1、化工设备设计基础 主讲教师:方书起 袁振伟 开课院系:化工与能源学院 过程装备与控制系化工设备设计基础n 本课程内容组成：u 工程力学基础u 薄壁容器设计u 典型化工设备设计n 本课程目的：u掌握必要的力学基础知识u初步具备压力容器和化工设备的设计能力郑州大学化工与能源学院n上课要求：u上课不能迟到（不早退、不旷课）；u作业按时独立完成；u上课关闭手机；u上课禁止吃东西。n成绩评定：化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院第一篇 工程力学基础 构件 必须满足以下三方面要求：要有足够的强度：构件抵抗外力对其破坏的能力。要有足够的刚度：构件在外力作用下不发生超出许可变形的能力。要有足够的稳定性：构件
2、在外力作用下能保持它原有几何形状而不发生突然失去原形的能力。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院n工程力学的任务:研究构件的强度、刚度和稳定性问题。n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规律，进行构件的强度，刚度和稳定性计算。化工设备设计基础第一篇 工程力学基础郑州大学化工与能源学院化工设备设计基础第1章 构件的受力分析（78学时）郑州大学化工与能源学院 第1章 构件的受力分析u构件的受力分析：构件上受到哪些外力作用其大小、方向如何?构件的受力分析是指构件处在平衡状态下的受力分析。u平衡状态：构件在外力作用下，相对于地面保持静止或匀速直线运动状
3、态。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-1 力的概念及性质 一、力的概念 力是物体之间的相互机械作用。1、力的两种效应：使物体的运动状态发生改变外效应。使物体产生变形内效应。2、刚体：在外力作用下不变形的物体。刚体只考虑力的外效应。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院3、力的三要素：力的大小、方向和作用点（线）1-1 力的概念及性质化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院4、力的表示：力是一个矢量，矢量用黑体字或在白体字上方加一箭头；5、单位：按照国际单位制，力的单位用“牛顿(N)”或“千牛顿（KN）”1-1 力的概念及性质化工设备设计基础FFF郑州大学化工与能源学院二、力的基本性质 1
4、、几个概念：（1）力系:作用在同一物体上的两个或两个以上的力。（2）平衡力系:使物体处于平衡状态的力系。u平衡力系中的各力对物体作用的外效应彼此抵消，因此平衡力系是对物体作用的外效应等于零的力系。化工设备设计基础1-1 力的概念及性质郑州大学化工与能源学院 （3）等效力系：若两个力系分别作用于同一物体它们所产生的外效应相同，则这两个力系互为等效力系。（4）合力与分力、合成与分解：若一个力与一个力系等效，则这个力是该力系的合力，而该力系中的各个力为其合力的分力。合成：由力系求合力的过程。分解：将合力转化成几个分力的过程。化工设备设计基础1-1 力的概念及性质郑州大学化工与能源学院2、力的基本性质
5、：（1）力的成对性：分别作用在两个物体上；（2）二力平衡条件：刚体只受两个力作用而处于平衡状态，则该二力必大小相等、方向相反，且作用在同一直线上；u二力构件(二力杆)化工设备设计基础1-1 力的概念及性质（3）力的可传性：郑州大学化工与能源学院（4）力的可合性与可分性 (力的平行四边形法则和力三角形法则)化工设备设计基础1-1 力的概念及性质郑州大学化工与能源学院注：合力具有唯一性。化工设备设计基础1-1 力的概念及性质郑州大学化工与能源学院注：分力不具唯一性。u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两个力的作用线相交于一点，则第三个力的作用线必交于同一点。化工设备设计基础1
6、-1 力的概念及性质郑州大学化工与能源学院1-2 约束与约束反力 1、概念：（1）自由体：在空间能沿任何方向、不受限制的自由运动的物体。（2）非自由体或被约束体：在某些方向上受到限制而不能完全自由运动的物体。（3）约束：限制非自由体运动的物体。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院2、约束分类：（1）柔软体约束：由绳索、胶带、钢丝绳等柔性物体产生的约束。u约束反力的方向：沿着柔软体的中心线且背离被约束的物体。化工设备设计基础1-2 约束与约束反力GTA郑州大学化工与能源学院（2）光滑面约束：一些光滑支承表面(如导轨、托轮等)产生的约束。u光滑面约束反力的方向：沿着接触点的公法线，并指向被约束的
7、物体。化工设备设计基础1-2 约束与约束反力NNANB郑州大学化工与能源学院（3）圆柱铰链约束化工设备设计基础1-2 约束与约束反力 郑州大学化工与能源学院活动铰链（活铰）支座（活支）：在支座下装一滚轴，使其能沿支撑面移动。只能阻止物体沿着垂直于支撑面的方向运动。化工设备设计基础1-2 约束与约束反力郑州大学化工与能源学院 固定铰链（固铰）支座（固支）：轴承化工设备设计基础1-2 约束与约束反力郑州大学化工与能源学院（4）固定端约束化工设备设计基础1-2 约束与约束反力郑州大学化工与能源学院1-3 受力图 1、受力图：表示构件及其所受全部外力的图。化工设备设计基础 2、分离体：把所分析的构件(
8、即研究对象)从与它们联系的周围约束物体中分离出来，单独画出。郑州大学化工与能源学院n例1-1 图所示为两个油桶堆放在地下槽中桶I、的重力分别为G1，G2，试作出每个桶的受力图。（a）化工设备设计基础1-3 受力图（b）（c）G1NANBN/BG2NCND郑州大学化工与能源学院u 例1-2 水平梁AB用斜杠CD支撑，A、D、C三处均为圆柱铰链联接(图)。水平梁的重力为G，其上放置一个重为Q的电动机。如不计斜杆CD的重力，试画出斜杆CD和水平梁AB的受力图。化工设备设计基础1-3 受力图NAyNAxGRDQRDRC郑州大学化工与能源学院画受力图时注意的问题：确定研究对象，即首先明确画哪个构件。解除
9、约束，即将研究对象单独画出。先画主动力，再画出约束反力。画约束反力时要充分考虑约束的性质。在画相互制约的各构件的受力图时，要利用相邻构件作用力与反作用力之间的关系。化工设备设计基础1-3 受力图郑州大学化工与能源学院1-4 平面汇交力系的合成与平衡条件u平面汇交力系：作用于物体上的各力的作用线位于同一平面内，且汇交于一点的力系。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-4 平面汇交力系的合成与平衡条件niinFFFFR12101niiFR化工设备设计基础一、平面汇交力系的几何法与平衡条件平衡条件F5F5郑州大学化工与能源学院1、力在坐标轴上的投影1-4 平面汇交力系的合成与平衡条件sincos
10、FFFFyx (式中是力F与x轴正向间的夹角)投影正负符号规定:化工设备设计基础二、平面汇交力系合成的解析法与平衡条件投影：ab、ab郑州大学化工与能源学院1-4 平面汇交力系的合成与平衡条件yyyyxxxxFFFRFFFR321321ynxyyyxnxxxxFFFFRFFFFR2121化工设备设计基础2、合力投影定理郑州大学化工与能源学院1-4 平面汇交力系的合成与平衡条件xyxyyxyxFFRRtgFFRRR2222化工设备设计基础3、平面汇交力系的合成郑州大学化工与能源学院1-4 平面汇交力系的合成与平衡条件022yxFFR00yxFF化工设备设计基础4、平面汇交力系的平衡条件郑州大学化
11、工与能源学院1-4 平面汇交力系的合成与平衡条件n例1-3 图中所示的球重G80N，用绳子悬挂在光滑墙壁上，绳子与墙壁之间的夹角为30，试求绳子和墙壁对球的约束反力。0 xF)(060cosaNT 0yF)(030cosbGTNTN19.465.038.9260cos化工设备设计基础解：郑州大学化工与能源学院1-5 平面力偶系的合成与平衡条件一、力矩FlFM0 单位:牛顿米（Nm）或千牛顿米（kNm）化工设备设计基础力矩正负规定：逆时针为正，顺时针为负郑州大学化工与能源学院1-5 平面力偶系的合成与平衡条件力偶：由两个大小相等、方向相反，作用线不重合的力组成的力系。化工设备设计基础二、力偶与力
12、偶矩郑州大学化工与能源学院n力偶臂：两力之间的垂直距离n力偶矩 ：n单位：牛顿米（Nm）或千牛顿米（kNm）),(FFmhFFhm化工设备设计基础1-5 平面力偶系的合成与平衡条件郑州大学化工与能源学院1-5 平面力偶系的合成与平衡条件三、力偶的性质 1、力偶无合力2、力偶的转动效应与矩心的位置无关化工设备设计基础 mFhlhFlFFMFM00o郑州大学化工与能源学院1-5 平面力偶系的合成与平衡条件3、力偶的等效性：等效力偶：力偶矩的大小相等、转向相同，则产生的转动效应必相等。此二力偶为等效力偶。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院 由力偶的等效性，还可以推出力偶两个重要特性：1、力偶可在
13、其作用平面内任意转移(包括移动和转动)，而不改变该力偶对物体的作用；2、在保持力偶矩大小和转向不变的条件下，可以任意改变力偶中的力和力偶臂的大小不影响它们对物体的作用。1-5 平面力偶系的合成与平衡条件化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-5 平面力偶系的合成与平衡条件 因此根据第二个特性，力偶可用一旋转符号来表示，符号旁边注明力偶矩的简写符号m，符号中的箭头表示力偶的转向，如图所示。说明：以上特性只适用于刚体而不适用于变形体。例如，图示的两个等效力偶，对梁的平衡没影响，但对梁的变形效应却不一样。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-5 平面力偶系的合成与平衡条件hhFPhhFP222
14、111,212211221121mmhFhFhhhFhhFhPPRhminmmmmm21化工设备设计基础四、平面力偶系的合成郑州大学化工与能源学院1-5 平面力偶系的合成与平衡条件五、平面力偶系平衡条件n若物体在平面力偶系作用下处于平衡状态，则合力偶矩必等于零。即：0im化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-5 平面力偶系的合成与平衡条件n例1-4 用多轴钻床在一个水平工件上同时加工三个孔。每个钻头对工件施加一压力和一力偶。已知三个力偶矩的大小分别为20Nm、20Nm、40Nm，两固定螺柱之间的距离l=250mm。求加工时两个固定螺柱所受的水平力。0im0321mmmlNANlmmmNA3
15、2025.0402020321化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件一、力的平移定理u力的平移：把作用在物体上的力从一个位置平移到物体的另一个位置。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件u力的平移定理：作用在物体上某点的力可以平行移动到该物体上的任意一点，但必须同时附加一个力偶，这个附加力偶的力偶矩等于原力对新作用点之矩。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件321321FFFFFFR321321FMFMFMmmmMOOOO niiOnOOOniiOniinFMFMFMFMmMFFFFR
16、1211121化工设备设计基础二、平面一般力系向任一点简化郑州大学化工与能源学院 FMmMFROiOxyxyyxyxFFRRtgFFRRR22221-6 平面一般力系的合成与平衡条件化工设备设计基础（主矢）（主矩）或简写成：郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件RMdO RdFMFMFMFMmMniiOnOOOniiO1211化工设备设计基础三、平面一般力系简化结果分析 1、主矢和主矩都不等于零：郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件u合力矩定理：平面一般力系对某点取矩等于该力系中各分力对某点取矩的代数和。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院2、主矢等
17、于零,但主矩不等于零。平面内对任一点取矩所得结果都是一样的，恒等于力偶矩。因此，在主矢等 于零时，平面力系的主矩与简化中心的位置无关。1-6 平面一般力系的合成与平衡条件0,0oMR化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院3、主矢不等于零，但主矩等于零。这表明原力系可合成为一个合力，其就是作用在简化中心的主矢。1-6 平面一般力系的合成与平衡条件0,0oMR化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件4、主矢和主矩都等于零。这表示该力系既不能使物体移动，也不能使物体转动，即物体在该力系作用下处于平衡状态。0,0oMR化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面
18、一般力系的合成与平衡条件四、平面一般力系的平衡条件u平面一般力系平衡的必要与充分条件：力系的主矢和力系对其作用面任一点的主矩都等于零，即：00FMMROO 000FMFFOyx化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件u二矩式平衡方程 注：式中A和B是平面内任意的两个点，但A、B两点的连线不能垂直于x轴。000BAxMMF化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件u三矩式平衡方程 注：式中A、B、C是平面内不共线的三个任意点。000BACMMM化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件u例1-5 图
19、所示为一塔设备，塔重G450kN。塔高h=30m，塔底螺栓与基础紧固联接.塔体所受的风力可简化为两段均布载荷。在离地面h115m高度以下均布载荷的载荷集度为q1=380Nm，在h1以上高度，其载荷集度为q2=700Nm。试求塔设备在支座A处所受的约束反力。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件由 0 xF，021xNQQ得：kNNhhqhqNQQx2.1616200)1530(70015380)(121121由 0,0GNFyy得：kNGNy450由022,011211hhhQhQmm
20、AA得：mkNmNhhhhhqhhqhhhQhQmA279279000215301515307002153802)(2222111211111211化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件n 例1-6 如图所示为一简易起重机，横梁AB的A端用铰链联接在墙上，B端用钢丝绳拉住。已知横梁长度l2m，粱重G400N，小车及吊挂重物的重力w1000N，30。试求小车在距梁左端x1.5m处时，绳BC的拉力和A处的约束反力。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件由NlWxGlTxWlGlTMA190030sin225.110002240
21、0sin2202sin,0得：NTNTNFxxx4.164530cos1900cos0cos,0得：由NTWGNWGTNFyyy45030sin19001000400sin0sin,0得：由际指向相同。上原先假定的指向与实均为正值，说明受力图yxNN,化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院NNNNNTTNFlNxlWlGMxWlGlTMyxxxyBA450,4.1645,19000cos,00)(2,002sin,0由以上式解得：1-6 平面一般力系的合成与平衡条件化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件例1-7 如图所示一由AB、AC两杆组成的梯子放在光滑表
22、面上，AB、AC两杆在E、F处 用绳子连接。在AB杆上D点站着一人，重量为W。已知AB、AC的重量为G，AD=b,BE=f，AB=AC=l,AB与地面夹角为，试确定B、C处约束反力及绳子拉力。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院1-6 平面一般力系的合成与平衡条件化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院第一章 总结n一、几个力系 空间力系：平面力系：汇交力系、力偶系、平行力系、一般力系n二、几个重要的定理 二力平衡条件、三力平衡汇交定理、合力投影定理、力的平移定理、合力矩定理n三、几个典型约束 柔软体约束、光滑面约束、圆柱铰链约束、固定端约束化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院第一章 总结n四、几个概念 强度、刚度、稳定性；平衡状态、平衡条件；刚体、二力杆、分离体；平衡力系、等效力系；约束（反力）、解除约束。n五、两个法则 平行四边形法则、力三角形法则n六、几个平衡条件 平面汇交力系、平面力偶系、平面一般力系。化工设备设计基础郑州大学化工与能源学院
