化工设备设计基础

化工设备设计基础第1页，课件共122页，创作于2023年2月本章参考书目1、《理论力学》上册，哈尔滨工业大学理论力学教研室，高等教育出版社2、《材料力学》上册，刘鸿文主编，高等教育出版社3、《工程力学》，朱熙然主编，上海交通大学出版社4、《金属材料及热处理》，史美堂主编，上海科学技术出版社5、《金属工业学》上册，范全福主编，高等教育出版社6、《化工机械制造》，第八章、第九章，姚慧珠、郑海泉编，化学工业出版社第2页，课件共122页，创作于2023年2月理论力学：研究物体机械运动一般规律材料力学：研究构件承载能力构件承受荷载能力衡量：

1．强度：构件抵抗破坏的能力

2．刚度：构件抵抗变形的能力

3．稳定性：构件保持原有平衡形态能力第3页，课件共122页，创作于2023年2月1.1物体的受力分析及其平衡条件1.1.1力的概念

1．刚体与变形体

2．力是物体间相互的机械作用力的运动效应，由理论力学研究力的变形效应，由材料力学研究力的三要素：大小，方向，作用点。第4页，课件共122页，创作于2023年2月1.1.2力学公理

1、作用与反作用定律2、二力平衡定律二力构件和二力杆3、加减平衡力系定律4、力的平行四边形法则5、刚化原理：平衡的变形体刚化为刚体，则平衡状态保持不变。第5页，课件共122页，创作于2023年2月1.1.3力矩与力偶1.3.1.1力矩合力矩定理第6页，课件共122页，创作于2023年2月1.1.3.2.力偶特征：1、是一个基本的力学量，不能与一个力平衡，力偶只能与力偶平衡。2、力偶对作用面内任一点之矩与矩心的位置无关，恒等于力偶矩。3、同平面内两力偶等效是力偶矩相等。第7页，课件共122页，创作于2023年2月1.1.3.3

力的平移第8页，课件共122页，创作于2023年2月1.1.4平面一般力系向一点的简化第9页，课件共122页，创作于2023年2月1.1.5物体的受力分析1.1.5.1约束和约束反力自由体和非自由体约束和约束反力：方向，作用点，大小主动力（促使运动）和被动力第10页，课件共122页，创作于2023年2月柔性体约束（柔索约束）

绳索，传动带，链条等，忽略刚性，不计重力，绝对柔软且不可伸长特点：只受拉，不受压，不能抗拒弯矩，限制物体沿柔性体伸长的方向运动。第11页，课件共122页，创作于2023年2月第12页，课件共122页，创作于2023年2月第13页，课件共122页，创作于2023年2月光滑接触面（线）约束

特点：只受压，不受拉，沿接触点处的公法线而指向物体，一般用N表示。又叫法向反力。

忽略摩擦，理想光滑。第14页，课件共122页，创作于2023年2月第15页，课件共122页，创作于2023年2月铰链约束

第16页，课件共122页，创作于2023年2月（1）固定铰链支座约束

第17页，课件共122页，创作于2023年2月第18页，课件共122页，创作于2023年2月第19页，课件共122页，创作于2023年2月第20页，课件共122页，创作于2023年2月（2）活动铰链支座约束第21页，课件共122页，创作于2023年2月固定端约束第22页，课件共122页，创作于2023年2月第23页，课件共122页，创作于2023年2月第24页，课件共122页，创作于2023年2月1.1.6受力图例1-1．某化工厂的卧式容器，容器总重量(包括物料、保温层等)为Q，全长为L，支座B采用固定式鞍座，支座C采用活动式鞍座。试画出容器的受力图。第25页，课件共122页，创作于2023年2月例1-2．

焊接在钢柱上的三角形钢结构管道支架，上面铺设三根管道，试画出结构整体及各构件的受力图。第26页，课件共122页，创作于2023年2月例1-3刚架自身重力不计，AC上作用载荷，画出AC、BC及刚架整体的受力图

第27页，课件共122页，创作于2023年2月1.1.6画受力图的步骤：(1)简化结构，画结构简图；

(2)选择研究对象，画出作用在其上的全部主动力；(3)根据约束性质，画出作用于研究对象上的约束反力。第28页，课件共122页，创作于2023年2月1.1.7平面力系的平衡方程式平面力系平衡的必要与充分条件：力系的主矢和对任一点的主矩都等于零。

第29页，课件共122页，创作于2023年2月例1-4梁AB，长L=6m，A、B端各作用一力偶，m1=15kN.m，m2=24kN.m，转向如图所示，求支座A、B的反力。

第30页，课件共122页，创作于2023年2月例1-5直杆AB与弯杆BC铰接，已知AB杆上有一力偶矩为M的力偶作用，各杆重力不计。求支座A、C处的约束反力。

第31页，课件共122页，创作于2023年2月例1-6刚架所受荷载、尺寸及支承情况见图，求支座A及B处的反力。

第32页，课件共122页，创作于2023年2月例1-7悬臂梁AB作用有均布荷载q，在自由端还受一集中力和一力偶矩为m的力偶作用，梁长度为L。求固定端A的约束反力。

第33页，课件共122页，创作于2023年2月1.2直杆的拉伸和压缩1.2.1对变形固体作的三个假设连续性假设均匀性假设各向同性假设

第34页，课件共122页，创作于2023年2月第35页，课件共122页，创作于2023年2月1.2.2杆件基本变形1、拉伸、压缩2、弯曲3、剪切4、扭转第36页，课件共122页，创作于2023年2月拉伸与压缩扭转弯曲第37页，课件共122页，创作于2023年2月1.2.3工程实例第38页，课件共122页，创作于2023年2月1.2.4拉伸和压缩时横截面上的内力1、概念：附加内力，简称内力2、截面法轴力，拉为正，压为负第39页，课件共122页，创作于2023年2月截面法步骤1、在需要求内力处假想用一横截面将构件截开，分成两部分；

2、以任一部分为研究对象；

3、在截面上加上内力，以代替另一部分对研究对象的作用

4、写出研究对象的平衡方程式，解出截面上的内力。第40页，课件共122页，创作于2023年2月1.2.5拉伸和压缩时横截面上的应力1、应力正应力σ，剪应力τ第41页，课件共122页，创作于2023年2月第42页，课件共122页，创作于2023年2月应力集中这种在截面突变处应力局部增大的现象称为应力集中

第43页，课件共122页，创作于2023年2月例2-1求截面1-1，2-2，3-3上的轴力和应力，画轴力图，已知A=400mm2。

轴力图第44页，课件共122页，创作于2023年2月四、应变的概念绝对变形Δu，线应变或应变：γ为剪应变或角应变，弧度线应变ε由正应力σ决定剪应变γ由剪应力τ决定。平均应变第45页，课件共122页，创作于2023年2月杆件受拉伸或压缩时的应变绝对伸长ΔL，相对伸长或线应变第46页，课件共122页，创作于2023年2月1.2.6拉伸和压缩时材料的力学性能一、拉伸和压缩试验室温、静载（缓慢加载）、小变形等条件金属标准试件，圆截面长试件标距L=10d；短试件L=5d，d=10mm。第47页，课件共122页，创作于2023年2月二、低碳钢的拉伸实验及其力学性能第48页，课件共122页，创作于2023年2月第49页，课件共122页，创作于2023年2月1、弹性变形阶段、虎克定律OA,比例极限σP(弹性极限),Q235-A200MPaEA抗拉刚度E弹性模量，低碳钢E=(2.0-2.1)x105MPa第50页，课件共122页，创作于2023年2月横向变形横向线应变ν横向变形系数或泊松比第51页，课件共122页，创作于2023年2月第52页，课件共122页，创作于2023年2月2、屈服阶段、屈服极限σS

名义屈服极限σ0.2：

0.2%的塑性应变所对应的应力滑移线或剪切线Q235-AσS=235MPa第53页，课件共122页，创作于2023年2月3、强化阶段、强度极限σb

Q235-Aσb=375-500MPa第54页，课件共122页，创作于2023年2月4、颈缩阶段（局部变形阶段）（1）延伸率δ≥5%为塑性材料；δ<5%为脆性材料。低碳钢：20-30%，铸铁：1%（2）截面收缩率ψ低碳钢：60%第55页，课件共122页，创作于2023年2月反映材料力学性能的主要指标：强度性能：抵抗破坏的能力，用σs和σb表示弹性性能：抵抗弹性变形的能力，用E表示塑性性能：塑性变形的能力，用延伸率δ和截面收缩率ψ表示第56页，课件共122页，创作于2023年2月三、铸铁拉伸的应力-应变图灰铸铁σb=205MPa第57页，课件共122页，创作于2023年2月四、低碳钢压缩的应力-应变图第58页，课件共122页，创作于2023年2月五、铸铁压缩的应力-应变图受压第59页，课件共122页，创作于2023年2月塑性材料和脆性材料机械性能的主要区别

1．塑性材料在断裂时有明显的塑性变形；而脆性材料在断裂时变形很小；2．塑性材料在拉伸和压缩时的弹性极限、屈服极限和弹性模量都相同，它的抗拉和抗压强度相同。而脆性材料的抗压强度远高于抗拉强度，因此，脆性材料通常用来制造受压零件。第60页，课件共122页，创作于2023年2月第61页，课件共122页，创作于2023年2月六、温度对材料力学性能的影响1、高温的影响（1）高温对短期静载试验的影响第62页，课件共122页，创作于2023年2月（2）高温对长期加载的影响碳钢超过200度，外力不变，但变形随时间的延续而不断增长，不可恢复。蠕变条件：高温和应力2、低温对材料力学性能的影响低碳钢的弹性极限和屈服极限有所提高，但延伸率降低，变脆第63页，课件共122页，创作于2023年2月截面突变（如阶梯轴）和轴力突变，应将杆件在截面突变处和轴力突变处分断，分别求出各段的变形，再相加，得到总体变形。

七、虎克定律的应用第64页，课件共122页，创作于2023年2月当截面尺寸和轴力沿截面的变化是平缓的，且外力作用线与轴线重合，总体变形积分计算。

第65页，课件共122页，创作于2023年2月例2-2变截面杆是圆锥的一部分，左右两端的直径分别为d1和d2。如果不计杆件的自重，求在轴向拉力P作用下杆件的变形。

第66页，课件共122页，创作于2023年2月八、超静定问题例2-3三根同材料和截面的钢杆一端铰接墙壁上，另一端铰接在一平板刚体上，其中两侧钢杆长度为L，而中间一根钢杆较两侧的短δ=L/2000，求三杆的装配应力。设E=210Gpa。

N1=N2，N3=N1+N2变形协调条件得到：第67页，课件共122页，创作于2023年2月第68页，课件共122页，创作于2023年2月第三节拉伸和压缩的强度条件一、极限应力、许用应力和安全系数极限应力用σ0表示许用应力以[σ]表示安全系数n，其值恒大于1ns=1.5～2.0，nb=2.5～4.5第69页，课件共122页，创作于2023年2月二、拉伸和压缩的强度条件

强度条件在工程上，强度条件可以解决三类问题：强度校核、设计截面尺寸、确定许可载荷。

第70页，课件共122页，创作于2023年2月例2-4已知油压力p=2MPa，内径D=75mm，活塞杆直径d=18mm，材料的许用应力[σ]=50MPa，校核活塞杆的强度。强度足够第71页，课件共122页，创作于2023年2月例2-5矩形截面的阶梯轴，AD段和DB段的横截面积为BC段横截面面积的两倍。矩形截面的高度与宽度之比h/b=1.4，材料的许用应力[σ]=160MPa。选择截面尺寸h和b

由h/b=1.4第72页，课件共122页，创作于2023年2月例2-6悬臂起重机撑杆AB为中空钢管，外径105mm，内径95mm。钢索1和2互相平行，且设钢索1可作为相当于直径d=25mm的圆钢计算。材料[σ]=60MPa，确定许可吊重。第73页，课件共122页，创作于2023年2月钢索2的拉力T2=P，带入方程组解得：而撑杆AB允许的最大轴力为：带入（a）式得相应的吊重为：第74页，课件共122页，创作于2023年2月同理，钢索1允许的最大拉力是：代入（b）式得相应的吊重为：比较，可知起重机的许可吊重应为17kN。第75页，课件共122页，创作于2023年2月1.3

直梁的弯曲1.3.1梁的弯曲实例与概念第76页，课件共122页，创作于2023年2月以弯曲为主要变形的构件在工程上称为梁

第77页，课件共122页，创作于2023年2月第78页，课件共122页，创作于2023年2月第79页，课件共122页，创作于2023年2月受力特点是：在构件的纵向对称平面内，受到垂直于梁的轴线的力或力偶作用，使构件的轴线在此平面内弯曲为曲线，这样的弯曲称为平面弯曲第80页，课件共122页，创作于2023年2月梁的基本形式

简支梁：一端固定铰链，另一端活动铰链；外伸梁：简支梁一端或两端伸出支座以外；悬臂梁：一端固定，另一端自由。外力—内力—应力—强度条件和刚度条件第81页，课件共122页，创作于2023年2月1.3.2梁横截面上的内力

1.3.2.1剪力和弯矩一、截面法求内力—剪力Q和弯矩M第82页，课件共122页，创作于2023年2月第83页，课件共122页，创作于2023年2月第84页，课件共122页，创作于2023年2月内力符号规定如下：第85页，课件共122页，创作于2023年2月左侧梁上向上的外力或右侧梁上向下的外力引起的剪力为正，反之为负，剪力等于该侧外力的代数和。第86页，课件共122页，创作于2023年2月弯矩等于该横截面一侧所有外力对该截面形心取力矩的代数和。梁上向上的外力均产生正弯矩；而向下的外力均产生负弯矩。截面左侧顺时针转向的力偶或截面右侧逆时针转向的力偶取正值，反之取负值第87页，课件共122页，创作于2023年2月1.3.3弯矩方程与弯矩图一、剪力方程式和弯矩方程式二、内力图—剪力图和弯矩图第88页，课件共122页，创作于2023年2月例3-1．简支梁受集度为q的均布荷载作用，画出此梁的剪力图和弯矩图。第89页，课件共122页，创作于2023年2月例3-2．简支梁在C点处受集中荷载P作用，画出此梁的剪力图和弯矩图。第90页，课件共122页，创作于2023年2月例3-3．简支梁在C处受一集中力偶mC的作用，画出剪力图和弯矩图。第91页，课件共122页，创作于2023年2月第92页，课件共122页，创作于2023年2月第93页，课件共122页，创作于2023年2月第94页，课件共122页，创作于2023年2月内力图的一些规律：1、q(x)=0：一段梁上无均布荷载，剪力图为一平行于x轴水平线，弯矩图为一斜直线；2、q(x)=常数：一段梁上有均布荷载，剪力图为一斜直线，弯矩图为一条二次曲线，当均布荷载q(x)向下时，弯矩图凸向上，当均布荷载向上时，曲线凸向下；3、弯矩的极值：若梁的某一截面上的剪力Q(x)=0，则该截面的弯矩为一极值；第95页，课件共122页，创作于2023年2月内力图的一些规律：4、集中力作用处：此处剪力图有突变，突变方向与集中力方向一致，突变绝对值等于集中力数值，弯矩图上形成尖角；5、集中力偶作用处：此处剪力图无变化，弯矩图出现突变，突变的绝对值等于集中力偶的数值。第96页，课件共122页，创作于2023年2月例3-4．外伸梁上均布荷载的集度为q=3kN/m,集中力偶矩m=3kN.m,画出剪力图和弯矩图。

第97页，课件共122页，创作于2023年2月1.3.4弯曲时横截面上的正应力及其分布规律1.3.4.1纯弯曲的变形特征第98页，课件共122页，创作于2023年2月平面截面假设各纵向纤维之间互不挤压中性层，中性轴第99页，课件共122页，创作于2023年2月1.3.4.2横截面上的正应力变形几何条件物理条件：弹性范围内第100页，课件共122页，创作于2023年2月静力平衡第101页，课件共122页，创作于2023年2月横截面对中性轴z的惯性矩，m4称为抗弯截面模量，单位为：cm3。梁纯弯曲时横截面上的最大正应力的公式为：第102页，课件共122页，创作于2023年2月横力弯曲横截面翘曲，横向力引起挤压应力平面假设和各纵向纤维不互相挤压不成立均布载荷作用下的矩形截面简支梁，L/h>5时，按纯弯曲正应力计算，误差<1%。第103页，课件共122页，创作于2023年2月第104页，课件共122页，创作于2023年2月1.3.4.5梁弯曲时的强度条件利用强度条件，可对梁进行强度校核、选择截面尺寸及确定许可荷载。第105页，课件共122页，创作于2023年2月例3-5容器四个耳座支架在四根各长2.4m的工字钢梁的中点上，工字钢再由四根混凝土柱支持。容器包括物料重110kN，工字钢为16号型钢，钢材弯曲许用应力[s]=120MPa，试校核工字钢的强度。第106页，课件共122页，创作于2023年2月最大弯矩在梁的中间，为：由型钢表查得16号工字钢的Wz