化工过程设备机械基础-工程力学基础.ppt
《化工过程设备机械基础-工程力学基础.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化工过程设备机械基础-工程力学基础.ppt(65页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、,化工过程设备机械基础,第一章 工程力学基础,设计化工、炼油设备时,必须按照安全、经济、可靠的原则来确定设备及零部件的截面尺寸,例如筒体的厚度、螺栓直径、支撑构件截面尺寸及规格等。 设备及零部件在工作时都受到各种各样外力作用,在确定设备及零部件截面尺寸时,必须先进行构件受力分析,为设计计算提供可靠的受力依据和分析基础。 化工、炼油设备大多数是静置设备,因此,本章讨论的受力构件或物体主要是静置状态的构件。,1.1.1 概述,1.1 受力分析,工程力学是研究物体机械运动以及构件强度、刚度、稳定性的科学。 构件在外力作用下,能够安全可靠地工作,必须满足以下力学条件:,(1)强度条件(2)刚度条件(3
2、)稳定性条件,(1) 强度条件,强度是指构件抵抗外力破坏的能力。构件应具有足够的强度,以保证在外力作用下不致破坏。,(2) 刚度条件,刚度是指构件抵抗外力变形的能力。构件要具有足够的刚度,以保证在外力作用下,变形量不超过正常工作允许的限度。,(3) 稳定性条件,稳定性是指构件保证原有平衡形态的能力。为了不使构件因受压而突然失去原有的平衡形态,构件要具有足够的稳定性。,静力学:研究物体在力系作用下的平衡规律。材料力学:研究杆的强度、刚度和稳定性。,工程力学包括静力学和材料力学两部分:,受力分析实例: 塔设备受到哪些外力作用?,(1) 塔设备自身的重量 W(2) 风力 q(3) 基础对塔的反作用力
3、 Ny(4) 基础螺栓对塔设备产生的力矩 M 和横向阻力 Nx,其中 W 和 q 可以从设计条件估算或从设计规范查出,是已知力。 Nx ,Ny 和 M 是未知力和力矩,待求取。 根据静力学原理可以求解出以上三个未知力。,1.1.2 基本概念,1. 力的概念,力是物体间相互的机械作用。这种作用使物体的运动状态发生改变(包括变形)。,例如:,人推车的力使车子的运动状态发生改变。(由静到动,由慢到快等),地球对月球的引力使月球绕着地球转动。(不断地改变运动方向),锻锤对锻件的冲击力使锻件改变形状等。,力对物体的作用效应决定于三个要素:,(1) 力的大小(2) 力的方向(3) 力的作用点,国际单位制:
4、牛顿(N) 或 千牛顿(kN),力是矢量,力对物体的效应不仅决定于它的大小,而且还决定于它的方向,所以力是矢量。,矢量的表示方法:,按照一定的比例长度,将力沿着作用方向。画在一定的作用点处,作用线段的长度代表力的大小。力矢常用黑体字母表示,而非黑体字母表示力矢的大小。如图1-2,力可以分为体积力和表面力两类,分布在物体内部各点的力是体积力。如重力、电磁力等,作用在物体表面的力为表面力,如风力、水压力等,作用在某点的力为集中力。如支座反力、吊装物体的重力等。,图1-2,2. 刚体的概念,在研究物体受力时,为了使问题简化,可以忽略物体的变形,将受力情况下,不发生变形的物体称为刚体。在研究问题时,如
5、果物体的变形是研究的主要因素,就不能将物体看作刚体。,3. 平衡的概念,当物体相对于地球处于静止或作匀速直线运动,则称该物体处于平衡状态,而将作用于该物体上的力系称为平衡力系。力系平衡所满足的条件称为平衡条件。,4. 力的基本性质,(1)二力平衡原理,若刚体只受到两个力的作用而处于平衡状态,其必要且充分条件是:这两个力一定大小相等,方向相反,并作用在同一直线上。(等值、反向、共线)。如图1-4,F1、F2为作用在同一物体上的一对平衡力。,F1,F2,图1-4,(2)力的平行四边形法则,作用在物体上同一点的两个力,可以合成为一个合力。合力的作用点仍在该点,合力的大小和方向由这两个力为邻边构成的平
6、行四边形的对角线确定。如图1-6所示。,图1-6,力的平行四边形法则指出,两个力相加(合成)不能简单地求算术和,而是要用平行四边形法则求几何和,即矢量和。,同理,一个力也可以分解为两个力,分解也按力的平行四边形法则进行。按相互垂直分解的两个分力称为正交分力。,(3)作用和反作用定律,力是物体之间的相互机械作用,两物体相互作用的力符合下述重要规律:两物体间的作用力和反作用力,总是大小相等,方向相反,作用线相同,分别作用在这两个物体上。,例如:车刀作用于工件会产生切削力 P ,而工件必有反作用力 P 作用车刀,P 和 P 总是等值、反向、共线。,作用力与反作用力不是作用在同一物体上,而是分别作用在
7、相互作用的两个物体上。它们相互对应,相互依存,同时存在,同时消失。而且是机械中动力传递的途径。例如齿轮将力传递给下一个齿轮。从而得到转动的动力。汽车轮子转动也是这样实现的。,作用和反作用定律是普遍性的定律,对刚体和非刚体系统均适用,在受力分析时常常用到这一定律。,前面提到的二力平衡原理中的一对平衡力与作用和反作用力不是一回事,作用力和反作用力不是一对平衡力。,思考:,它们的区别在哪里?,5. 力的投影,已知某个力 ,作其在x,y轴的投影可以得到其在x轴和y轴上的分量Fx和Fy。,即:,Fx=Fcosa,Fy=Fsina,其中:, F与x轴的夹角,Fx、Fy的正负判断: Fx、Fy的指向与投影轴
8、正向一致,则Fx、Fy为正,否则为负。,Fx 、Fy 是F的两个正交分力,它们有大小和作用方向。,由力在坐标轴的投影可以得到:,(1) 同一个力在相互平行且方向相同的坐标轴上的投影相等。(2) 将同一个力平行移动,在同一个坐标轴上的投影值不变,6. 力矩,作用在刚体上的一个力可以使物体产生移动和转动两种效应。力的移动效应取决于力的大小和方向,力对物体的转动效应则取决于力(F)的大小以及力的作用线到作用点O的垂直距离d,因此乘积Fd就是转动效应的度量,并且称F对O点的矩,简称力矩,记作Mo(F)即,(1-2),O点称为力矩中心,简称矩心,d称为力臂。力使物体绕矩心逆时针方向转动为正,反之为负。,
9、力矩的单位是牛顿米(Nm) 或 千牛顿米(KNm)力矩在下列两种情况下等于零:, 力等于零 力的作用线通过矩心,即力臂为零,7. 力偶与力偶矩,力偶:作用在同一物体上等值、反向、不共线的一对平行力称为力偶。,例如:,汽车司机转动方向盘,人们用手转动水龙头等等都是两个大小相等,作用线不重合,反向的平行力作用在一个物体上。也就是利用力偶进行转动。,力偶对刚体只产生转动效应,而没有移动效应。力偶不能与一个力等效,也就不能与一个力平衡。力和力偶是静力学的两个基本要素。,力偶对物体的作用效应用力偶矩度量。在平面问题中,力偶矩为代数量,其值为:力偶中一力的大小和力偶臂的乘积。记为M(F,F),或简记为M。
10、,(1-3),规定:,力偶转向为逆时针时,力偶矩为正;反之为负。,力偶矩的单位:,与力矩相同,也是牛顿米(Nm),力偶的重要性质:,性质1:力偶在任意坐标轴上投影的代数和恒为零。性质2:平面力偶对平面内任意一点的矩恒等于力偶矩,而和力偶与矩心间的相对位置无关。,性质3:作用在刚体上的两个力偶的力偶矩的大小相等,转向相同,则该两个力偶为等效力偶。故只要保持力偶矩的大小,转向不变,力偶可以在作用面内任意移动。而不改变作用效果。,性质4:在保持力偶矩大小和转向不变的条件下,可以同时改变力偶中力的大小和力偶臂的长短,而不改变力偶对物体的作用效果。,由上可知,力偶的三要素为:力偶矩的大小,力偶的转向和力
11、偶的作用平面。只要以上三要素相同,则力偶可以任意移动而不改变对刚体的作用效果。,8. 力的平移定理,力的平移定理:,作用在物体上的力P可以平移到任一点,但必须同时附加一个力偶,此附加力偶的矩等于原来的力F对新作用点的矩。 力的平移定理在实际计算时具有重要意义,它可以将一个力系向一点进行简化。用一个平移力和一个附加力偶来代替刚体上某一点的力F。 即:,=,F,B,O,F,M,d,B,1.1.3 约束力和约束反力,机械和结构中的每个零件、构件总是与其他零件、构件相联系接触的,在相互联系的零件、部件之间相互作用着力,并且在运动中大都受到某些限制。例如,转轴受轴承的限制,只能转动。导轨限制被加工的部件
12、只能做纵向移动等。 限制物体某些运动的装置或设施称为约束。约束使物体只能做某些类型的运动。约束对被约束物体的反作用力,称为约束反力,约束反力的大小,取决于主动力的作用情况。物体所受到的主动力往往是给定的,可测定的(如重力、切削力、电磁力等)。物体所受到的约束反力则必须根据约束的性质进行分析。,1. 柔索约束,绳子、钢索、链条、皮带等柔性物体,只能阻止物体沿伸长方向的运动。而不能阻止其他任何方向的运动。因此,柔索的约束反力为沿着其伸长方向,并且只能是拉力。,2. 光滑面约束,当两个物体的接触面比较光滑,接触面间的摩擦力很小,可以忽略不计,这类约束叫做光滑面约束。 光滑面约束只能阻止物体沿接触的公
13、法线向支撑面的运动,而不限制物体离开支撑面以及沿其切线的运动。并且只能是压力。因此,约束反力应通过接触点,沿公法线指向物体。 例如:车轮与轨道接触,容器与托轮的接触等。,P,3. 圆柱铰链约束,在机器中常用圆柱形销钉将两个零件链接在一起,例如:门、窗被固定在框架上,折扇的销钉,吊车的折臂等。 这类约束我们称为圆柱铰链约束,它只限制两构件间相互移动,而不限制相对转动,它对物体的约束反力,可以分解为沿水平和垂直方向的约束反力,用X,Y表示。,(1) 固定铰支座,通过铰链将物体固定在支撑面或机架等结构上,称为固定铰链制作。固定铰链支座的反力可以用正交分力Nx、Ny代替。方向不能预先确定的约束反力N。
14、,A,(2) 可动铰支座,化工、炼油厂的某些管道,卧式容器,为了适应较大的温差变化,使之能相应的伸长或收缩,常在其中一个支座与基础接触面之间装有几个辊轴,使这个支座可以沿着管道或容器的轴向自由移动。所以,可动铰链支座的特点是只能限制物体沿支撑面的法线方向运动,而不限制沿支撑面水平方向的运动。约束反力的指向必定垂直于支撑面,并通过铰链中心,指向被约束物体。如图1-16(b),图1-16(b),4. 固定端约束,物体的一部分固嵌于另一物体所构成的约束称为固定端约束,例如,车床长盘对工件的约束,基础对塔体的约束,刀架对车刀的约束等,这种约束把物体牢牢固定,既限制物体沿任意方向的移动,又限制物体在约束
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化工 过程 设备 机械 基础 工程力学
限制150内