過(guò)程設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

過(guò)程設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五前言學(xué)習(xí)要求能寫(xiě)：填空題能判：選擇題能想：簡(jiǎn)答題能算：計(jì)算題課件結(jié)構(gòu)教學(xué)目的與要求學(xué)習(xí)重點(diǎn)提示例題/習(xí)題解答第二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五二靜力學(xué)——構(gòu)件的受力分析第三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五教學(xué)目的與要求了解有關(guān)力和力平衡的基本概念；了解靜力學(xué)的研究對(duì)象，掌握靜力學(xué)的基本公理、定理和推論等；了解約束的基本類(lèi)型，并能夠應(yīng)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(jìn)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(wèn)題的基本步驟并完成一定數(shù)量的習(xí)題。第四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五重點(diǎn)內(nèi)容2.1靜力學(xué)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(nèi)，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(diǎn)第五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五提示1：這里所說(shuō)的力均指外力，不考慮物體內(nèi)部的相互作用；提示2：同一物體的概念是相對(duì)的，可以把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)看作一個(gè)物體，也可以把系統(tǒng)中的單個(gè)元部件看作一個(gè)整體，區(qū)別在于：對(duì)于前者，內(nèi)部單個(gè)元部件之間的作用為內(nèi)力，而對(duì)于后者，內(nèi)部單個(gè)元部件之間的作用成為外力，也就是靜力學(xué)所研究的力。第六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.1靜力學(xué)的基本概念2二力平衡公理作用于剛體上的兩個(gè)力，使剛體保持平衡的必要與充分條件是：這兩個(gè)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(duì)剛體的形狀和尺寸沒(méi)有限制，不能簡(jiǎn)單理解為二力桿件。第七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3三力平衡匯交定律當(dāng)剛體在三力作用下處于平衡時(shí)，若其中兩力的作用線相交于一點(diǎn)，則第三力的作用線必通過(guò)該點(diǎn)，且三力共面。舉例1第八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五舉例2

第九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.2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(duì)某一物體的活動(dòng)起著限制作用的物體。當(dāng)物體受到外力的作用時(shí)就會(huì)有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，約束對(duì)物體就會(huì)產(chǎn)生限制力，這一限制物體運(yùn)動(dòng)的力稱為約束反力，簡(jiǎn)稱約束力。2主動(dòng)力與被動(dòng)力

能夠使物體發(fā)生運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力稱為主動(dòng)力，由主動(dòng)力引起的限制物體運(yùn)動(dòng)的力稱為被動(dòng)力。約束反力是被動(dòng)力。第十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3約束的基本類(lèi)型約束的基本類(lèi)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(lèi)型。各種約束產(chǎn)生的約束力參看教科書(shū)。提示1：約束的本質(zhì)是構(gòu)件之間的相互作用。提示2：除了這些約束外，構(gòu)件之間的相互作

用也可以看作約束。第十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五4畫(huà)受力圖的基本步驟：根據(jù)題意選取研究對(duì)象，單獨(dú)畫(huà)出其簡(jiǎn)圖；畫(huà)出作用在分離體上的主動(dòng)力；畫(huà)出約束反力。凡解除約束處，根據(jù)約束性質(zhì)逐一畫(huà)上約束反力。在同一物系中，畫(huà)相關(guān)構(gòu)件的受力圖時(shí)，要利用相關(guān)物體間作用力和反作用力的特點(diǎn)，由已知方向確定未知的方向。提示：結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單時(shí)，可畫(huà)在題圖上第十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.3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平面力系平衡條件第十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.4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(lái)描述力使物體轉(zhuǎn)動(dòng)效果的物理量。簡(jiǎn)稱矩。提示1：描述構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)效果的物理量提示2：力矩與矩心位置有關(guān)第十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五提示3：計(jì)算力矩時(shí)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(guān)；但是合力的矩與各分力矩的和總是相等的，這一等量關(guān)系與所取矩心的位置是無(wú)關(guān)的。提示4：我們研究的對(duì)象是處于平衡狀態(tài)的構(gòu)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(shuō)，處于平衡狀態(tài)的構(gòu)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(wú)關(guān)。第十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2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(duì)平行力。力偶矩是描述力偶使物體轉(zhuǎn)動(dòng)效果的物理量。提示1：力偶的本質(zhì)是一對(duì)力，這對(duì)力具有大小相等，方向相反不共作用線的特點(diǎn)。提示2：力偶矩的本質(zhì)是一力矩，是力偶對(duì)空間任意一點(diǎn)的力矩的代數(shù)和。第十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五提示3：力偶矩沒(méi)有矩心的概念。力偶矩可以用下式表達(dá)：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(gè)要素相同的力偶矩互為等效力偶。第十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五5平面力偶系的合成同一平面內(nèi)的若干力偶可以合成為一個(gè)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：第十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.5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(duì)象，取分離體，做受力圖；建立坐標(biāo)系，列平衡方程；解平衡方程，求出未知數(shù)，

給出文字結(jié)論。第十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三章拉伸與壓縮第二十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五教學(xué)目的和要求了解拉/壓桿件的受力變形特點(diǎn)，能夠根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)抽象出相應(yīng)的力學(xué)模型。掌握內(nèi)力和截面法的涵義，能夠采用截面法求解內(nèi)力并繪制軸力圖。應(yīng)力、應(yīng)變和胡克定律等是本章乃至本書(shū)的重要內(nèi)容，要求正確理解，熟練掌握和運(yùn)用。了解材料的主要力學(xué)性能及其相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)，能夠借助教材和工具書(shū)獲得相關(guān)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(yīng)力、許用應(yīng)力、安全系數(shù)和強(qiáng)度條件的意義，能夠應(yīng)用強(qiáng)度公式等解決三類(lèi)工程問(wèn)題。了解影響構(gòu)件強(qiáng)度和材料性能的因素（溫度，蠕變，疲勞，應(yīng)力集中等）第二十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五重點(diǎn)內(nèi)容3.1材料力學(xué)的基本概念1構(gòu)件的變形構(gòu)件的變形可以分為三類(lèi)，即不變形，彈性變形和塑性變形。2材料力學(xué)和靜力學(xué)的比較靜力學(xué)的研究對(duì)象是剛體，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是平衡狀態(tài)，研究目的主要是獲得構(gòu)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(xué)的研究對(duì)象為變形體，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為平衡狀態(tài)，研究的目的主要是獲得構(gòu)件在外力的作用下的內(nèi)力/應(yīng)力和變形/應(yīng)變。第二十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3材料力學(xué)的工程應(yīng)用包括三個(gè)方面：新構(gòu)件設(shè)計(jì)（形狀，尺寸，材料等）；舊構(gòu)件的可靠性校核(強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性)；計(jì)算已有構(gòu)件的最大承載能力（載荷，位移）4材料力學(xué)的三個(gè)假設(shè)連續(xù)性假設(shè)；小變形假設(shè)；各向同性假設(shè)。第二十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五4構(gòu)件的分類(lèi)桿，板，殼5構(gòu)件變形的基本形式拉伸或壓縮，剪切/擠壓，彎曲，扭轉(zhuǎn)第二十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五6內(nèi)力所謂內(nèi)力，是相對(duì)于構(gòu)件的外力而言的，是構(gòu)件在外力作用下的內(nèi)力反映，是內(nèi)力的改變量，稱為附加內(nèi)力。提示：內(nèi)力不是絕對(duì)值，而是一個(gè)相對(duì)值，是內(nèi)力的改變量，或者增量。7截面法求內(nèi)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(duì)象；將棄去部分對(duì)留下部分的約束用內(nèi)力代替；對(duì)留下部分建立靜力平衡方程式，求所截得截面上的內(nèi)力。提示：求解結(jié)果與截面的位置無(wú)關(guān)；無(wú)論取那一部分作為研究對(duì)象，計(jì)算結(jié)果都是一樣的。第二十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.2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(yīng)力所謂應(yīng)力是用來(lái)描述桿件受力強(qiáng)度的物理量，其大小為單位面積上的內(nèi)力。用公式表示：第二十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3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(shí)要注意以下幾點(diǎn)：橫坐標(biāo)與桿件平行，縱坐標(biāo)與桿件垂直，橫軸水平時(shí)，上方為正，橫軸豎直時(shí)左邊為正。標(biāo)出特殊點(diǎn)的數(shù)值（包括力的大小和相應(yīng)的截面位置）。第二十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.3直桿拉伸或壓縮時(shí)斜截面上的應(yīng)力1正應(yīng)力與剪應(yīng)力與截面平行的應(yīng)力為剪應(yīng)力，與截面垂直的應(yīng)力為正應(yīng)力。2直桿拉伸/壓縮時(shí)的應(yīng)力第二十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五提示與討論討論：時(shí)，正應(yīng)力最大，剪應(yīng)力最??；時(shí)，剪應(yīng)力最大；α=90o時(shí)，，表明縱向截面內(nèi)無(wú)應(yīng)力。提示：能夠利用上述結(jié)論分析實(shí)例。第二十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.4直桿受軸向拉伸（壓縮）時(shí)的強(qiáng)度條件1桿件的強(qiáng)度條件2強(qiáng)度公式的應(yīng)用主要用來(lái)解決三類(lèi)問(wèn)題已有構(gòu)件的強(qiáng)度校核新構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)已有構(gòu)件的承載能力確定第三十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.5直桿拉伸或壓縮時(shí)的變形1絕對(duì)變形與相對(duì)變形絕對(duì)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(duì)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?。p小或增大）量，稱為應(yīng)變。第三十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變與泊松比縱向應(yīng)變：橫向應(yīng)變：泊松比：第三十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五提示：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：?jiǎn)枺簵U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(gòu)件，在拉伸載荷的作用下達(dá)到相同的縱向應(yīng)變時(shí)，由于泊松比不同，得到的橫向應(yīng)變卻是不同的。這就意味著變形后的構(gòu)件長(zhǎng)度相等而截面不再相等，進(jìn)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？第三十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3胡克定律（EA稱為抗拉剛度）第三十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.6材料拉伸和壓縮時(shí)的力學(xué)性能及測(cè)試1拉伸和壓縮試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試樣實(shí)驗(yàn)試樣按長(zhǎng)度可分為長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)曲線拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以簡(jiǎn)單地用載荷-位移曲線或者應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示。第三十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3實(shí)驗(yàn)（曲線）四個(gè)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(yīng)力波動(dòng)而應(yīng)變持續(xù)增加，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平即為屈服強(qiáng)度；強(qiáng)化階段，材料屈服一定時(shí)間后，其抵抗變形的能力開(kāi)始增加，直到達(dá)到一最大值。該最大值即為抗拉強(qiáng)度；局部變形階段，試樣的某一局部發(fā)生頸縮從而導(dǎo)致試樣的承載能力急劇下降，直至斷裂。第三十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五提示：并不是所有的塑性材料都有屈服平臺(tái)，對(duì)于這類(lèi)材料，工程上常將產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度。4通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)獲得的材料力學(xué)性能彈性模量E，屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，延伸率，斷面收縮率，泊松比。提示：學(xué)習(xí)這部分以后，不但應(yīng)該掌握基本的概念和計(jì)算方法，還要了解低碳鋼的相應(yīng)性能參數(shù)的數(shù)量級(jí)。如彈性模量通常在200GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度在150~400MPa等。第三十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五5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(diǎn)差異典型的塑性材料在拉伸和壓縮過(guò)程中可以分為四個(gè)階段，即彈性階段，塑性階段，強(qiáng)化階段和局部變形階段，而脆性材料在拉伸過(guò)程中變形較小(<5%)，壓縮過(guò)程中塑性材料不會(huì)發(fā)生斷裂破壞，而脆性材料會(huì)發(fā)生斷裂，斷裂面通常與軸線呈45度。解釋原因.第三十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五7溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響常溫下，塑性材料塑性指標(biāo)和ψ，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(qiáng)度指標(biāo)σs、σb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(shí)σb增大，這是碳鋼的一種特殊情況）。低溫對(duì)材料力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)為材料的塑性指標(biāo)隨溫度的降低而減小。當(dāng)溫度低于某一數(shù)值后，材料的塑性指標(biāo)將急劇下降，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧希@一溫度稱為無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度（NDT）。實(shí)例：titanic號(hào)失事事件。第三十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五8蠕變應(yīng)力超過(guò)一定值（遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度）時(shí)，即使應(yīng)力值保持不變，材料的塑性變形也會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)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(fù)的塑性變形。蠕變通常發(fā)生在高溫環(huán)境。9沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)的目的是測(cè)試金屬材料的抗沖擊能力。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)試樣。測(cè)試結(jié)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.第四十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五10硬度測(cè)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(zhǎng)期處在交變應(yīng)力下工作的構(gòu)件，雖然其工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限，但也會(huì)出現(xiàn)突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。第四十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期五12循環(huán)特性及交變應(yīng)力的分類(lèi)循環(huán)特性是指交變應(yīng)力的最小值與最大值的比值。據(jù)此交變應(yīng)力可以分為對(duì)稱循環(huán)，非對(duì)稱循環(huán)和脈動(dòng)循環(huán)。提示：盡管交變應(yīng)力的類(lèi)型很多，但是工程上通常都采用σ-1作為疲勞強(qiáng)度的基本數(shù)據(jù)，這是因?yàn)棣?1測(cè)試容易且在該條件下材料最容易發(fā)生疲勞破壞。第四十二頁(yè)，共五