化工设备用材料1.材料的性能

机械性能：抵抗外力而不产生超过允许变形或不被破坏的能力强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性

屈服点、抗拉强度、蠕变强度、持久强度、疲劳强度

塑性：在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力

延伸率、断面收缩率

硬度：金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）

冲击韧性：材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力（动载）缺口敏感性：在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力，属于材料的韧性范畴。（静载）

物理性能：热膨胀性(α)、弹性模量(E)、泊松比(µ)

第五章化工设备用材料2.钢材的牌号及表示方法牌号表示原则：国家标准规定，牌号中的化学元素用化学符号或汉字表示，产品的用途、冶炼和浇注方法采用汉字或拼音字母并用的原则；20g、20R、16MnR、15CrMoR、1Crl8Ni9Ti、16MnDR

第六章化工设备设计概述2.我国压力容器设计常用的法规和标准《特种设备安全监察条例》2003年国务院颁布实施《压力容器安全技术检查规程》－1999版《钢制压力容器》GB150－1998《钢制化工容器制造技术条件》3.容器机械设计的基本要求

强度、刚度、稳定性、

耐久性、密封性、节省材料和便于制造、方便操作和便于运输、技术经济指标合理4.容器零部件的标准化公称直径钢板卷制的筒体和成形封头：公称直径是指它们的内径；无缝钢管作筒体和封头：容器的公称直径是指无缝钢管的外径钢管：公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管子外径的一个数值。

公称压力：规定的标准压力等级0.1、0.25、0.4、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4

第七章内压薄壁容器的应力分析1.内压薄壁圆筒的应力分析薄壁容器：S/Di≤0.1或K=DO/Di≤1.2环向应力：当其承受内压力P作用以后，其直径要稍微增大，故筒壁内的“环向纤维”要伸长，因此在筒体的纵向截面上必定有应力产生，此应力称为环向应力，以σθ表示。经向(轴向)应力：容器两端是封闭的，在承受内压后，筒体的“纵向纤维”也要伸长，则筒体横向截面内也必定有应力产生，此应力称为经向（轴向）应力，以σm表示。

第七章内压薄壁容器的应力分析2.回转壳体的应力分析2.2基本假设⑴小位移假设：壳体受力以后，各点的位移都远小于壁厚。壳体变形后可以用变形前的尺寸来代替。变形分析中的高阶微量可以忽略不计。⑵直法线假设：壳体在变形前垂直于中间面的直线段，在变形后仍保持直线，并垂直于变形后的中间面。变形前后的法向线段长度不变，沿厚度各点的法向位移均相同，变形前后壳体壁厚不变。⑶不挤压假设：壳体各层纤维变形前后相互不挤压。壳壁法向（半径方向）的应力与壳壁其他应力分量比较是可以忽略的微小量，其结果就变为平面问题。

第七章内压薄壁容器的应力分析2.回转壳体的应力分析2.3区域平衡方程式(经向应力)

2.4微体平衡方程式(环向应力)2.5薄膜理论的适用条件：壳体是轴对称的，即几何形状、材料、载荷的对称性和连续性，同时需保证壳体应具有自由边缘。

第七章内压薄壁容器的应力分析3.薄膜理论的应用3.1受气体内压的圆筒形壳体3.2受气体内压的球形壳体3.3受气体内压的椭球壳

第七章内压薄壁容器的应力分析3.薄膜理论的应用3.4受气体内压的锥形壳体3.5承受液体内压作用的圆筒壳

第七章内压薄壁容器的应力分析3.边缘应力联接边缘附近的横截面内，除作用有轴（经）向拉伸应力外，还存在着轴（经）向弯曲应力，必须用有力矩理论来求解边缘应力的特点局部性

自限性

第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计1.弹性失效设计准则弹性失效准则容器上任一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σs，容器即告失效（指容器失去正常的工作能力）。σ当<σs

强度安全条件为保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系。

2.强度理论对应的强度条件（薄壁圆筒）第一强度理论的强度条件

第三强度理论的强度条件

【备注】压力容器采用塑性材料制造，我国压力容器设计采用第一强度理论。

第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计2.内压圆筒和球壳强度计算公式第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计3.设计参数的确定3.1压力最高工作压力Pw：正常工况下，容器顶部可能达到的最高压力；设计压力Pd：指设定的容器顶部的最高工作压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得小于最高工作压力。整台设备的载荷条件。容器上装安全阀时：取P≤1.05Pw－1.1Pw单个容器不装安全泄放装置：取等于或略高于Pw外压容器：取不小于在正常操作工况下可能产生的内外压差计算压力Pc：在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力，当液柱静压力小于5％设计压力时可忽略不计。3.2设计温度：指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度

第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计3.设计参数的确定3.3许用应力[σ]极限应力：屈服点σs、抗拉强度σb、蠕变强度、持久强度安全系数3.4焊缝系数⑴焊缝区强度降低的原因：焊接焊缝时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构性约束造成焊接内应力过大等。⑵焊缝系数的影响因素：焊接接头的型式和无损检测的比例。双面焊全焊透结构对接接头：100％探伤=1.0；局部探伤=0.85。单面焊的对接接头：100％探伤=0.9；局部探伤=0.8。第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计3.设计参数的确定3.5壁厚附加量C=Cl+C2

厚度的负偏差C1

腐蚀裕量C2

4.容器的壁厚计算壁厚(S)，设计壁厚(Sd)，名义壁厚(Sn)和有效壁厚(Se)

最小壁厚：压力很低的容器，按强度公式计算出的壁厚很小，不能满足制造、运输和安装时的刚度要求，需规定一最小壁厚。第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计4.压力试验及其强度校验压力试验目的：检验容器宏观强度和有无渗漏现象试验压力液压试验压力：气压试验压力：立式容器卧置作液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力pT加液柱静压力；

压力试验时的强度校核液压试验

气压试验第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计【例】一锅炉汽包，Di=1300mm，Pw=15.6MPa，装有安全阀，设计温度为350℃，材质为18MnMoNbR，采用双面对接焊缝，100％探伤，试确定汽包的壁厚Sn并进行水压试验校核。解：⑴确定设计参数P=1.1Pw=1.1×15.6=17.16MPa，Di=1300mm，[σ]t=190MPa=1.0，取C2=1mm。⑵计算壁厚C=C1+C2=1.5+1=2.5mm61.5+C=64mm向上圆整取厚度为Sn=65mm的18MnMoNbR钢板。⑶校核水压试验强度Se=Sn-C=65-2.5=62.5mm，σs=410MPa

MPa而0.9σs=0.9×410=369MPa，故有σT<0.9σs

第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计5.内压封头的设计承载能力：半球形封头>标准椭圆形封头>碟形封头>无折边球形封头第九章外压圆筒及封头设计1.外压容器的失稳外压容器：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。应力特点：容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经向和环向压缩应力，按照薄膜应力理论来求解；失效类型：强度破坏很少，多数外压圆筒在筒壁内的压缩应力远低于材料的屈服点时，筒壁就被突然压瘪或发生褶绉。弹性失稳：外压作用下突然失去原来形状，应力也由失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的复杂的附加应力。2.容器失稳型式的分类侧向失稳、轴向失稳、局部失稳

第九章外压圆筒及封头设计3.临界压力定义：导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力，Pcr

影响临界压力的因素筒体几何尺寸：L（计算长度）、S/D、L/D筒体的材料：E、μ筒体椭圆度和材料不均匀4.外压圆筒的分类长圆筒：Pcr仅与Se/D0有关，而与L/D0无关；失稳波数为2

短圆筒：Pcr与Se/D0、L/D0也有关，失稳波数n>2

刚性圆筒：圆筒的L/D0较小，而Se/D0较大，故刚性较好［注］长圆筒或短圆筒，要同时进行强度计算和稳定性校验，后者更重要。

第九章外压圆筒及封头设计5.临界压力计算公式钢制长圆筒钢制短圆筒刚性圆筒临界长度长、短圆筒临界长度短、刚性圆筒临界长度第九章外压圆筒及封头设计6.外压圆筒的工程设计设计准则许用压力根据GBl50－98《钢制压力容器》的规定，对圆筒、锥壳取m=3.0，球壳、椭圆形和碟形封头取m=15。

设计准测：使设计压力p≤[p]，并接近[p]第九章外压圆筒及封头设计7.外压圆筒壁厚设计的图算法第九章外压圆筒及封头设计图算法具体步骤（以薄壁D0/Se≥20为例）①假设Sn，令Se=Sn-C，而后定出比值L/D0和D0/Se；②由L/D0和D0/Se查取系数A若L/D0＞50，用L/D0=50查图，若L/D0＜0.05，用L/D0=0.05查图；③根据所用材料选用合适的A-B图由A查取B④计算许用外压力[p]：(MPa)若A值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状态，则用下式计算许用外压力[p]：(MPa)⑤比较p与[p]，若p＞[p]，则需重新假设Sn，重复上述步骤直至[p]大于且接近于p为止。第十章压力容器零部件1.法兰联接结构与密封原理法兰联接结构：联接件(螺栓、螺母)、被联接件(法兰)、密封元件(垫片)

密封口泄漏途径：一是垫片渗漏，二是压紧面泄漏。

法兰密封的原理

预紧密封比压：形成初始密封条件时加在垫片上的最小压紧应力工作密封比压：发生临界泄漏时作用在垫片上的剩余压紧应力

第十章压力容器零部件2.法兰的结构与分类按法兰接触面分类：宽面法兰、窄面法兰按法兰与设备或管道的联接方式分类整体法兰：平焊法兰、对焊法兰活套法兰螺纹法兰

第十章压力容器零部件3.法兰密封的影响因素螺栓预紧力压紧面(密封面)：平面型、凹凸型、榫槽型、锥形、梯形槽垫片性能：垫片材料和结构法兰刚度操作条件：操作压力、操作温度4.法兰标准及选用

4.1法兰标准：压力容器法兰、管法兰压力容器平焊法兰：甲型(JB/T4701-2000)、乙型(JB/T4702-2000)

压力容器法兰的尺寸：法兰公称直径DN：与法兰相配的筒体或封头的公称直径

公称压力PN：在规定设计条件下，在确定法兰结构尺寸时所采用的设计压力。0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0和6.4MPa第十章压力容器零部件4.法兰标准及选用4.1法兰标准：压力容器法兰、管法兰确定法兰尺寸的计算基础与最高许用工作压力：设计温度是200℃、规定法兰材料是16MnR或16Mn锻件;[Pw]4.2压力容器法兰的选用步骤⑴根据容器的Di（DN）和设计压力为p，参照教材P168表12-2确定法兰的结构类型；⑵根据选定的法兰类型和容器的设计压力、设计温度以及法兰材料，用表12-3确定法兰的公称压力。然后将所确定的公称压力和公称直径用表12-2复核一下该PN与DN是否在所选定的法兰类型包容的范围之内。⑶根据所确定的PN与DN从相应的尺寸表中选定法兰各部分的尺寸。第十章压力容器零部件【法兰选用举例】为一台精馏塔塔节选配法兰。该塔内径Di=1000mm，δn=4mm，操作温度280℃，设计压力p=0.2MPa，法兰材料可用20R，也可用16MnR，试分别确定使用这两种材料时法兰的类型和尺寸。⑴确定法兰类型根据DN=1000mm，p=0.2MPa，按表12-2可知应选用甲型平焊法兰。⑵确定法兰的公称压力：根据p=0.2MPa，t=280℃，查表12-3法兰材料用20R，当取PN＝0.25MPa时，300℃的[p]=0.15MPa，满足不了p=0.2MPa的需要，所以法兰的PN应提高一个等级，确定法兰的公称压力PN＝0.6MPa，300℃的[p]=0.36MPa，可以满足要求。法兰材料用16MnR，PN=0.25MPa时，300℃的[p]=0.21MPa，能满足p=0.2MPa的需要，所以法兰材料选用16MnR时，法兰的公称压力为PN=0.6MPa。⑶确定法兰的结构尺寸根据DN＝1000mm，PN＝0.6MPa和PN＝0.25MPa查相应表确定材料为20R和16MnR时法兰各部分的尺寸。第十章压力容器零部件5.容器支座5.1卧式容器支座：鞍座、圈座和支腿

5.2卧式容器载荷分析①压力②储罐重量③物料重量量；④其他载荷－雪、风、地震等

跨中支座第十章压力容器零部件5.容器支座5.3筒体的轴向应力计算跨中截面的最高点：(MPa)跨中截面的最低点：(MPa)支座有效截面的最高点处：筒体支座截面的最低点处：5.4鞍座的选用首先根据鞍座实际承载的大小，确定选用轻型（A型）或重型（BI，BII，BIII，BIV，BV型)鞍座；再根据容器圆筒强度确定选用1200或1500包角的鞍座。

第十章压力容器零部件6.开孔补强6.1开孔应力集中现象及其原因应力集中：容器开孔之后孔边附近的局部区域应力增长的现象产生原因：开孔接管处需要变形协调产生了附加内力6.2补强设计原则等面积补强法的设计原则塑性失效补强原则：极