機械設備基礎 第一章 物體的受力分析及其平衡條件

主講：陳建武漢理工大學化學化工(huàgōng)與生命科學學院電話：1329799123918696148035QQ：364585394E-mail：chenjian0501@163.com化工設備機械基礎精品資料1.授課(shòukè)學時：40；3.考試(kǎoshì)：閉卷；4.成績：平時+作業(yè)+期末考試?；瘜W工程與工藝專業(yè)必修課2.學分：2.5；精品資料教材：面向21世紀課程教材《化工機械基礎(jīchǔ)》，陳國桓主編，化學工業(yè)出版社，2011參考書目：《化工設備機械基礎(jīchǔ)》，董大勤主編，化學工業(yè)出版社，2003《工程力學》，王守新主編，化學工業(yè)出版社，1998《化工容器設計》，王志文主編，化學工業(yè)出版社，1996精品資料方向專業(yè)課學科基礎課公共基礎課政治、語文、數(shù)學(shùxué)、英語、物理、計算機、體育等四大化學、化工(huàgōng)制圖、化工(huàgōng)數(shù)學等化工原理、反應工程、化工熱力學、化工工藝學、化工機械基礎、化工傳遞等反應器設計原理等緒言精品資料《化工設備機械基礎》是近機類各專業(yè)學生必修的一門重要的基礎技術課程。其主要任務是通過本課程的學習使學生獲得工藝人員應具有最必要的機械基礎知識和對化工設備以及簡單的機械傳動裝置進行設計、選用、檢驗和維護的初步能力。本課程為后繼的專業(yè)課，特別是為課程和畢業(yè)設計進行設備設計，提高設計能力和水平。學習這門課程能擴大學生的知識面，使得既懂化工工藝和材料(cáiliào)，又懂點機械，這有利于提高學生的工程素質和技能，有利于增強學生未來參加工作的適應能力，亦有利于他們未來擇業(yè)謀職的競爭力。精品資料化工(huàgōng)生產過程原料預處理化學反應產物后處理單元操作化學反應單元操作三傳一反反應器相應(xiāngyīng)的設備相應的設備精品資料合理(hélǐ)設備可以簡化流程，降低成本設備的結構和材質設備選用原則：適用、安全和經(jīng)濟本課程目的：具備基本工程力學知識，了解化工設備常用材料特性及焊接知識，掌握化工設備的設計計算，及典型機械傳動。精品資料第一篇工程力學 工程力學是一門研究物體機械運動以及構件(gòujiàn)強度、剛度和穩(wěn)定性的科學。這一篇包含工程力學兩個基礎部分的內容：靜力學和材料力學。 要想物體在外力的作用下能夠安全可靠的工作，則需要滿足以下三個力學條件：強度條件：強度是指構件(gòujiàn)抵抗破壞的能力；剛度條件：剛度是指構件(gòujiàn)抵抗變形的能力；穩(wěn)定性條件：穩(wěn)定性是指構件(gòujiàn)保持原有平衡形態(tài)能力。 精品資料主要章節(jié)(zhāngjié)第一章物體(wùtǐ)的受力分析及其平衡條件第二章直桿的拉伸和壓縮第三章直梁的彎曲第四章剪切第五章圓軸的扭轉第六章組合變形和強度本篇主要內容：研究構件受力的情況，進行受力大小的計算；研究材料的力學性能和構件受力變形與破壞的規(guī)律，進行構件強度、剛度或穩(wěn)定性的計算。精品資料第一章物體(wùtǐ)的受力分析及其平衡條件本章的重點內容： 1.力的概念，力的三個要素；

2.作用與反作用定律，二力平衡定律，力的合成與分解(fēnjiě)；

3.約束和約束反力；

4.力矩、力偶的概念，力的平移，力向一點的簡化；

5.受力圖分析； 6.平面力系的平衡方程式精品資料第一節(jié)力的概念(gàiniàn)和基本性質一、力的概念概念：力是物體間相互作用。力的三要素：力的大小、方向、作用點。力是既有大小又有方向的矢量，它可以(kěyǐ)用表示矢量的方法來表示。如下圖中作用小車上的重力P與拉力T。按照國際單位制，力的單位用“?！?N)或“千?！?kN)。精品資料剛體的概念

所謂的剛體就是指在力的作用(zuòyòng)下不發(fā)生變形的物體。它是原物體的理想化的模型。

(1)作用(zuòyòng)與反作用(zuòyòng)定律二、力的基本性質力大小相等，方向相反，而作用線相同（等值、反向、共線）作用力與反作用力必然永遠是同時產生，同時消失

精品資料(2)二力平衡(pínghéng)定律當物體上只作用有兩個外力而處于平衡時，這兩個外力一定是大小相等，方向相反，并且(bìngqiě)作用在同一條直線上。（等值、反向、共線）二力平衡定律：作用于同一物體上的兩個力處于平衡時，這兩個力總是大小相等、方向相反并且作用在同一直線上。注意：在分析物體受力時要正確區(qū)分二力平衡和作用力與反作用力。前者是同一物體上的兩個力的作用；后者是分別作用在兩個物體上的兩個力，它們的效果不能互相抵消。精品資料(3)力的平行四邊形法則(fǎzé)平行四邊形法則：作用在同一物體上的相交(xiāngjiāo)的兩個力，可以合成為一個合力，合力的大小和方向由以這兩個力的大小為邊長所構成的平行四邊形的對角線來表示，作用線通過交點。合力的大小為：R=F1+F2力系：作用于同一物體上的若干個力匯交力系：力系中各個力的作用線匯交于一點對于匯交力系求合力，平行四邊形法則依然能夠適用。力的分解—平行四邊形法則精品資料力的解析(jiěxī)法：力在直角坐標(zhíjiǎozuòbiāo)軸上的投影為：

力在x坐標軸上的投影等于力的大小乘以力與投影軸所夾銳角的余弦，如果投影的方向與坐標軸的正向相同，投影為正；反之為負。力的投影是代數(shù)量。精品資料兩力的合力(hélì)—解析法：精品資料第二節(jié)力矩(lìjǔ)與力偶力矩定義：力矢的模與力臂(lìbì)的乘積，為一代數(shù)量。一、力矩的概念O點為力矩中心，力的作用線到O點的垂直距離d叫做力臂。逆時針轉動的力矩取正號順時針轉動的力矩取負號若：，則：F或d為零，不能使物體繞O點轉動。若：，則：靜止的物體，不會繞力矩中心轉動。精品資料 定義：作用在同一物體上等值、反向、不共線的一對(yīduì)平行力稱為力偶。力偶對物體產生純轉動效應。二、力偶(lìǒu)力偶記為（F，F(xiàn)’），力偶中兩力之間相距的垂直距離l稱為力偶臂。力偶矩—力偶對某點之矩的代數(shù)和，是力偶對物體轉動效應度量。記為m（F，F(xiàn)’）。逆時針轉動的力矩取正號順時針轉動的力矩取負號力偶矩計算公式：精品資料力偶(lìǒu)的三個主要性質： 1)

保持力偶(lìǒu)矩的大小和轉向不變，力偶(lìǒu)可在作用面內任意移動，而剛體的作用效果不變； 2)組成力偶(lìǒu)矩的兩個力既不能平衡，也不能合成為一個合力；因此，力偶(lìǒu)的作用不能用一個力來代替，只能用相同的的力偶(lìǒu)來代替；力偶(lìǒu)只能用力偶(lìǒu)來平衡。 3)力偶(lìǒu)可以合成：則：靜止的物體(wùtǐ)，不會繞力矩中心轉動。精品資料力的平移：就是(jiùshì)把作用在剛體上的一個力，從原位置平行移動到該剛體上另一位置。三、力的平移(pínɡyí)精品資料雖然力與力偶都是基本物理量，但這兩者不能相互等效代替，但是一個(yīɡè)力卻可以用一個(yīɡè)與之平行且相等的力和一個(yīɡè)附加力偶來等效代替；反之，一個(yīɡè)力和一個(yīɡè)力偶也可以用另一個(yīɡè)力來等效代替。力的平移定理：作用在剛體上的力F可以平行移動到剛體上任一點，但同時必須附加(fùjiā)一個力偶，其力偶等于原力F對新作用點的矩。精品資料四、平面一般(yībān)力系向一點的簡化O為簡化(jiǎnhuà)中心精品資料(1)(2)(3)對于空間一般力系向某一點O的簡化，也可以表示(biǎoshì)成通過O點的主矢和對O點的主矩。精品資料第三節(jié)物體(wùtǐ)的受力分析及受力圖受力分析(fēnxī)的意義主動力:主動引起物體運動狀態(tài)改變的力體積力:連續(xù)分布在物體內各點處的力，如均質物體的重力，單位為N/m3。表面力:在接觸面上連續(xù)分布力，如壓力和風壓，單位為N/m2。線分布力:被研究物體的橫向尺寸遠較長度為小，單位為N/m。集中力:在很小接觸面上互相作用的分布力，單位為N。約束反力:已知的未知的精品資料一、約束(yuēshù)和約束(yuēshù)反力自由體：位移(wèiyí)不受限制的物體叫自由體。非自由體：位移受限制的物體叫非自由體。約束：限制非自由體運動的物體稱為約束。（這里，約束是名詞，而不是動詞的約束。）軸和軸承約束直接和物體接觸，并限制物體在某些方向的運動。約束反力：約束作用于非自由體上的力稱為該約束的約束反力。精品資料①大小常常(chángcháng)是未知的；②方向總是與約束限制的物體的位移方向相反；③作用點在物體c與約束相接觸的那一點。約束(yuēshù)反力特點：GGN1N2有幾個約束，就有幾個約束反力。精品資料如：繩索，傳動帶，鏈條等，忽略剛性，不計重力，絕對柔軟且不可伸長特點：只受拉，不受壓，不能抗拒彎矩，限制物體(wùtǐ)沿柔性體伸長的方向運動。1、柔性(róuxìnɡ)體約束（柔索約束）約束類型和確定約束反力方向的方法：精品資料該約束反力作用線應和繩索伸直(shēnzhí)時的中心線重合，指向應該是離開非自由體朝外。如TA和TB。精品資料2、光滑(guānghuá)接觸面約束特點：只受壓，不受拉，力沿接觸面處的公法線而指向(zhǐxiànɡ)物體，一般用N表示。又叫法向反力。精品資料3、鉸鏈(jiǎoliàn)約束由兩個端部帶有圓孔的構件用一銷釘(xiāodīng)聯(lián)接而成的。精品資料1）固定鉸鏈支座約束

底座固定在支撐面上的鉸支座。

特點：被約束物體只能繞銷釘(xiāodīng)的軸線轉動，而不能上下左右移動。約束反力的方向隨著主動力的變化而變化，通過鉸鏈中心?？梢杂盟膬蓚€分力Nx與Ny表示。固定鉸鏈(jiǎoliàn)支座類型精品資料精品資料2）活動鉸鏈支座約束

底座可以移動的鉸支座。

特點：底座只能限制物體(wùtǐ)沿支撐面法線方向的運動而不限制沿支撐面的運動。

活動鉸鏈(jiǎoliàn)支座類型約束反力的方向必垂直于支撐面，并通過鉸鏈中心。精品資料4、固定(gùdìng)端約束特點：這類約束的特點是既限制物體的移動，也限制物體的轉動，被約束的一端完全(wánquán)固定。約束反力除有Nx和Ny之外，還應有相應的力偶矩m。精品資料精品資料幾個基本概念受力分析：分析某一物體上受到那些力的作用，這些力的大小、方向、位置如何？分離體：從周圍物體中分離出來的研究構件（研究對象(duìxiàng)）。受力圖：表示物體受力情況（主動力和約束反力）的簡圖。二、受力圖(lìtú)正確地畫出受力圖，是進行力學計算的重要前提。精品資料 例1-1．某化工廠的臥式容器，容器總重量(包括(bāokuò)物料、保溫層等)為Q，全長為L，支座B采用固定式鞍座，支座C采用活動式鞍座。試畫出容器的受力圖。精品資料畫受力圖(lìtú)的步驟：1)簡化結構，畫結構簡圖；2)選擇研究對象(duìxiàng)，畫出作用在其上的全部主動力；3)根據(jù)約束性質，畫出作用于研究對象(duìxiàng)上的約束反力。精品資料 例1-2．焊接在鋼柱上的三角形鋼結構管道支架，上面鋪設三根管道，試畫出結構整體(zhěngtǐ)及各構件的受力圖。精品資料畫受力圖(lìtú)應注意的問題:除重力、電磁力外，物體之間只有通過接觸才有相互機械作用力，要分清研究對象（受力體）都與周圍哪些物體（施力體）相接觸，接觸處必有力，力的方向(fāngxiàng)由約束類型而定。2、不要多畫力要注意力是物體之間的相互機械作用。因此對于受力體所受的每一個力，都應能明確地指出它是哪一個施力體施加的。1、不要漏畫力精品資料約束反力的方向必須嚴格地按照約束的類型來畫，不能單憑直觀或根據(jù)主動力的方向來簡單(jiǎndān)推想。在分析兩物體之間的作用力與反作用力時，要注意，作用力的方向一旦確定，反作用力的方向一定要與之相反，不要把箭頭方向畫錯。3、不要畫錯力的方向4、受力圖上不能再帶約束。即受力圖一定(yīdìng)要畫在分離體上。精品資料一個力，屬于外力還是內力(nèilì)，因研究對象的不同，有可能不同。當物體系統(tǒng)拆開來分析時，原系統(tǒng)的部