過程設備機械設計基礎-2.ppt

過程設備機械設計基礎,-學習輔導（1） 華東理工大學 郝俊文,前言,學習要求 能寫：填空題 能判：選擇題 能想：簡答題 能算：計算題,課件結構 教學目的與要求 學習重點 提示 例題/習題解答,二 靜力學構件的受力分析,教學目的與要求,了解有關力和力平衡的基本概念； 了解靜力學的研究對象，掌握靜力學的基本公理、定理和推論等； 了解約束的基本類型，并能夠應用匯交力系平衡條件、二力平衡公理和平行四邊形法則等進行受力分析，確定未知力的大小和方向； 了解力矩、力偶（矩）的基本概念； 掌握力線平移定理及其證明； 掌握求解平面任意力系問題的基本步驟并完成一定數(shù)量的習題。,重點內容,2.1 靜力學的基本概念 1 力和力系的概念 力是物體之間的相互作用；力系是作用在同一物體上的力的總和。如果力的作用線位于同一平面內，則稱為平面力系，反之，稱為空間力系。 力的三要素 大小、方向、作用點,提示1：這里所說的力均指外力，不考慮物體內部的相互作用； 提示2：同一物體的概念是相對的，可以把一個復雜的系統(tǒng)看作一個物體，也可以把系統(tǒng)中的單個元部件看作一個整體，區(qū)別在于：對于前者，內部單個元部件之間的作用為內力，而對于后者，內部單個元部件之間的作用成為外力，也就是靜力學所研究的力。,2.1 靜力學的基本概念,2 二力平衡公理 作用于剛體上的兩個力，使剛體保持平衡的必要與充分條件是：這兩個力的大小相等、方向相反、且作用在同一直線上。 提示：該公理對剛體的形狀和尺寸沒有限制，不能簡單理解為二力桿件。,3 三力平衡匯交定律 當剛體在三力作用下處于平衡時，若其中兩力的作用線相交于一點，則第三力的作用線必通過該點，且三力共面。 舉例1,舉例2,2.2 約束、約束反力和受力圖,1 約束與約束反力的概念 所謂約束，是指工程中對某一物體的活動起著限制作用的物體。當物體受到外力的作用時就會有運動趨勢，約束對物體就會產(chǎn)生限制力，這一限制物體運動的力稱為約束反力，簡稱約束力。 2 主動力與被動力 能夠使物體發(fā)生運動或運動趨勢的力稱為主動力，由主動力引起的限制物體運動的力稱為被動力。約束反力是被動力。,3 約束的基本類型 約束的基本類型有柔性約束，光滑面約束，固定鉸鏈約束，輥軸支座約束和固定端約束等5種基本類型。各種約束產(chǎn)生的約束力參看教科書。 提示1：約束的本質是構件之間的相互作用。 提示2：除了這些約束外，構件之間的相互作 用也可以看作約束。,4 畫受力圖的基本步驟： 根據(jù)題意選取研究對象，單獨畫出其簡圖； 畫出作用在分離體上的主動力； 畫出約束反力。凡解除約束處，根據(jù)約束性質逐一畫上約束反力。 在同一物系中，畫相關構件的受力圖時，要利用相關物體間作用力和反作用力的特點，由已知方向確定未知的方向。 提示：結構特別簡單時，可畫在題圖上,2.3 平面匯交力系的合成與平衡條件 1 平面匯交力系的合成方法 平面匯交力系的合成方法有幾何法即平行四邊形法則和解析法即投影法。 2 合力投影定理 3 平面力系平衡條件,2.4 平面力偶系的合成與平衡條件 1 力矩與合力矩 力矩是用來描述力使物體轉動效果的物理量。簡稱矩。,提示1：描述構件轉動效果的物理量 提示2：力矩與矩心位置有關,提示3：計算力矩時需要用到力臂，力臂的大小為矩心到作用線的距離，所以合力矩的大小與矩心的選取有關；但是合力的矩與各分力矩的和總是相等的，這一等量關系與所取矩心的位置是無關的。 提示4：我們研究的對象是處于平衡狀態(tài)的構件，所以力系的合力和合力矩總是等于零，在這種條件下，我們可以說，處于平衡狀態(tài)的構件的合力矩與各分力的矩的和相等，且等于0，與矩心的位置無關。,2 力偶與力偶矩 力偶是指大小相等，方向相反，不共作用線的一對平行力。 力偶矩是描述力偶使物體轉動效果的物理量。,提示1：力偶的本質是一對力，這對力具有大小相等，方向相反不共作用線的特點。 提示2：力偶矩的本質是一力矩，是力偶對空間任意一點的力矩的代數(shù)和。,提示3：力偶矩沒有矩心的概念。 力偶矩可以用下式表達：,3 力偶矩的三要素和等效力偶 和力相似，力偶矩也有三要素，分別是大小，方向和作用平面； 凡是這三個要素相同的力偶矩互為等效力偶。,5 平面力偶系的合成 同一平面內的若干力偶可以合成為一個力偶。稱為合力偶。合力偶矩的大小等于各力偶矩之代數(shù)和。 6 平面力偶系的平衡條件 各力偶矩的代數(shù)和，即合力偶矩等于零，表示為：,2.5 平面任意力系的合成與平衡條件 1 平面一般力系的平衡條件,4 解題步驟 確定研究對象，取分離體，做受力圖；,建立坐標系，列平衡方程； 解平衡方程，求出未知數(shù)， 給出文字結論。,第三章 拉伸與壓縮,教學目的和要求,了解拉/壓桿件的受力變形特點，能夠根據(jù)實際結構抽象出相應的力學模型。 掌握內力和截面法的涵義，能夠采用截面法求解內力并繪制軸力圖。 應力、應變和胡克定律等是本章乃至本書的重要內容，要求正確理解，熟練掌握和運用。,了解材料的主要力學性能及其相應的力學指標，能夠借助教材和工具書獲得相關數(shù)據(jù)。 了解典型材料的拉伸/壓縮曲線特征，明確脆性材料和塑性材料的劃分依據(jù)。 明確工作應力、許用應力、安全系數(shù)和強度條件的意義，能夠應用強度公式等解決三類工程問題。,了解影響構件強度和材料性能的因素（溫度，蠕變，疲勞，應力集中等）,重點內容,3.1材料力學的基本概念 1 構件的變形 構件的變形可以分為三類，即不變形，彈性變形和塑性變形。 2 材料力學和靜力學的比較 靜力學的研究對象是剛體，運動狀態(tài)是平衡狀態(tài)，研究目的主要是獲得構件保持平衡所必須的未知力（通常是約束力）的大小。而材料力學的研究對象為變形體，運動狀態(tài)為平衡狀態(tài)，研究的目的主要是獲得構件在外力的作用下的內力/應力和變形/應變。,3 材料力學的工程應用包括三個方面： 新構件設計（形狀，尺寸，材料等）； 舊構件的可靠性校核(強度，剛度和穩(wěn)定性)； 計算已有構件的最大承載能力（載荷，位移） 4 材料力學的三個假設 連續(xù)性假設； 小變形假設； 各向同性假設。,4 構件的分類 桿，板，殼 5 構件變形的基本形式 拉伸或壓縮，剪切/擠壓，彎曲，扭轉,6 內力 所謂內力，是相對于構件的外力而言的，是構件在外力作用下的內力反映，是內力的改變量，稱為附加內力。 提示：內力不是絕對值，而是一個相對值，是內力的改變量，或者增量。 7 截面法求內力 用一假想截面將物體切分為兩部分，取其中一部分作為研究對象；將棄去部分對留下部分的約束用內力代替；對留下部分建立靜力平衡方程式，求所截得截面上的內力。 提示：求解結果與截面的位置無關；無論取那一部分作為研究對象，計算結果都是一樣的。,3.2 拉伸和壓縮 1 桿件拉伸/壓縮的特征 大小相等 方向相反，且作用線共線且與桿件軸線重合。 2 應力 所謂應力是用來描述桿件受力強度的物理量，其大小為單位面積上的內力。用公式表示：,3 軸力圖的繪制 軸力圖可以直觀表示桿件的受理情況，繪制時要注意以下幾點： 橫坐標與桿件平行，縱坐標與桿件垂直， 橫軸水平時，上方為正，橫軸豎直時左邊為正。 標出特殊點的數(shù)值（包括力的大小和相應的截面位置）。,3.3 直桿拉伸或壓縮時斜截面上的應力 1 正應力與剪應力 與截面平行的應力為剪應力，與截面垂直的應力為正應力。 2 直桿拉伸/壓縮時的應力,提示與討論 討論： 時，正應力最大，剪應力最?。?時，剪應力最大； =90o時， ，表明縱向截面內無應力。 提示：能夠利用上述結論分析實例。,3.4 直桿受軸向拉伸（壓縮）時的強度條件 1 桿件的強度條件 2 強度公式的應用 主要用來解決三類問題 已有構件的強度校核 新構件的截面設計 已有構件的承載能力確定,3.5直桿拉伸或壓縮時的變形 1 絕對變形與相對變形 絕對變形是指在拉伸/壓縮載荷的作用下引起的軸向（或橫向）單位尺寸的增大或減小（減小或增大），單位通常為m或mm。 相對變形是指在拉伸/壓縮載荷的作用下引起的軸向（或橫向）單位尺寸的增大或減小（減小或增大）量，稱為應變。,2 橫向應變、縱向應變與泊松比 縱向應變： 橫向應變： 泊松比：,提示：泊松比為材料的彈性常數(shù)，不同的材料具有不同的泊松比，泊松比一般都小于0.5。 討論： 問：桿件在拉伸載荷作用前后體積是否保持不變？ 思考：采用不同材料制造的尺寸相同的構件，在拉伸載荷的作用下達到相同的縱向應變時，由于泊松比不同，得到的橫向應變卻是不同的。這就意味著變形后的構件長度相等而截面不再相等，進而得出變形后的體積也不再相等，這就意味著在拉伸載荷作用下體積發(fā)生了變化，那么是變大還是變小了？,3 胡克定律,（EA稱為抗拉剛度）,3.6 材料拉伸和壓縮時的力學性能及測試 1 拉伸和壓縮試驗用標準試樣 實驗試樣按長度可分為長試樣和短試樣兩種， 按截面積可以分為矩形截面和圓截面兩種。 2 拉伸/壓縮實驗曲線 拉伸和壓縮實驗結果可以簡單地用載荷-位移曲線或者應力-應變曲線表示。,3 實驗（曲線）四個階段 彈性階段，可以分為線彈性和非線性彈性段，現(xiàn)行彈性段的斜率即為胡克定律中的彈性模量； 屈服階段，應力波動而應變持續(xù)增加，對應的應力水平即為屈服強度； 強化階段，材料屈服一定時間后，其抵抗變形的能力開始增加，直到達到一最大值。該最大值即為抗拉強度； 局部變形階段，試樣的某一局部發(fā)生頸縮從而導致試樣的承載能力急劇下降，直至斷裂。,提示：并不是所有的塑性材料都有屈服平臺，對于這類材料，工程上常將產(chǎn)生0.2%殘余應變時所對應的應力作為屈服強度。 4 通過拉伸實驗獲得的材料力學性能 彈性模量E，屈服強度，抗拉強度，延伸率，斷面收縮率，泊松比。 提示：學習這部分以后，不但應該掌握基本的概念和計算方法，還要了解低碳鋼的相應性能參數(shù)的數(shù)量級。如彈性模量通常在200GPa，泊松比為0.3，屈服強度在150400MPa等。,5 塑性材料與脆性材料的劃分 延伸率大于等于5%的稱為塑性材料，反之，稱為脆性材料。 提示：要求能夠舉例，低碳鋼，鑄鐵，銅，玻璃 6 脆性材料與塑性材料的變形特點差異 典型的塑性材料在拉伸和壓縮過程中可以分為四個階段，即彈性階段，塑性階段，強化階段和局部變形階段， 而脆性材料在拉伸過程中變形較小(5%)，壓縮過程中塑性材料不會發(fā)生斷裂破壞，而脆性材料會發(fā)生斷裂，斷裂面通常與軸線呈45度。解釋原因.,7 溫度對材料力學性能的影響 常溫下，塑性材料塑性指標和，隨溫度的升高而顯著增大，并隨溫度降低而減?。ǖ吞间撛?300前有相反的現(xiàn)象）；而材料強度指標s、b和彈性模量E則隨溫度的升高而減小，并隨溫度的降低而增大（但低碳鋼在+300前，溫度升高時b增大，這是碳鋼的一種特殊情況）。 低溫對材料力學性能的影響主要表現(xiàn)為材料的塑性指標隨溫度的降低而減小。當溫度低于某一數(shù)值后，材料的塑性指標將急劇下降，從而轉變?yōu)榇嘈圆牧?，這一溫度稱為無延性轉變溫度（NDT）。 實例：titanic號失事事件。,8 蠕變 應力超過一定值（遠小于屈服強度）時，即使應力值保持不變，材料的塑性變形也會隨著時間的延長而不斷增加，這種現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變變形是一種不可恢復的塑性變形。蠕變通常發(fā)生在高溫環(huán)境。 9 沖擊試驗 沖擊試驗的目的是測試金屬材料的抗沖擊能力。試驗采用標準試樣。測試結果稱為沖擊韌度，記為Ak。單位為J。 試樣缺口有U型和V型兩種.,10 硬度測試 硬度指材料抵抗異物入侵的能力。常用硬度有布氏硬度和洛氏硬度，分別記為HB和HRC、HRB和HRA。 11 疲勞破壞 長期處在交變應力下工作的構件，雖然其工作應力遠低于材料的強度極限，但也會出現(xiàn)突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。,12 循環(huán)特性及交變應力的分類 循環(huán)特性是指交變應力的最小值與最大值的比值。 據(jù)此交變應力可以分為對稱循環(huán)，非對稱循環(huán)和脈動循環(huán)。 提示：盡管交變應力的類型很多，但是工程上通常都采用-1作為疲勞強度的基本數(shù)據(jù)，這是因為-1測試容易且在該條件下材料最容易發(fā)生疲勞破壞。,13 應力集中 引起應力集中常見的因素包括構件的幾何形狀突變，材料變化等。 應力集中的嚴重程度用應力集中系數(shù)來表示，,書后部分習題提示和答案,2-1(a) 提示1：該題主要考察同學們對三力平衡匯交定律的掌握程度 提示2：要求正確