化工机械力学基础1讲义.ppt

第一章 工程力学基础 设计化工、炼油设备时，必须按照安全、经济、可靠的原则来确定设备及零部件的截面尺寸，例如筒体的厚度、螺栓直径、支撑构件截面尺寸及规格等。 设备及零部件在工作时都受到各种各样外力作用，在确定设备及零部件截面尺寸时，必须先进行构件受力分析，为设计计算提供可靠的受力依据和分析基础。 化工、炼油设备大多数是静置设备，因此，本章讨论的受力构件或物体主要是静置状态的构件。 1.1.1 概述 1.1 受力分析 工程力学是研究物体机械运动以及构件强度、刚度、稳定性的科学。 构件在外力作用下，能够安全可靠地工作，必须满足以下力学条件： （1）强度条件 （2）刚度条件 （3）稳定性条件 (1) 强度条件 强度是指构件抵抗外力破坏的能力。构件应具有足够的强度，以保证在外力作用下不致破坏。 (2) 刚度条件 刚度是指构件抵抗外力变形的能力。构件要具有足够的刚度，以保证在外力作用下，变形量不超过正常工作允许的限度。 (3) 稳定性条件 稳定性是指构件保证原有平衡形态的能力。为了不使构件因受压而突然失去原有的平衡形态，构件要具有足够的稳定性。 静力学：研究物体在力系作用下的平衡规律。 材料力学：研究杆的强度、刚度和稳定性。 工程力学包括静力学和材料力学两部分： 受力分析实例： 塔设备受到哪些外力作用？ （1） 塔设备自身的重量 W （2） 风力 q （3） 基础对塔的反作用力 Ny （4） 基础螺栓对塔设备产生的力矩 M 和横向阻力 Nx 其中 W 和 q 可以从设计条件估算或从设计规范查出，是已知力。 Nx ，Ny 和 M 是未知力和力矩，待求取。 根据静力学原理可以求解出以上三个未知力。 1.1.2 基本概念 1. 力的概念 力是物体间相互的机械作用。这种作用使物体的运动状态发生改变（包括变形）。 例如： 人推车的力使车子的运动状态发生改变。（由静到动，由慢到快等） 地球对月球的引力使月球绕着地球转动。（不断地改变运动方向） 锻锤对锻件的冲击力使锻件改变形状等。 力对物体的作用效应决定于三个要素： （1） 力的大小 （2） 力的方向 （3） 力的作用点 国际单位制：牛顿(N) 或 千牛顿(kN) 力是矢量，力对物体的效应不仅决定于它的大小，而且还决定于它的方向，所以力是矢量。 矢量的表示方法： 按照一定的比例长度，将力沿着作用方向。画在一定的作用点处，作用线段的长度代表力的大小。力矢常用黑体字母表示，而非黑体字母表示力矢的大小。如图1-2 力可以分为体积力和表面力两类，分布在物体内部各点的力是体积力。如重力、电磁力等，作用在物体表面的力为表面力，如风力、水压力等，作用在某点的力为集中力。如支座反力、吊装物体的重力等。 图1-2 2. 刚体的概念 在研究物体受力时，为了使问题简化，可以忽略物体的变形，将受力情况下，不发生变形的物体称为刚体。 在研究问题时，如果物体的变形是研究的主要因素，就不能将物体看作刚体。 3. 平衡的概念 当物体相对于地球处于静止或作匀速直线运动，则称该物体处于平衡状态，而将作用于该物体上的力系称为平衡力系。力系平衡所满足的条件称为平衡条件。 4. 力的基本性质 （1）二力平衡原理 若刚体只受到两个力的作用而处于平衡状态，其必要且充分条件是：这两个力一定大小相等，方向相反，并作用在同一直线上。（等值、反向、共线）。如图1-4，F1、F2为作用在同一物体上的一对平衡力。 F1 F2 图1-4 （2）力的平行四边形法则 作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力。合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向由这两个力为邻边构成的平行四边形的对角线确定。如图1-6所示。 图1-6 力的平行四边形法则指出，两个力相加（合成）不能简单地求算术和，而是要用平行四边形法则求几何和，即矢量和。 同理，一个力也可以分解为两个力，分解也按力的平行四边形法则进行。按相互垂直分解的两个分力称为正交分力。 （3）作用和反作用定律 力是物体之间的相互机械作用，两物体相互作用的力符合下述重要规律：两物体间的作用力和反作用力，总是大小相等，方向相反，作用线相同，分别作用在这两个物体上。 例如:车刀作用于工件会产生切削力 P ，而工件必有反作用力 P` 作用车刀，P 和 P` 总是等值、反向、共线。 作用力与反作用力不是作用在同一物体上，而是分别作用在相互作用的两个物体上。它们相互对应，相互依存，同时存在，同时消失。而且是机械中动力传递的途径。例如齿轮将力传递给下一个齿轮。从而得到转动的动力。汽车轮子转动也是这样实现的。 作用和反作用定律是普遍性的定律，对刚体和非刚体系统均适用，在受力分析时常常用到这一定律。 前面提到的二力平衡原