化工设备机械基础（化机）

1、主讲人：张永强,内科大化学化工学院化工教研室,2020/6/30,化工设备机械基础（化机）,序言 相互认识 化机的重要性 课程的安排与要求,2020/6/30,化机的重要性,一、目的和意义 合理设备可以简化流程，降低成本 设备的结构和材质 具备基本工程力学知识，了解化工设备常用材料特性及焊接知识，掌握化工设备的设计计算，及典型机械传动。,2020/6/30,化学工程专业的三大基础课,化 工 原 理,化 工 热 力 学,化 学 反 应 工 程,2020/6/30,注重实践 学以致用,王选：一项科技成果，不管它多么先进，只要它没有走出实验室，没有取得经济效益和社会效益，都不过是迷人的海市蜃楼罢了。

2、 杨振宁：“中国最失败的地方，是没有学会怎么把科技改变成为有经济效益的生产办法“。 陶行知：创造始于行，行动是老子，思想是儿子，创造是孙子。读万卷书是做学问的一半，行万里路是做学问的另一半。 毛泽东：实践出真知；不吃梨子一口，怎知梨子滋味。只有当科学与技术比翼双飞时，才能形成国家经济发展的永恒动力。 书本得来终觉浅，绝知此事要躬行。行动有多远，思想就有多远。一位音乐教授说：老师既要登讲台，还要上舞台。 知识经济到来，把知识与经济紧密结合起来，经济对知识的依赖培增。知识分子要体现知识的价值，但有钱无知不算富。 知识就是力量，知识更是金钱。长远看，资本家不如知本家。知识本身不是力量，应用产生力量。

3、科技价值不在获取，而在于利用。,青年是科技创新的主力,英剑桥： 牛顿（23岁）建立微分学、（26岁）建立积分学。 1953，25岁Watson(现为美国冷泉港实验室负责人)和37岁Click（04年去世）在Science发表DNA双螺旋结构论文 2Pages(长篇未必充实，短论亦可高深),62年获诺贝尔奖。 1915年布拉格父子因用X射线研究晶体结构，小布拉格纠正其父错误获重大贡献，25岁小布拉格与其父同获诺贝尔奖。 俄国24岁Tswett色谱分析原理7页博士论文使难以分离的化合物，用一把剪刀可剪开。在此基础上，Martin1952年获诺贝尔化学奖。 04年诺贝尔物理奖：加州大学32岁的葛洛斯

4、与其22岁研究生威塞克发现“夸克局限”现象。加州理工学院研究生24岁普利泽发现“渐近自由”，至此解决了“夸克禁闭”现象。 （获奖者创造高峰期在2545岁之间）,青年是科技创新的主力, 02年岛津公司没上过研究生的小职员田中耕一（42岁），发明蛋白质的分离方法，可准确识别癌细胞，获诺贝尔奖。 比尔盖茨21岁创办微软公司，改变了时代发展进程，连续8年世界首富。创新必须创业，创新通过创业来表达。 黄昆27提出“黄散射”，32岁与诺奖得主玻恩合写了晶格动力学理论等。 自古英雄出少年，科学家也如此。,有理想 有目标 有追求,志向远大,不断学习,勇于探索,理论力学：研究物体机械运动一般规律 静力学 运动学

5、 动力学 材料力学:研究构件承载能力 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,牛顿三定律(哲学规律) （惯性定律，F=ma, F=-F） 运动论，物质论 ， 联系论,工程力学的前世,力学的发展是分析和综合想结合的过程。从总的发展趋势来看，牛顿运动定律建立以前力学研究的历史大致可分为两个时期: 古代，从远古到公元5世纪，对平衡和运动有初步的了解; 中世纪，从6世纪到16世纪，这个时期对力、运动以及它们之间的关系的认识已有发展，为牛顿运动定律的建立作了准备。,工程力学的今朝,牛顿运动定律的建立和从此以后力学研究的历史大致可分为四个时期: 从17世

6、纪初到18世纪末，经典力学的建立和完善化; 19世纪，力学各主要分支的建立; 从1900年到1960年，近代力学，它和工程技术特别是航空、航天技术密切联系; 1960年以后，现代力学，力学同计算技术和自然科学其他学科广泛结合。,赵州桥隋公元605-618年间，李春,百尺高虹横水面，一弯新月出云霄,“假如给我一个支点，我就能撬动地球”,阿基米德 Archimedes (约公元前287212） 古希腊物理学家、数学家，静力学和流体静力学的奠基人。论平面图形的平衡、论浮体。,达.芬奇（Leonardo da Vinci，意大利 1452-1519）,汽车发动机,微型发动机 MEMS,深度撞击 DEE

7、P IMPACT,鸟巢2008北京奥运主体育场,宝马概念自行车,海尔“立体仓库”世界领先,新华网山东频道2005年6月30日电 青岛海尔集团国际物流中心立体库日前经过第三次技术革新，跃升为技术水平世界领先的物流中心。该立体库高22米，全部操作采用世界上最先进的激光导引无人运输车系统，实现了物流的自动化和智能化，使海尔集团库存资金占用从每年15亿元降至6亿元，杜绝了呆滞物资的产生。（新华社记者 朱峥 摄）,水煤浆气化炉,多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业装置,兖矿国泰化工有限公司气化炉炉头,储罐、冷凝器、切片机,不锈钢反应釜,外盘管反应锅、蒸汽加热反应锅,主体车间全景图,三层平台全景图,二层平台局部

8、图,地面设备布置图,反应物料配制系统,碱镍配制,碱镍过滤,氨水配制,料液储存,反应系统,精密计量泵系统,反应系统,清洗系统,碱液清洗,固液分离离心清洗,干燥筛分包装,产品干燥,干燥筛分包装,第一篇 力学基础 第一章 刚体的受力分析及平衡规律,本章学习要点 本章所讨论的核心问题： 本章必须掌握的基本概念 要处理好“力系的简化”与“力系的平衡”二者间的关系 如何进行受力分析 关于静不定问题,本章所讨论的核心问题： 本章讨论的核心问题是如何从构件所受的已知外力求取未知外力。,解决这个问题的步骤是：第一步是通过受力分析，确定未知的约束反力力线方位；,第二步是研究物体的受力平衡规律，利用这一规律求取未知

9、外力。,例题：p27,1-5,B,拉力G,F1,F2,F1,A,F,N,本章必须掌握的基本概念,1、力、力矩、力偶、力偶矩的定义。,2、力的五点性质（含两个平衡定理）和力偶的三点性质。,3、四种约束的特点及取代每种约束作用的“约束反力”的表达方法。,4、力的平移定理的内容、实质、应用。,立足点力或力偶对物体作用的效果,讨论“简化”的目的是为了寻找“平衡”的规律。注意简化过程中的以下几点 平面汇交力系只可能得到两种简化结果，而平面一般力系可能得到三种简化结果，出现这种区别的原因是什么？ 导致得到的平衡条件有什么不同？ 平面一般力系简化时，各力平移后得到的附加力偶系，其合力偶的力偶矩就是该力系各力

10、对简化中心的力矩之和，也就是平面一般力系平衡条件中的M0中的M。 观察平面汇交力系的简化过程可以发现，只有在R0时，直角坐标轴的方位才可以任意选取而不影响X和Y值。,要处理好“力系的简化”与“力系的平衡”二者间的关系,力系的简化实际上就是用一个力或一个力偶来等效取代一个力系。也就是求取合力。采取的方法就是,欲合先分,力系简化结果除了可能是“平衡”外，还可能得到其他结果，对于其他结果，只要求作一般了解。,如何进行受力分析？,第二节（P11）最后提出的六点受力分析要领有助于初学者。,关于静不定问题,作业：P27、1-5、a,b,d,f,h,i,j.1-8,1-10,第一节 力的概念和基本性质 一力

11、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。,二力学公理,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。,第二节 力矩与力偶,一、力矩,合力矩定理,二、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。,三、 力的平移,四、平面一般力系向一点的简化,第三节

12、物体的受力分析,一、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,1、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。,2、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。,3、铰链约束,（1）固定铰链支座约束,（2）活动铰链支座约束,4、固定端约束,二、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

13、C采用活动式鞍座。试画出容器的受力图。,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。,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,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。,第四节 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。,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。,例1-5

14、 直杆AB与弯杆BC铰接，AB=BC，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。,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。,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。,第二章 金属在外力作用下 显示的机械性能,第一节 弹性体的变形与内力,如何理解“弹性体”； 什么是“变形”？ 内力的概念？ 四种基本变形和对应的内力：,一、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,二、杆件基本变形,1、拉伸、压缩,2、弯曲,3、剪切,4、扭转,拉伸与压缩

15、 扭转 弯曲,杆件变形的四种基本形式汇总,直杆的拉伸与压缩,一、工程实例,直杆的拉伸与压缩,轴向拉压的外力特点：外力的合力作用线与杆的轴线重合。,轴向拉压的变形特点：杆的变形主要是轴向伸缩，伴随横向 缩扩。,轴向拉伸：杆的变形是轴向伸长，横向缩短。,轴向压缩：杆的变形是轴向缩短，横向变粗。,二、拉伸和压缩时横截面上的内力,1、概念：附加内力， 简称内力,指由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间分布内力系的合成（附加内力）。,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

16、衡方程式，解出截面上的内力。,2、截面法,轴力，拉为正，压为负,三、拉伸和压缩时横截面上的应力,1、应力,正应力 ，剪应力 ,2、拉伸和压缩时横截面上的应力,3、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,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,四、应变的概念,绝对变形u，,线应变或应变：,为剪应变或角应变，弧度,线应变由正应力决定 剪应变由剪应力决定。,平均应变,杆件受拉伸或压缩时的应变,绝对伸长L， 相对伸长或线应变,第二节 直杆受拉压时的变形与内力度量,变形的度量 绝对伸长量l 线应变,内力的度量 轴力（S）：注意截面

17、法的使用 应力的引入,正应力,与剪应力,简单拉伸时横截面上的应力,受轴向力作用的杆件，其横截面上的应力值为,简单拉压时斜截面上的应力,k,F,F,m,n,a,n,m,k,Pa,x,F,x,应力分量,与截面垂直，叫正应力，其值为,切向分量,与截面平行，叫剪应力，其值为：,应力分量产生的效果,m1 m,k1 k,m1 m,k1 k,m1 m,k1 k,拉伸试验 试件的准备与试验的进行,第三节 金属在拉伸和压缩时的机械性能,标准试件：圆截面试件，如图2-14：标距l与直径d 的比例分为，l=10d，l=5d 。 板试件（矩形截面）： 试验设备主要是拉力机或全能机及相关的测量、记录仪器。 。国家标准金

18、属拉伸试验方法（如GB228-87）详细规定了实验方法和各项要求。,万能材料试验机,试验结果的整理 试件装在试验机上，受到缓慢增加的拉力作用。对应着每一个拉力P，试件标距l有一个伸长量l。记录P和l关系的曲线称为拉伸图或P l曲线，如图所示。,试件尺寸的不同，会引起拉伸图数据不同。为了消除试件尺寸的影响，把拉力P除以试件横截面原始面积A，得 ；同时，把伸长量l除以标距的原始长度l，得 称此时的 为名义正应力， 为名义线应变。经这种变换后，以 为纵坐标， 为横坐标的曲线称为应力-应变图或 曲线。,低碳钢拉伸时的力学性能,低碳钢的 曲线,1）弹性阶段（O b段) 2）屈服阶段(b c段) 3）强化

19、阶段(c d e段) 4）颈缩阶段(e f段),几个概念：弹性、塑性、脆性、 弹性材料、塑性材料、脆性材料,1）弹性变形阶段的特点：,为拉伸的初始阶段， 成正比； 在此阶段，曲线Ob几乎为直线，符合虎克定律，即 ； 在此阶段，若应力不超过b点对应的值，撤掉外力后，构件恢复原状； 比例极限（ proportion） 弹性极限（ elastic）和弹性模量（E）；,OA,比例极限P (弹性极限),Q235-A 200MPa,EA 抗拉刚度,E 弹性模量，低碳钢 E=(2.0-2.1)x105MPa,横向变形,横向线应变, 横向变形系数或泊松比,2）屈服阶段的特点：,上升的坡度变缓，曲线接近为一条水

20、平折线，保持应力微小变化，线应变急剧增加，形象喻为材料对外力屈服了； 卸掉外力，构件不能完全恢复原来形状，出现显著塑性变形，出现滑移线，此阶段也叫塑性变形阶段； 屈服极限（ suffer）,名义屈服极限0.2：0.2%的塑性应变所对应的应力,滑移线或剪切线 Q235-A S =235MPa,3）强化阶段的特点：,材料恢复了抵抗变形的能力，即随应力增加，线应变也须增加； 在此阶段，上升曲线变得平缓； 再此阶段某点d卸除拉力，应力和应变关系将符合卸载定律； 冷加工硬化及其在工程中的应用； 强度极限（ ）,4）颈缩阶段的特点：,颈缩阶段实质就是死亡阶段、断裂阶段； 应力达到最大，试件的直径突然变细即

21、颈缩； 在此阶段，拉力P减小，线应变增加；,颈缩阶段 （局部变形阶段）,（1）延伸率,5%为塑性材料；5%为脆性材料。 低碳钢：20-30%，铸铁：1% （2）截面收缩率,低碳钢：60%,三、铸铁拉伸的应力-应变图,灰铸铁b =205MPa,四、低碳钢压缩的应力-应变图,五、铸铁压缩的应力-应变图,受压,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。,六、温度对材料力学性能的影响,

22、1、高温的影响 （1）高温对短期静载试验的影响,（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,金属材料的力学性能方面的指标：,1、反映材料强度高低的指标有：屈服极限、强度极限、蠕变极限、持久强度极限； 2、反映材料塑性好坏的指标有：延伸率、断面收缩率、屈服限与强度限之比值 （简称屈强比）；弯曲角度a。,3、反映材料抵抗弹性变形能力强弱的指 标有：弹性模量E，剪切弹性模量G； 4、反映材料韧性及对裂纹敏感程度的指标有：冲击功 ，冲击韧性； 5、反映材料硬度及耐磨程度的指标有：布氏硬度HB，洛氏硬度HRC； 6、反映变形性质的弹性极限； 7、控制虎克定律应用范围的比例极限。 作业：2-7、2-11,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