1零部件受力分析.ppt
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1、化工设备机械基础,化工机械(化工生产的技术设备)是实现化工生产的手段。化学工业的发展是化工机械发展的动力,而化学工业的发展,不仅和化学工艺过程有关,在很大程度上还取决于化工机械的发展。 例:70年代高压透平压缩机的发展,使合成氨生产达到大规模低能耗的水平;超高压容器的进展,使高压聚乙烯,人工合成金刚石等原来难以实现的生产工艺成为现实等等。 化工机械包括机器与设备两大类。本课程只讲述容器与设备部分。 化工容器通常是用来贮存物料的。 化工设备则是在化工生产中用于传热、传质和化学反应等过程的装置,如换热器、反应器等。 由于化工设备都要用容器做外壳,所以容器也是化工设备的基本组成部分。容器与设备都是化
2、工生产中的重要技术装备,在石油、轻工、冶金、核能以及农副产品的加工中广泛应用。,19.2.20,2,一、绪 论,一、绪 论,一、容器的概念 1化工设备工艺过程中静止设备的总称。 2容器化工设备外壳的总称。 3压力容器承受压力载荷作用的容器。 (由于化工容器几乎都承受压力载荷,通常直接称其为压力容器。化工容器的特点:为高温、高压,介质易燃易爆、有毒。),19.2.20,3,一、绪 论,一、绪 论,二、化工容器的结构组成 化工容器一般由筒体、封头、支座(基本件)、接管、法兰(对外连接件)、人孔、手孔、液面计(附件)以及一些内构件等零部件组成。 1筒体、封头:就如同房子四周的墙,它是构成容器空间的主
3、要部件(属主要受压元件)。壳体按形状的不同,可以分为圆筒壳体、圆锥壳体、球壳体、椭圆壳体、矩形壳体等等。而封头有椭圆形封头、半球形封头、碟形封头、锥形封头及平板封头等。 2接管:是介质进出容器的通道。 3法兰:是容器及接管的可拆连接装置,分为设备法兰和管法兰(属主要受压元件)。 4支座:是用于支承容器的部件。 5人孔、手孔:是为便于制造、检验和维护管理而设置的部件(属主要受压元件)。 6液面计:用于观察或监控液位的部件(属安全附件,此外还有安全阀、压力表等)。,19.2.20,4,一、绪 论,一、绪 论,P273,一、绪 论,19.2.20,5,三 、目的和意义 合理设备可以简化流程,降低成本
4、 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 掌握化工设备的设计计算,及典型机械传动。,本课程属于化工/工程等专业的基础课程;其目的是介绍和分析化工设备及其零部件的受力,受力构件的变形规律及其强度、刚度和稳定条件,常见材料,传动装置,容器、塔设备及反应釜的机械设计方法等内容,从而获得必要的机械基础知识,初步具有压力容器和化工设备的设计能力。 该学科涉及面广,且结合工程实际。,一、绪 论,一、绪 论,19.2.20,6,四、主要内容及学时安排 第一篇 工程力学(1-6) 46 学时 第二篇 材料 (7) 6 学时 第三篇 机械传动与减速器 (8-13) 学时 第四篇 容器设
5、计 (14-16) 20 学时,一、绪 论,一、绪 论,19.2.20,7,五、参考书目 1化工设备设计基础,周志安、尹华杰等编,化学工业出版社 2 化工设备机械基础,陈国桓主编,化学工业出版社 3工程力学 ,朱熙然主编,上海交通大学出版社 4化工设备机械基础,刁玉玮、王立业编,大连理工大学 出版社 5化工设备机械基础, 化工设备机械基础编写组编,石油工业出版社 6化工设备机械基础,唐尔韵、詹长福编,中央广播电视大学出版社 7 化工设备机械基础,董大勤编,化学工业出版社 8 材料力学,刘鸿文编,高等教育出版社 9 材料力学,于绶章编,高等教育出版社,一、绪 论,第一篇 工 程 力 学,19.2
6、.20,8,理论力学:研究物体机械运动一般规律 材料力学:研究构件承载能力,构件(设备及其零部件)承受荷载能力满足以下三个条件: 1要有足够抵抗外力破坏的能力,即要有足够的强度。 (强度: 构件抵抗破坏的能力) 2在外力作用下不发生超出许可的变形,即要有一定的刚度。 (刚度:构件抵抗变形的能力) 3在外力作用下不能保持它原有的几何形状而不致突然失去 原形,即具有充分的稳定性。 (稳定性:构件保持原有平衡形态能力),工程力学的任务:研究构件的强度、刚度和稳定性问题。,本篇主要内容:研究构件的受力情况及平衡条件,进行受力大小的计算; 研究构件的受力变形与破坏的规律,进行构件的强度、刚度和稳定性计算
7、。,工 程 力 学,1、零部件受力分析,19.2.20,9,化工设备设计的原则:安全、经济、可靠。,工 程 力 学,化工容器机械设计的基本要求 容器的设计,包括零部件的机械设计,应该满足下面八个方面的基本要求: 1、强度元件能抵抗外力破坏的能力; 2、刚度构件抵抗外力使其不发生变形的能力; 3、稳定性容器在外力作用下维持其原有形状的能力; 4、耐久性满足容器的使用年限的要求; 5、密封性保证安全和维持正常的操作条件; 6、节省材料和便于加工制造; 7、方便操作和便于运输; 8、技术经济指标合理。,1、零部件受力分析,19.2.20,10,一、力的概念,1.1 受力分析概述:,力物体间的一种相互
8、机械作用。力使物体的运动状态或 形状发生改变。,力的效应,理论力学主要研究力的外效应。 力对物体的效应取决于力的三要素:大小;方向;作用点。,力通过物体直接接触或通过物体和场(重力场、电磁场等)的相互作用而产生。,力的作用点即力的作用位置。一般并非一个点。,如两物体直接接触时的压力为面分布力,重力为体积分布力。若分布面积很小或研究力对物体的外效应时可将其简化为作用于接触面中心或重心的集中力。,工 程 力 学,1、零部件受力分析,19.2.20,11,1.1 受力分析概述:,力的单位集中力:N、KN;面分布力:N/m2(Pa)、Mpa、 Gpa,一、力的概念,力系作用在物体上的许多力(两个或两个
9、以上)。 平衡力系若物体在力系的作用下处于平衡状态,则这个力系称为 平衡力系。,力的表示法: (1)黑体字母,如:W、R、F等。相应的普通体字母R、F表示其大小。 (2)有向线段:,说明:以解析法计算力的大小时,线段AB长度可不按比例画出。,二、几个基本的概念,平衡力系是对物体作用的外效应等于0的力系。,工 程 力 学,19.2.20,12,1.1 受力分析概述:,平衡物体相对于地面静止或做匀速直线运动。 等效力系两个力系对同一刚体的作用效果相同,称为等效力系。 刚体尺寸和运动范围远大于其变形量时可视为刚体。 如:机器上的轴:挠度5/1000跨距;转角(0.51)/m。 变形固体材料力学中研究
10、物体变形时不能将物体视为刚体。 合力与分力若一个力与一个力系等效则这个力是此力系的合力,此 力系中各力称为这个力的分力。 力的合成由分力求合力。 力的分解由合力求分力。,二、几个基本的概念,工 程 力 学,1、零部件受力分析,19.2.20,13,1、力的成对性(作用与反作用定律)两个物体之间的作用力与反作用力总是成对存在,且等值、反向、共线,分别作用在两个物体。,1.1 受力分析概述:,三、力的性质:,2、力的可传性作用在刚体上的力,可沿其作用线移到刚体上任意一点而不改变此力对刚体的外效应(只适用于刚体)。,作用在刚体上的力的的三要素是:力的大小、方向和作用线。,工 程 力 学,1、零部件受
11、力分析,19.2.20,14,1.1 受力分析概述:,三、力的性质,力的平行四边形法则或三角形法则,3、力的可合性作用在物体上同一点的两个力,可以合成一个合力。此合力也作用在该点,其大小和方向由这两力为邻边构成的平行四边形的主对角线确定。,工 程 力 学,1、零部件受力分析,4、力的可分性利用平行四边形法则也可将作用于物体上的一个力分解为两个力(有无穷多解)。工程上常将一力分解为互相垂直的两个分力(正交分力),称为正交分解。如下图所示:,19.2.20,15,1.1 受力分析概述:,三、力的性质,F切削力(横向切削即切槽); Ft=Fsin切削抗力; Fr=Fcos吃刀抗力。,5、力的可加可消
12、性对受力刚体,可加上或去掉一个平衡力系,而不改变原力系对刚体的外效应(作用在刚体上的平衡力系中各力的外效应互相抵消了)。,工 程 力 学,1、零部件受力分析,1、二力平衡定理作用在刚体上的两个力,使刚体保持平衡的充要条件为:等值、反向、共线 :,19.2.20,16,1.1 受力分析概述:,四、力的平衡条件,如用钢丝绳起吊重物: (1)T=G匀速升降或静止; (2)TG加速上升; (3)TG加速下降。,二力体(杆):只受两个力作用而保持平衡的物体(或杆件)。二力杆未必为直杆。 二力杆上两外力的作用线与两力作用点而与杆的实际形状无关。,2、三力平衡汇交定理某刚体受三个力作用而处于平衡状态,若其中
13、两个力的作用线相交于一点,则第三个力的作用线也必交于同一点。,工 程 力 学,1、零部件受力分析,1.2 约束、约束反力,19.2.20,17,一、约束与约束力,自由体:物体在空间能沿任意方向、不受限制的自由运动。 被约束体(非自由体):被限制运动的物体称为被约束体(物)。 约束:对某一物体运动起限制作用的其他物体。,如轴受轴承限制只能转动,轴承称为约束,轴是被约束物体;机床工作台受床身导轨限制只能沿导轨纵向移动,导轨是约束,工作台是被约束物。,约束反力(反力)约束给被约束物体的力,是约束所产生的被动力。, 主动力(载荷、给定力) 约束力以外的所有力。如:重力、切削力、电磁力、弹簧力等。一般为
14、已知或可测定,或可用静力学以外的方法计算。, 约束力的方向与该约束所能限制物体运动的方向相反,大小一般未知,需由平衡条件求出。,工 程 力 学,19.2.20,18,二、几种机械设备上常见的约束:,1、柔软体约束(链条、皮带、钢丝绳等),理想柔索忽略刚性,不计重力,绝对柔软且不可伸长。,柔索给被约束物体的力,方向一定沿着柔索的中心线且背离被约束的物体,并且只能是拉力。,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。,工 程 力 学,1.2 约束、约束反力,19.2.20,19,二、几种机械设备上常见的约束:,1、柔软体约束(链条、皮带、钢丝绳等),用钢丝绳通过定滑轮匀速起
15、吊重物,吊环及重物受力,柔性约束示意图,工 程 力 学,1.2 约束、约束反力,1.2 约束、约束反力,19.2.20,20,二、几种机械设备上常见的约束:,1、柔软体约束(链条、皮带、钢丝绳等),工 程 力 学,19.2.20,21,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。,二、几种机械设备上常见的约束:,2、光滑面(线)约束,面间摩擦力远小于其它各力时可忽略不计而认为接触面是光滑的。 光滑接触面给被约束物体的力,方向必沿着接触面在接触点的公法线,并且只能是压力(不能互相嵌入)。,工 程 力 学,1.2 约束、约束反力,1.2 约束、约束反力,19.2
16、.20,22,二、几种机械设备上常见的约束:,2、光滑面(线)约束,工 程 力 学,1.2 约束、约束反力,19.2.20,23,二、几种机械设备上常见的约束:,3、铰链约束,(1)、固定铰链支座约束,工 程 力 学,固定支座-约束物固定不动的铰链。如轴承座即此。,根据光滑接触面约束力的特点:光滑铰链给被约束物体的力必沿着接触点的公法线,且只能是压力。 由于接触点在圆周上的位置不易确定,所以可将约束力用两个正交分力Nx、Ny表示,1.2 约束、约束反力,19.2.20,24,二、几种机械设备上常见的约束:,3、铰链约束,(1)、固定铰链支座约束,工 程 力 学,1.2 约束、约束反力,19.2
17、.20,25,二、几种机械设备上常见的约束:,3、铰链约束,(1)、固定铰链支座约束,工 程 力 学,1.2 约束、约束反力,19.2.20,26,二、几种机械设备上常见的约束:,3、铰链约束,(1)、固定铰链支座约束,工 程 力 学,1.2 约束、约束反力,19.2.20,27,工 程 力 学,二、几种机械设备上常见的约束:,3、铰链约束,(2)、活动铰链支座约束(辊轴支座约束),特点:只能阻止物体沿垂直于支承面的方向移动,其约束反力的方向垂直于支承面,且指向被约束物体。,1.2 约束、约束反力,19.2.20,28,工 程 力 学,二、几种机械设备上常见的约束:,3、铰链约束,(2)、活动
18、铰链支座约束,1.2 约束、约束反力,19.2.20,29,工 程 力 学,二、几种机械设备上常见的约束:,4、固定端约束,特点:构件的一端嵌入基础或建筑物内部使连成一体,完全固定,使构件不能移动(纵向、横向和转动)。,1.2 约束、约束反力,19.2.20,30,工 程 力 学,二、几种机械设备上常见的约束:,4、固定端约束,解除约束原理:为了清楚地表示给定物体的受力情况,必须假想将约束解除,而以相应的约束反力来代替约束的作用,这就是所谓解除约束原理。,或者是:为了不改变分离体的受力情况,将周围约束物体对分离体的作用用约束反力来代替。,分离体:被分离出来的研究对象。,受力图:物体的受力简图(
19、主动力和约束反力)。,1.2 约束、约束反力,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C采用活动式鞍座。试画出容器的受力图。,19.2.20,31,工 程 力 学,三、受力图及其画法:,1.2 约束、约束反力,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。,19.2.20,32,工 程 力 学,三、受力图及其画法:,1.2 约束、约束反力,(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。,19.2.2
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