力学与强度(教案)(锅炉、压力容器、压力管道) .pdf
《力学与强度(教案)(锅炉、压力容器、压力管道) .pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《力学与强度(教案)(锅炉、压力容器、压力管道) .pdf(33页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、力学与强度力学与强度力学与强度力学与强度 (教(教(教(教案)案)案)案) 2002002002006 6 6 6 年年 9 9 9 9 月月 1 主要内容主要内容 第一部分第一部分材料力学基本知识材料力学基本知识 一、构件的承载方式 二、应力与应变 三、低碳钢的拉伸试验及其机械性能 四、拉伸和压缩的强度条件 五、复杂应力状态 六、强度理论 第二部分第二部分锅炉压力容器压力管道强度概论锅炉压力容器压力管道强度概论 一、 锅炉压力容器压力管道载荷种类 二、 锅炉压力容器压力管道常规设计中的强度控制原则 (名义应力) 三、 边缘应力 四、 分析设计中的应力分类与控制原则 五、 热应力 六、 应力集
2、中与疲劳 七、 有限元方法在锅炉压力容器应力分析中的应用 2 第一部分第一部分材料力学基本知识材料力学基本知识 一、构件的承载方式一、构件的承载方式 构件的简单承载方式分为:拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转构件的简单承载方式分为:拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转。 下下 面以杆件分别予以说明。面以杆件分别予以说明。 表表 1-11-11-11-1杆件的基本变形形式杆件的基本变形形式 杆件受到作用线与杆轴线重合的大小相等,方向相反的拉力,这杆件受到作用线与杆轴线重合的大小相等,方向相反的拉力,这 时杆件承受拉伸作用,其变形称为拉伸变形。时杆件承受拉伸作用,其变形称为拉伸变形。 杆件受到作用线与杆轴线重合
3、的大小相等,方向相反的压力,这杆件受到作用线与杆轴线重合的大小相等,方向相反的压力,这 时杆件承受压缩作用,其变形称为压缩变形。时杆件承受压缩作用,其变形称为压缩变形。 杆件承受与其轴线垂直的力的作用,或承受弯矩作用,这时杆件杆件承受与其轴线垂直的力的作用,或承受弯矩作用,这时杆件 承受弯曲作用,产生的变形称为弯曲变形。承受弯曲作用,产生的变形称为弯曲变形。 杆件受到作用线与杆轴线垂直,距离很近的大小相等、方向相反杆件受到作用线与杆轴线垂直,距离很近的大小相等、方向相反 的两个力的作用时的两个力的作用时,这时杆件承受剪切作用这时杆件承受剪切作用,产生的变形称为剪切变产生的变形称为剪切变 3 形
4、。形。 杆件受到在垂直于杆轴平面内的大小相等、转向相反的两个力偶杆件受到在垂直于杆轴平面内的大小相等、转向相反的两个力偶 作用,杆件则承受扭转作用,产生的变形称为扭转变形。作用,杆件则承受扭转作用,产生的变形称为扭转变形。 复杂承载状况往往是上述几种承载形式的组合复杂承载状况往往是上述几种承载形式的组合, 或同一种或几种或同一种或几种 承载方式在不同方向上的组合承载方式在不同方向上的组合。 如汽车的驱动轴同时承受扭转如汽车的驱动轴同时承受扭转、 弯曲弯曲、 、 剪切作用。再如气瓶的圆筒部分承受沿轴向和环向双向拉伸作用。剪切作用。再如气瓶的圆筒部分承受沿轴向和环向双向拉伸作用。 二、应力与应变二
5、、应力与应变 物体承受外载荷后物体承受外载荷后, 在其剖面上存在其剖面上存 在内力。单位面积上的内力称为应力在内力。单位面积上的内力称为应力, 根据剖面的方向不同和载荷的类型不根据剖面的方向不同和载荷的类型不 同,在剖面上存在垂直于剖面方向拉同,在剖面上存在垂直于剖面方向拉、 压应力压应力(称正应力称正应力)和平行于剖面方向和平行于剖面方向 的剪应力作用的剪应力作用。 以杆件拉伸为例加以介以杆件拉伸为例加以介 绍。绍。 研究研究图图 1 1 1 11 1 1 1( ( ( (a)a)a)a)所示所示的杆件的杆件 ABABABAB。 杆杆 件承受拉伸载荷件承受拉伸载荷 P P P P,我们用与轴
6、线垂直的平面我们用与轴线垂直的平面 mnmnmnmn 将杆件分割将杆件分割,在横在横 截面存在内力截面存在内力 N N N N。如横截面面如横截面面积为积为 A A A A,则则作作用在单位横截面面用在单位横截面面积积上上的的 内内力的力的大小为:大小为: A P A N = (1-1)(1-1)(1-1)(1-1) 式中式中 称为截面上的正应称为截面上的正应力,方向垂直于横力,方向垂直于横截面截面。 图 1-1 杆受力分析 4 杆件在拉伸或压缩时杆件在拉伸或压缩时,其长度其长度将将发生改变,发生改变,若杆件若杆件原长原长为为 L L L L, 受受 轴向拉轴向拉伸后其长度变为伸后其长度变为
7、L+L+L+L+ L L L L, L L L L 称为绝对伸长。实验表明称为绝对伸长。实验表明,用同用同 样材料制成的杆件样材料制成的杆件,其变形量与应力的大小其变形量与应力的大小及杆及杆件原件原长有关长有关。截面积截面积 相相同同、受力相等受力相等的的条件下条件下,杆杆件件越长越长,绝对伸长越绝对伸长越多多。为了确切地表为了确切地表 示变形程度,引入示变形程度,引入单位单位长度上的长度上的伸伸长量:长量: L L = (1-2)(1-2)(1-2)(1-2) 式中式中 称为相对伸长或线应变,它是一个没有单位的数量。称为相对伸长或线应变,它是一个没有单位的数量。 三、低碳钢的拉伸试验及其机械
8、性能三、低碳钢的拉伸试验及其机械性能 金属在拉伸和压缩时的机械性能是正确设计、安全使用机器设备金属在拉伸和压缩时的机械性能是正确设计、安全使用机器设备 零件的重要依据。材料的机械性零件的重要依据。材料的机械性能只能只有在受力作用时才能显示出来有在受力作用时才能显示出来, , 所以它们都是通过各种试验测定的。测定材料性能的试验种类很多所以它们都是通过各种试验测定的。测定材料性能的试验种类很多, , 最常用的几项性能指标是通过拉伸测出。最常用的几项性能指标是通过拉伸测出。 实实验表明,杆件拉伸或压缩时的变形和破坏,不仅和受力的大小验表明,杆件拉伸或压缩时的变形和破坏,不仅和受力的大小 有关有关,而
9、且和材料的性而且和材料的性能有关能有关。低碳钢低碳钢是工程上最常用的材料是工程上最常用的材料,它们它们 的机械性能也比较典型。下面重点讨的机械性能也比较典型。下面重点讨 论低碳钢拉伸论低碳钢拉伸实验实验。 试件试件是按标准尺寸制作是按标准尺寸制作的的,以便能以便能 统一比较实验的结果。对于圆形截面统一比较实验的结果。对于圆形截面 拉伸标准试件,标距拉伸标准试件,标距 L L L L0 0 0 0与直径与直径 d d d d0 0 0 0之间有如下关系之间有如下关系( ( ( (图图 1-1-1-1-2 2 2 2) ) ) )。 长试件:长试件: 00 10dL= 短试件:短试件: 00 5d
10、L= 规定规定mm10 0 =d 实验时实验时,先量出试件的标距先量出试件的标距L L L L0 0 0 0和和直径直径d d d d0 0 0 0,然后将试件装在材料试然后将试件装在材料试 图 1-2 拉伸标准试件 5 验机上验机上,启动加力机构启动加力机构,缓慢增加拉力缓慢增加拉力P P P P直直至断裂为止至断裂为止。在加力过程在加力过程 中随时记录载荷中随时记录载荷 P P P P 和相应的变形量和相应的变形量 L L L L的的数值。同时还要注意观察试数值。同时还要注意观察试 件变形和破坏的现象。件变形和破坏的现象。 目前的材料试验机均配有计算机数据采集系统,在目前的材料试验机均配有
11、计算机数据采集系统,在实验时,实验时,通过通过 计算机采数计算机采数, 可采集载荷可采集载荷P P P P和位移和位移 L L L L, 在坐标纸上以横坐标表示在坐标纸上以横坐标表示 L L L L, , 纵坐标表示纵坐标表示P P P P,画出试件的受力与变形关系的曲线画出试件的受力与变形关系的曲线,这个曲线称为拉这个曲线称为拉 伸伸曲线曲线。图图 1-1-1-1-3 3 3 3 所示为低碳钢的拉伸所示为低碳钢的拉伸曲线曲线。 拉伸试验所得结果可以通过拉伸试验所得结果可以通过P-P-P-P- L L L L曲线全面反映出来,但是用它曲线全面反映出来,但是用它 来直接定量表达材料的某些机械性质
12、还不甚方便。因为材料即使一来直接定量表达材料的某些机械性质还不甚方便。因为材料即使一 样样,但试件尺寸不同时但试件尺寸不同时,我们会得到不同的我们会得到不同的P-P-P-P- L L L L曲曲线线。为排除试件为排除试件 尺寸的影响尺寸的影响, 将图的坐标进行变换将图的坐标进行变换: 纵坐标纵坐标P P P P除以试件原有横截面面除以试件原有横截面面 积,变换成应力,横坐标积,变换成应力,横坐标 L L L L除以试件原除以试件原长长L L L L0 0 0 0,变换成应变,变换成应变 。这样。这样 得到的得到的 - - - - 曲线就与试件尺寸无关曲线就与试件尺寸无关,称为应力称为应力- -
13、 - -应变图应变图( ( ( (图图 1-41-41-41-4) ) ) ),它直接它直接 反映了材料的机械性能。下面就以应力反映了材料的机械性能。下面就以应力- - - -应变应变图图为根据来分析低碳钢为根据来分析低碳钢 拉伸时表现出的主要机械性能。拉伸时表现出的主要机械性能。 图图 1 1 1 14 4 4 4 为低碳钢拉伸的应力应变为低碳钢拉伸的应力应变曲线曲线。 显然它与显然它与载荷位移曲线载荷位移曲线相相 似似。这条曲线大体上可以分成四个这条曲线大体上可以分成四个阶阶段段:O O O OA A A A、BCBCBCBC、CDCDCDCD、D D D DE E E E。下面下面 图图
14、1- 1- 1- 1-3 3 3 3拉伸试验拉伸试验P-P-P-P- L L L L曲曲线线 图图 1-41-41-41-4 拉伸应力拉伸应力- - - -应变应变曲线曲线 6 逐段进行分折。逐段进行分折。 1 1 1 1弹性弹性变形变形阶段阶段 在在 - - - - 图上图上,OAOAOAOA 这这段表示弹性阶段段表示弹性阶段。在这个阶段内在这个阶段内,变形是完全变形是完全 弹性的弹性的。即如果在试件上加载即如果在试件上加载,使其应力不超过使其应力不超过 A A A A 点所对应的应力点所对应的应力, , 那么卸载后试件将完全恢复原来形状。因此那么卸载后试件将完全恢复原来形状。因此 A A
15、A A 点所示的应力是保证点所示的应力是保证 材料不发生不可恢材料不发生不可恢复复变形的最高限值变形的最高限值, 我们称这个应力值我们称这个应力值为为材料的弹材料的弹 性极限,用性极限,用 p p p p表示。例如表示。例如 Q235-AQ235-AQ235-AQ235-A 钢的钢的 p p p p200200200200MPaMPaMPaMPa。 在弹性阶段内,应力与在弹性阶段内,应力与应变成正比,即应变成正比,即 =E(1-(1-(1-(1-3 3 3 3) ) ) ) 式中式中E E E E为比例常数,称为材料的弹为比例常数,称为材料的弹性性模模量,为材料常数。量,为材料常数。材料材料E
16、 E E E 值值的大小反映的是材料抵抗弹性变形能力的高低的大小反映的是材料抵抗弹性变形能力的高低。E E E E的单位与应力相的单位与应力相 同同。 低碳钢的低碳钢的E E E E(2(2(2(2. . . .0 0 0 02.12.12.12.1) ) ) ) 101010105 5 5 5MPaMPaMPaMPa, 其它材料的其它材料的 E E E E 值可查值可查材料材料手册手册。 以上我们所讨论的变形都是指杆的轴向伸长或缩短,实际上当以上我们所讨论的变形都是指杆的轴向伸长或缩短,实际上当杆杆 沿轴向沿轴向( ( ( (纵向纵向) ) ) )伸长伸长时时,其横向尺寸将缩小;反之,当杆受
17、到压缩时,其横向尺寸将缩小;反之,当杆受到压缩时, 其横向尺寸将增大。设杆其横向尺寸将增大。设杆的原直径为的原直径为d d d d,受拉伸后直径缩小为,受拉伸后直径缩小为d d d d1 1 1 1,则则 其横向收缩应为:其横向收缩应为: 01 ddd= 令令 = d d (1-(1-(1-(1-4 4 4 4) ) ) ) 称称 为为横向线应变横向线应变。当杆受拉伸时当杆受拉伸时,其纵向线应变其纵向线应变 0 L L = 为正值为正值,其横其横 向线应变向线应变 为负值。为负值。 试验已证明试验已证明, 弹性阶段拉弹性阶段拉( ( ( (压压) ) ) )杆的横向应变与轴向应变之比的绝对杆的
18、横向应变与轴向应变之比的绝对 值是一个常数,即值是一个常数,即 = (1-(1-(1-(1-5 5 5 5) ) ) ) 7 称为横向变形系数或泊桑比称为横向变形系数或泊桑比,是一无量纲的量是一无量纲的量,其数值随材料而其数值随材料而 异异,也是通过试验测定的也是通过试验测定的。表表 1-21-21-21-2 给出常用材料弹性模量及横向变形给出常用材料弹性模量及横向变形 系数的值。系数的值。 表表 1-21-21-21-2 常用材料弹性模量及横向变形系数的值常用材料弹性模量及横向变形系数的值 材料名称材料名称牌号牌号 弹性模量弹性模量 E E E E (101010105 5 5 5MPaMP
19、aMPaMPa) 泊桑比泊桑比 低碳钢低碳钢2.02.12.02.12.02.12.02.10.240.280.240.280.240.280.240.28 中碳钢中碳钢454545452.052.052.052.05 低合金钢低合金钢16Mn16Mn16Mn16Mn2.02.02.02.00.250.300.250.300.250.300.250.30 合金钢合金钢40CrNiMoA40CrNiMoA40CrNiMoA40CrNiMoA2.12.12.12.1 灰口铸铁灰口铸铁0.61.620.61.620.61.620.61.620.230.270.230.270.230.270.230.
20、27 球墨铸铁球墨铸铁1.51.81.51.81.51.81.51.8 铝合金铝合金LY12LY12LY12LY120.710.710.710.710.330.330.330.33 硬质合金硬质合金3.83.83.83.8 混凝土混凝土0.1520.360.1520.360.1520.360.1520.360.160.180.160.180.160.180.160.18 木材木材( ( ( (顺纹顺纹) ) ) )0.090.120.090.120.090.120.090.12 2 2 2 2屈服阶段、屈服极限屈服阶段、屈服极限 s s 应力超过弹性极限以后,曲线应力超过弹性极限以后,曲线上上
21、升坡度变缓,很快我们就发现,升坡度变缓,很快我们就发现, 在在 B B B B 点附近,试件的应变量是在应力基本保持不变的情况下不断增点附近,试件的应变量是在应力基本保持不变的情况下不断增 长。这种现象说明,当试件内应力达到长。这种现象说明,当试件内应力达到 B B B B 点所对应的应力值点所对应的应力值 s s时时, , 材料抵抗变形的能力暂时消失了材料抵抗变形的能力暂时消失了,它不再像弹性阶段它不再像弹性阶段,随着变形量的随着变形量的 增大而不断增大抗力了增大而不断增大抗力了。于是人们就形象地比喻说于是人们就形象地比喻说,材料这时对外力材料这时对外力 “ “ “ “屈服屈服” ” ” ”
22、了了, 并把出现这种现象的最低应力值并把出现这种现象的最低应力值 s s称作材料的屈服极限称作材料的屈服极限。 。 8 例如例如 Q235-AQ235-AQ235-AQ235-A 钢的钢的 s s=235MPa=235MPa=235MPa=235MPa。 试试件内的应力达到屈服极限以后所发件内的应力达到屈服极限以后所发 生的变形,经试验证明是不可恢复的变形,这时即使将外力卸掉生的变形,经试验证明是不可恢复的变形,这时即使将外力卸掉, 试试 件也不会完全恢复原来的形状。件也不会完全恢复原来的形状。 材料出现屈服现象,就会有较大的塑性变形。这对一般零件都是材料出现屈服现象,就会有较大的塑性变形。这
23、对一般零件都是 不允许的不允许的。因此因此,一一般认为般认为应力到达屈服极限是材料丧失工作能力的应力到达屈服极限是材料丧失工作能力的 标志。一般零件的实际工作应力,都必须低于标志。一般零件的实际工作应力,都必须低于 s s。 对于没有明显屈服极限的材料对于没有明显屈服极限的材料, 规定用出现规定用出现 0 0 0 0. . . .2 2 2 2%塑性变形时的应塑性变形时的应 力作为名义屈服极力作为名义屈服极限,限,用用 0.2 0.2 表示。表示。 3 3 3 3强化阶段、强度极限强化阶段、强度极限 b b 曲线过曲线过 C C C C 点以后点以后,又逐渐上升又逐渐上升,表示经过屈服阶段以后
- 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:
- 力学与强度教案锅炉、压力容器、压力管道 力学 强度 教案 锅炉 压力容器 压力 管道
链接地址:https://www.31doc.com/p-3699967.html