1、主讲人：张永强主讲人：张永强内科大化学化工学院化工教研室2022年11月17日星期四化工设备机械基础（化机）v序言 v相互认识 v化机的重要性v课程的安排与要求2022年11月17日星期四化机的重要性一、目的和意义v合理设备可以简化流程，降低成本v设备的结构和材质v具备基本工程力学知识，了解化工设备常用材料特性及焊接知识，掌握化工设备的设计计算，及典型机械传动。2022年11月17日星期四化学工程专业的三大基础课化 工 原 理化 工 热 力 学化 学 反 应 工 程2022年11月17日星期四注重实践学以致用注重实践学以致用v王选：王选：一项科技成果，不管它多么先进，只要它没有走出实验室，一项
2、科技成果，不管它多么先进，只要它没有走出实验室，没有取得经济效益和社会效益，都不过是迷人的海市蜃楼罢了。没有取得经济效益和社会效益，都不过是迷人的海市蜃楼罢了。v杨振宁：杨振宁：“中国最失败的地方，是没有学会怎么把科技改变成为有中国最失败的地方，是没有学会怎么把科技改变成为有经济效益的生产办法经济效益的生产办法“。v陶行知：陶行知：创造始于行，行动是老子，思想是儿子，创造是孙子。读创造始于行，行动是老子，思想是儿子，创造是孙子。读万卷书是做学问的一半，行万里路是做学问的另一半。万卷书是做学问的一半，行万里路是做学问的另一半。v毛泽东：毛泽东：实践出真知；不吃梨子一口，怎知梨子滋味。只有当科学实
3、践出真知；不吃梨子一口，怎知梨子滋味。只有当科学与技术比翼双飞时，才能形成国家经济发展的永恒动力。与技术比翼双飞时，才能形成国家经济发展的永恒动力。v书本得来终觉浅，绝知此事要躬行。行动有多远，思想就有多远。书本得来终觉浅，绝知此事要躬行。行动有多远，思想就有多远。一位音乐教授说：老师既要登讲台，还要上舞台。一位音乐教授说：老师既要登讲台，还要上舞台。v知识经济知识经济到来，把知识与经济紧密结合起来，经济对知识的依赖培到来，把知识与经济紧密结合起来，经济对知识的依赖培增。知识分子要体现知识的价值，但有钱无知不算富。增。知识分子要体现知识的价值，但有钱无知不算富。v知识就是力量，知识更是金钱知识
4、就是力量，知识更是金钱。长远看，资本家不如知本家。知识。长远看，资本家不如知本家。知识本身不是力量，应用产生力量。科技价值不在获取，而在于利用。本身不是力量，应用产生力量。科技价值不在获取，而在于利用。青年是科技创新的主力青年是科技创新的主力英剑桥：英剑桥：牛顿（牛顿（2323岁）建立微分学、（岁）建立微分学、（2626岁）建立积分学。岁）建立积分学。19531953，2525岁岁Watson(Watson(现为美国冷泉港实验室负责人现为美国冷泉港实验室负责人)和和3737岁岁ClickClick（0404年去世）在年去世）在ScienceScience发表发表DNADNA双螺旋结构论文双螺旋
5、结构论文 2Pages(2Pages(长篇未必充实，短论亦可高深长篇未必充实，短论亦可高深),62),62年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。19151915年布拉格父子因用年布拉格父子因用X X射线研究晶体结构，小布拉格纠正射线研究晶体结构，小布拉格纠正其父错误获重大贡献，其父错误获重大贡献，2525岁小布拉格与其父同获诺贝尔奖。岁小布拉格与其父同获诺贝尔奖。俄国俄国2424岁岁TswettTswett色谱分析原理色谱分析原理7 7页博士论文使难以分离页博士论文使难以分离的化合物，用一把剪刀可剪开。在此基础上，的化合物，用一把剪刀可剪开。在此基础上，Martin1952Martin1952年获年获诺
6、贝尔化学奖诺贝尔化学奖。0404年诺贝尔物理奖：加州大学年诺贝尔物理奖：加州大学3232岁的葛洛斯与其岁的葛洛斯与其2222岁研究生岁研究生威塞克发现威塞克发现“夸克局限夸克局限”现象。加州理工学院研究生现象。加州理工学院研究生2424岁普利岁普利泽发现泽发现“渐近自由渐近自由”，至此解决了，至此解决了“夸克禁闭夸克禁闭”现象。现象。（获奖者创造高峰期在（获奖者创造高峰期在25254545岁之间）岁之间）青年是科技创新的主力青年是科技创新的主力 02 02年岛津公司没上过研究生的小职员田中耕一（年岛津公司没上过研究生的小职员田中耕一（4242岁），岁），发明蛋白质的分离方法，可准确识别癌细胞，
7、获诺贝尔奖。发明蛋白质的分离方法，可准确识别癌细胞，获诺贝尔奖。比尔盖茨比尔盖茨2121岁创办微软公司，改变了时代发展进程，连续岁创办微软公司，改变了时代发展进程，连续8 8年世界首富。创新必须创业，创新通过创业来表达。年世界首富。创新必须创业，创新通过创业来表达。黄昆黄昆2727提出提出“黄散射黄散射”，3232岁与诺奖得主玻恩合写了晶岁与诺奖得主玻恩合写了晶格动力学理论等格动力学理论等。自古英雄出少年，科学家也如此。自古英雄出少年，科学家也如此。有理想有理想 有目标有目标 有追求有追求志向远大志向远大不断学习不断学习勇于探索勇于探索理论力学：理论力学：研究物体机械运动一般规律 静力学静力学
8、 运动学运动学动力学动力学材料力学材料力学:研究构件承载能力 1强度：构件抵抗破坏的能力 2刚度：构件抵抗变形的能力 3稳定性：构件保持原有平衡形态能力牛顿三定律牛顿三定律(哲学规律哲学规律)（惯性定律，（惯性定律，F=ma,F=-F）运动论，物质论运动论，物质论，联系论联系论工程力学的前世工程力学的前世 力学的发展是分析和综合想结合的过程。从力学的发展是分析和综合想结合的过程。从总的发展趋势来看，牛顿运动定律建立以前总的发展趋势来看，牛顿运动定律建立以前力学研究的历史大致可分为两个时期力学研究的历史大致可分为两个时期:1.古代，从远古到公元古代，从远古到公元5世纪，对平衡和运动世纪，对平衡和
9、运动有初步的了解有初步的了解;2.中世纪，从中世纪，从6世纪到世纪到16世纪，这个时期对力、世纪，这个时期对力、运动以及它们之间的关系的认识已有发展，运动以及它们之间的关系的认识已有发展，为牛顿运动定律的建立作了准备。为牛顿运动定律的建立作了准备。工程力学的今朝工程力学的今朝牛顿运动定律的建立和从此以后力学研究的历牛顿运动定律的建立和从此以后力学研究的历史大致可分为四个时期史大致可分为四个时期:1.从从17世纪初到世纪初到18世纪末，经典力学的建立和世纪末，经典力学的建立和完善化完善化;2.19世纪，力学各主要分支的建立世纪，力学各主要分支的建立;3.从从1900年到年到1960年，近代力学，
10、它和工程技年，近代力学，它和工程技术特别是航空、航天技术密切联系术特别是航空、航天技术密切联系;4.1960年以后，现代力学，力学同计算技术和年以后，现代力学，力学同计算技术和自然科学其他学科广泛结合。自然科学其他学科广泛结合。赵州桥隋公元赵州桥隋公元605-618年间，李春年间，李春百尺高虹横水面，一弯新月出云霄“假如给我一个支点，我就能撬动地球假如给我一个支点，我就能撬动地球”阿基米德 Archimedes(约公元前287212）古希腊物理学家、数学家，静力学和流体静力学的奠基人。论平面图形的平衡、论浮体。达达.芬奇（芬奇（Leonardo da Vinci，意大利，意大利 1452-15
11、19）汽车发动机汽车发动机微型发动机微型发动机 MEMS深度撞击深度撞击 DEEP IMPACT鸟巢鸟巢2008北京奥运主体育场北京奥运主体育场宝马概念自行车宝马概念自行车海尔海尔“立体仓库立体仓库”世界领先世界领先新华网山东频道新华网山东频道20052005年年6 6月月3030日电日电 青岛海尔集团国际物流中心立体库日前经过第三次技术青岛海尔集团国际物流中心立体库日前经过第三次技术革新，跃升为技术水平世界领先的物流中心。该立体库高革新，跃升为技术水平世界领先的物流中心。该立体库高2222米，全部操作采用世界上最先米，全部操作采用世界上最先进的激光导引无人运输车系统，实现了物流的自动化和智能
12、化，使海尔集团库存资金占用进的激光导引无人运输车系统，实现了物流的自动化和智能化，使海尔集团库存资金占用从每年从每年1515亿元降至亿元降至6 6亿元，杜绝了呆滞物资的产生。（新华社记者亿元，杜绝了呆滞物资的产生。（新华社记者 朱峥朱峥 摄）摄）水煤浆气化炉 多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业装置多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业装置 兖矿国泰化工有限公司气化炉炉头兖矿国泰化工有限公司气化炉炉头 储罐、冷凝器、切片机 不锈钢反应釜 外盘管反应锅、蒸汽加热反应锅 主体车间全景图三层平台全景图二层平台局部图地面设备布置图反应物料配制系统碱镍配制碱镍过滤氨水配制料液储存反应系统精密计量泵系统反应系统清洗系统
13、碱液清洗固液分离离心清洗干燥筛分包装产品干燥干燥筛分包装解决这个问题的步骤是：第一步是通过受力分解决这个问题的步骤是：第一步是通过受力分析，确定未知的约束反力力线方位；析，确定未知的约束反力力线方位；第二步是研究物体的受力平衡规律，利用这一规第二步是研究物体的受力平衡规律，利用这一规律求取未知外力。律求取未知外力。B拉力GF1F2F1AFN2、力的五点性质（含两个平衡定理）、力的五点性质（含两个平衡定理）和力偶的三点性质。和力偶的三点性质。3、四种约束的特点及取代每种约束、四种约束的特点及取代每种约束作用的作用的“约束反力约束反力”的表达方法。的表达方法。4、力的平移定理的内容、实质、力的平移
14、定理的内容、实质、应用。应用。立足点立足点力或力偶对物体作用的效果 要处理好要处理好“力系的简化力系的简化”与与“力系的力系的平衡平衡”二者间的关系二者间的关系欲合先分3.力系简化结果除了可能是“平衡”外，还可能得到其他结果，对于其他结果，只要求作一般了解。关于静不定问题作业：P27、1-5、a,b,d,f,h,i,j.1-8,1-104、力的平行四边形法则5、刚化原理：平衡的变、刚化原理：平衡的变形体刚化为刚体，则平衡形体刚化为刚体，则平衡状态保持不变。状态保持不变。dFFmO)()()(iOOFmRm合力矩定理dFmmM 0miFR主矢：iOmM主矩：特点：只受拉，不受压，不能抗拒弯矩，限
15、制物体沿柔性体伸长的方向运动。忽略摩擦，理想光滑。0,0OMR0)(,0,0FmYXO0,0)(,0)(XFmFmBA0)(,0)(,0)(FmFmFmCBA0021mmLRmA)(5.16152412kNLmmRA00dRMmAaad2330cos0MadMRA332020)(0000aPmbQbRFmQRYYPXXBABAA020)(0000mLPLqLMFmPqLYYXXAAAAmPLqLMPqLYXAAA221,0解得：1.如何理解如何理解“弹性体弹性体”；2.什么是什么是“变形变形”？3.内力的概念？内力的概念？4.四种基本变形和对应的内力：四种基本变形和对应的内力：一、对变形固体作
16、的三个假设一、对变形固体作的三个假设 连续性假设连续性假设 均匀性假设均匀性假设 各向同性假设各向同性假设 二、杆件基本变形二、杆件基本变形1 1、拉伸、压缩、拉伸、压缩2 2、弯曲、弯曲3、剪切4、扭转拉伸与压缩扭转弯曲组合受力组合受力（Combined Loading）与变形与变形杆件变形的四种基本形式汇总杆件变形的四种基本形式汇总直杆的拉伸与压缩一、工程实例直杆的拉伸与压缩轴向拉压的外力特点：外力的合力作用线与杆的轴线重合。轴向拉压的变形特点：杆的变形主要是轴向伸缩，伴随横向 缩扩。轴向拉伸：杆的变形是轴向伸长，横向缩短。轴向压缩：杆的变形是轴向缩短，横向变粗。二、拉伸和压缩时横截面上的
17、内力1、概念：附加内力，简称内力指由外力作用所引起的、物体内相邻部分之间分布内力系的合成（附加内力）。截面法步骤1、在需要求内力处假想用一横截面将构件截开，分成两部分；2、以任一部分为研究对象；3、在截面上加上内力，以代替另一部分对研究对象的作用 4、写出研究对象的平衡方程式，解出截面上的内力。2、截面法PNPNFy,0,0轴力，拉为正，压为负三、拉伸和压缩时横截面上的应力 1、应力APpC平均应力：APppACA00limlim应力：正应力，剪应力 2、拉伸和压缩时横截面上的应力 AN横截面上的正应力：3、应力集中 这种在截面突 变 处 应力 局 部 增大 的 现 象称 为 应 力集中 例2
18、-1 求截面1-1，2-2，3-3上的轴力和应力，画轴力图，已知A=400mm2。kNNkNNkNN5020304010203020321MPaANMPaANMPaAN1251040010502510400101050104001020633363226311轴力图四、应变的概念绝对变形u，线应变或应变：dxduxux0limxum为剪应变或角应变，弧度 线应变由正应力决定剪应变由剪应力决定。平均应变杆件受拉伸或压缩时的应变绝对伸长L，相对伸长或线应变LLll2.内力的度量1)轴力（S）：注意截面法的使用2)应力的引入AQpA0lim3)正应力与剪应力AS4.简单拉压时斜截面上的应力 k FF
19、mnanm k PaxFx与截面垂直，叫正应力，其值为coscoscosAF2cosx2)切向分量与截面平行，叫剪应力，其值为：sinsincosAFsincos2sin23)应力分量产生的效果m1 mk1 km1 mk1 km1 mk1 k第三节 金属在拉伸和压缩时的机械性能ld标准试件：圆截面试件，如图2-14：标距l与直径d 的比例分为，l=10d，l=5d。板试件（矩形截面）：试验设备主要是拉力机或全能机及相关的测量、记录仪器。国家标准金属拉伸试验方法（如GB228-87）详细规定了实验方法和各项要求。万能材料试验机万能材料试验机Apll低碳钢的 曲线几个概念：1）弹性变形阶段的特点：
20、为拉伸的初始阶段，成正比；在此阶段，曲线Ob几乎为直线，符合虎克定律，即 ；在此阶段，若应力不超过b点对应的值，撤掉外力后，构件恢复原状；比例极限（proportion）弹性极限（elastic）和弹性模量（E）；与应变应力tgEepOA,比例极限P(弹性极限),Q235-A 200MPa ELLEAPEAPLL EA 抗拉刚度E 弹性模量，低碳钢 E=(2.0-2.1)x105MPa横向变形横向线应变ddddd1 横向变形系数或泊松比 2）屈服阶段的特点：v上升的坡度变缓，曲线接近为一条水平折线，保持应力微小变化，线应变急剧增加，形象喻为材料对外力屈服了；v卸掉外力，构件不能完全恢复原来形状
21、，出现显著塑性变形，出现滑移线，此阶段也叫塑性变形阶段；v屈服极限（suffer）s名义屈服极限0.2：0.2%的塑性应变所对应的应力 滑移线或剪切线Q235-A S=235MPa 3）强化阶段的特点：v材料恢复了抵抗变形的能力，即随应力增加，线应变也须增加；v在此阶段，上升曲线变得平缓；v再此阶段某点d卸除拉力，应力和应变关系将符合卸载定律；v冷加工硬化及其在工程中的应用；v强度极限（）b4）颈缩阶段的特点：v颈缩阶段实质就是死亡阶段、断裂阶段；v应力达到最大，试件的直径突然变细即颈缩；v在此阶段，拉力P减小，线应变增加；颈缩阶段（局部变形阶段）（1）延伸率%100%1001LLLP5%为塑
22、性材料；5%为脆性材料。低碳钢：20-30%，铸铁：1%（2）截面收缩率%1001AAA低碳钢：60%三、铸铁拉伸的应力-应变图灰铸铁b=205MPa四、低碳钢压缩的应力-应变图五、铸铁压缩的应力-应变图受压塑性材料和脆性材料机械性能的主要区别 1塑性材料在断裂时有明显的塑性变形；而脆性材料在断裂时变形很小；2塑性材料在拉伸和压缩时的弹性极限、屈服极限和弹性模量都相同，它的抗拉和抗压强度相同。而脆性材料的抗压强度远高于抗拉强度，因此，脆性材料通常用来制造受压零件。六、温度对材料力学性能的影响1、高温的影响（1）高温对短期静载试验的影响（2）高温对长期加载的影响碳钢超过200度，外力不变，但变形
23、随时间的延续而不断增长，不可恢复。蠕变条件：高温和应力2、低温对材料力学性能的影响低碳钢的弹性极限和屈服极限有所提高，但延伸率降低，变脆v金属材料的力学性能方面的指标：1、反映材料强度高低的指标有：屈服极限、强度极限、蠕变极限、持久强度极限；2、反映材料塑性好坏的指标有：延伸率、断面收缩率、屈服限与强度限之比值（简称屈强比）；弯曲角度a。3、反映材料抵抗弹性变形能力强弱的指 标有：弹性模量E，剪切弹性模量G；4、反映材料韧性及对裂纹敏感程度的指标有：冲击功，冲击韧性；5、反映材料硬度及耐磨程度的指标有：布氏硬度HB，洛氏硬度HRC；6、反映变形性质的弹性极限；7、控制虎克定律应用范围的比例极限
24、。作业：2-7、2-11截面突变（如阶梯轴）和轴力突变，应将杆件在截面突变处和轴力突变处分断，分别求出各段的变形，再相加，得到总体变形。EAPLL EANLL 七、虎克定律的应用当截面尺寸和轴力沿截面的变化是平缓的，且外力作用线与轴线重合，总体变形积分计算。)()(xEAdxxNLdLxEAdxxNL0)()(例2-2 变截面杆是圆锥的一部分，左右两端的直径分别为d1和d2。如果不计杆件的自重，求在轴向拉力P作用下杆件的变形。Lxddddd12111 2121212144LxdddddxALdEdPLLxdddEdPdxL021212121414LxEAdxxNL0)()(八、超静定问题例2-
25、3 三根同材料和截面的钢杆一端铰接墙壁上，另一端铰接在一平板刚体上，其中两侧钢杆长度为L，而中间一根钢杆较两侧的短=L/2000，求三杆的装配应力。设E=210Gpa。N1=N2，N3=N1+N2 变形协调条件得到：31LLEALNLEALNL331131LLEALNEALNEALNEALN11312LEANLEAN32321PaLLLEANPaLLLEAN693369121107032000/10210232103532000/10210312132NNNN第三节 拉伸和压缩的强度条件一、极限应力、许用应力和安全系数 极限应力用0表示许用应力以表示 安全系数n，其值恒大于1 n0 ssn b
26、bnns=1.52.0，nb=2.54.5 二、拉伸和压缩的强度条件 强度条件 AN在工程上，强度条件可以解决三类问题：强度校核、设计截面尺寸、确定许可载荷。例2-4 已知油压力p=2MPa，内径D=75mm，活塞杆直径d=18mm，材料的许用应力=50MPa，校核活塞杆的强度。kNpDP84.842 PadPAN62107.344强度足够例2-5 矩形截面的阶梯轴，AD段和DB段的横截面积为BC段横截面面积的两倍。矩形截面的高度与宽度之比h/b=1.4，材料的许用应力=160MPa。选择截面尺寸h和b 241110875.1mNA由h/b=1.4 24331025.1mNA1:2:31AA2
27、4311050.22mAAmmhhmmbb7.184.132121mmhmmb3.135.933例2-6 悬臂起重机撑杆AB为中空钢管，外径105mm，内径95mm。钢索1和2互相平行，且设钢索1可作为相当于直径d=25mm的圆钢计算。材料=60MPa，确定许可吊重。030cos15sin0015cos30sin0000021PNYNPTTX钢索2的拉力T2=P，带入方程组解得：)()(74.135.31baPTPN而撑杆AB允许的最大轴力为：kNAN2.94max带入（a）式得相应的吊重为：kNNP1.2835.3max同理，钢索1允许的最大拉力是：kNAY5.291max代入（b）式得相应的吊重为：kNTP1774.1max比较，可知起重机的许可吊重应为17kN。
