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1、过程装备机械基础过程装备机械基础主讲教师：赵瑜超手机：13504198616过程装备机械基础过程装备机械基础课程性质参考教材必修课（40学时）上课班级、时间、地点09高分子材料与工程1、2班1-10周，周三3、4节，周五1、2节1-302课程设计第17周化工设备机械基础化工设备机械基础化工设备机械基础化工设备机械基础董大勤编董大勤编董大勤编董大勤编 (化学工业出版社化学工业出版社化学工业出版社化学工业出版社)定价定价定价定价:48.00:48.00:48.00:48.00元元元元化工设备机械基础化工设备机械基础化工设备机械基础化工设备机械基础王绍良王绍良王绍良王绍良 主编主编主编主编 (化学工
2、业出版社化学工业出版社化学工业出版社化学工业出版社)定价定价定价定价:25.00:25.00:25.00:25.00元元元元化工设备机械基础化工设备机械基础化工设备机械基础化工设备机械基础赵军赵军赵军赵军 张有忱张有忱张有忱张有忱 段成红段成红段成红段成红 编编编编 (化学工业出版社化学工业出版社化学工业出版社化学工业出版社)定价定价定价定价:24.00:24.00:24.00:24.00元元元元化工设备机械基础化工设备机械基础化工设备机械基础化工设备机械基础刁玉玮刁玉玮刁玉玮刁玉玮 王立业王立业王立业王立业 编著编著编著编著 (大连理工大学出版社大连理工大学出版社大连理工大学出版社大连理工大
3、学出版社)定价定价定价定价:24.00:24.00:24.00:24.00元元元元参参参参考考考考书书书书籍籍籍籍参参参参考考考考书书书书籍籍籍籍参参参参考考考考书书书书籍籍籍籍过程装备机械基础过程装备机械基础主要内容过程装备力学基础过程装备力学基础压力容器设计压力容器设计典型设备典型设备过程装备机械基础过程装备机械基础第一章第一章 理论力学基础理论力学基础力的概念力的概念物体间的相互作用。物体间的相互作用。使物体运动状态发生改变使物体运动状态发生改变-力的外效应力的外效应使物体发生变形使物体发生变形-力的内效应。力的内效应。1.1 力的概念和基本性质力的概念和基本性质过程装备机械基础过程装备
4、机械基础工程上作用在构件上的力有两种形式：工程上作用在构件上的力有两种形式：集中力集中力：牛顿牛顿(N)，千牛顿千牛顿(kN)；分布力分布力：牛顿米牛顿米2(Nm2)，又称又称帕斯卡帕斯卡(Pa)和百万帕斯卡和百万帕斯卡(MPa)。MPa相当于相当于Nmm2。过程装备机械基础过程装备机械基础力的基本性质力的基本性质1二力平衡公理；二力平衡公理；2力的平行四边形公理；力的平行四边形公理；3加减平衡力系加减平衡力系公理公理。4作用力与反作用力作用力与反作用力公理公理公理一公理一(二力平衡公理二力平衡公理)要使刚体在两个力作用下维持平衡状要使刚体在两个力作用下维持平衡状态，必须也只须这两个力大小相等
5、、态，必须也只须这两个力大小相等、方向相反、沿同一直线作用。方向相反、沿同一直线作用。公理二公理二 (力平行四边形公理力平行四边形公理)作用于物体上任一点的两个力可合成作用于物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点的一个力，即合力。为作用于同一点的一个力，即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力平行四边形的对角矢来表示。的力平行四边形的对角矢来表示。A AF F1 1F F2 2R R即，合力为原两力的矢量和。即，合力为原两力的矢量和。矢量表达式：矢量表达式：R=F1+F2推论推论 (三力汇交定理三力汇交定理)当刚体在三个力作用下平衡时，设当刚体在三个力作用
6、下平衡时，设其中两力的作用线相交于某点，则第三其中两力的作用线相交于某点，则第三力的作用线必定也通过这个点。力的作用线必定也通过这个点。F F1 1F F3 3R R1 1F F2 2A A=证明：证明：A A3 3F F1 1F F2 2F F3 3A A3 3A AA A2 2A A1 1 可以在作用于刚体的任何一可以在作用于刚体的任何一个力系上加上或去掉几个互个力系上加上或去掉几个互成平衡的力，而不改变原力成平衡的力，而不改变原力系对刚体的作用。系对刚体的作用。公理三公理三 (加减平衡力系公理加减平衡力系公理)公理四公理四(作用和反作用公理作用和反作用公理)任何两个物体间的相互作任何两个
7、物体间的相互作用的力，总是大小相等，用的力，总是大小相等，作用线相同，但指向相反，作用线相同，但指向相反，并同时分别作用于这两个并同时分别作用于这两个物体上。物体上。过程装备机械基础过程装备机械基础画受力图：画受力图：表示物体受力情况的简图表示物体受力情况的简图。1.2 刚体受力分析刚体受力分析约束和约束反力约束和约束反力1 1、自由体自由体：2 2、非自由体非自由体：3 3、约束约束：4 4、约束反力约束反力：5 5、主动力：主动力：可以任意运动（获得任意位移）的物体。可以任意运动（获得任意位移）的物体。不可能产生某方向的位移的物体。不可能产生某方向的位移的物体。约束对被约束体的反作用力。约
8、束对被约束体的反作用力。由周围物体所构成的、限制非自由体由周围物体所构成的、限制非自由体位移的条件。位移的条件。约束力以外的力。约束力以外的力。基本概念：基本概念：1 1、柔绳、链条、胶带构成的约束：、柔绳、链条、胶带构成的约束：常见的几种类型的约束常见的几种类型的约束A2 2、光滑接触面约束、光滑接触面约束光滑接触面约束实例光滑接触面约束实例3 3、光滑圆柱铰链约束、光滑圆柱铰链约束N NA AB BA AB BN Ny yN Nx x(1)(1)固定铰链支座：固定铰链支座：N N(2)(2)活动铰链支座：活动铰链支座：N NN N4 4、光滑球铰链约束：、光滑球铰链约束：A AB BN N
9、A AB BN NA AN NB BA AC CB B5 5、双铰链刚杆约束：、双铰链刚杆约束：6 6、固定端约束、固定端约束：过程装备机械基础过程装备机械基础(1)简化结构，画简化结构，画结构简图结构简图；(2)选择研究对象，画出作用在其选择研究对象，画出作用在其上的全部上的全部主动力主动力；(3)根据约束性质，画出作用于研根据约束性质，画出作用于研究对象上的究对象上的约束反力约束反力。画受力图的步骤画受力图的步骤A AP PN NF FT TE E C CG GB BE EP PA AF FD D解：解：(1)(1)物体物体B B 受两个力作用：受两个力作用：(2)(2)球球A A 受三个
10、力作用：受三个力作用：(3)(3)作用于滑轮作用于滑轮C C 的力：的力：C CN NG GT TG GT TG GT TD DQ QB B例题例题1 1 在图示的平面系统中，匀质球在图示的平面系统中，匀质球A A重为重为P P，借本身重量借本身重量和摩擦不计的理想滑轮和摩擦不计的理想滑轮C C 和柔绳维持在仰角是和柔绳维持在仰角是 的光滑斜的光滑斜面上，绳的一端挂着重为面上，绳的一端挂着重为Q Q 的物体的物体B B。试分析物体试分析物体B B、球球A A 和滑轮和滑轮C C 的受力情况，并分别画出平衡时各物体的受力图的受力情况，并分别画出平衡时各物体的受力图ECABFDBCNBNC解：解：
11、1 1、杆、杆BC BC 所受的力：所受的力：2 2、杆、杆AB AB 所受的力所受的力：表示法一表示法一：表示法二：表示法二：BDAFNAxNAyNBBAFDNAHNB例题例题2 2 等腰三角形构架等腰三角形构架ABC ABC 的顶点的顶点A A、B B、C C 都用铰都用铰链连接，底边链连接，底边AC AC 固定，而固定，而AB AB 边的中点边的中点D D 作用有平行作用有平行于固定边于固定边AC AC 的的力力F F，如图所示。不计各杆自重，试画如图所示。不计各杆自重，试画出出AB AB 和和BC BC 的受力图。的受力图。例例题题3 3 如如图图所所示示压压榨榨机机中中，杆杆AB A
12、B 和和BC BC 的的长长度度相相等等，自自重重忽忽略略不不计计。A A，B B，C C，E E 处处为为铰铰链链连连接接。已已知知活活塞塞D D上上受受到到油油缸缸内内的的总总压压力力为为F F=3kN3kN，h h=200 200 mmmm，l l=1500=1500 mmmm。试试画画出出杆杆AB AB，活塞和连杆以及压块活塞和连杆以及压块C C 的受力图的受力图。D DEABCllhFABA解：解：1.1.杆杆AB 的受力图。的受力图。2.活塞和连杆的受力图。活塞和连杆的受力图。3.压块压块 C 的受力图。的受力图。CBxyFCxFCyFCByxFFBCFABDEABCllh A A
13、P PB BQ QA AB BC CP P 思考题思考题 P PQ QN NAxAxN NAyAyN NByByN NC CN NB BP PN NB BN NA A小结小结1 1、理解力、刚体、平衡和约束等重要概念、理解力、刚体、平衡和约束等重要概念2 2、理解静力学公理及力的基本性质、理解静力学公理及力的基本性质3 3、明确各类约束对应的约束力的特征、明确各类约束对应的约束力的特征4 4、能正确对物体进行受力分析、能正确对物体进行受力分析 反之，当投影反之，当投影Fx、Fy 已知时，则可求出力已知时，则可求出力 F F 的大小和方向：的大小和方向：一、力在坐标轴上的投影：一、力在坐标轴上的
14、投影：结论：力在某轴上的投影，等于力的模乘以力与结论：力在某轴上的投影，等于力的模乘以力与该轴正向间该轴正向间夹角的余弦。夹角的余弦。y y b b a a a ab bF FO Ox xB BF Fx xF Fy y1.3平面汇交力系平面汇交力系A AF F2 2F F1 1(a)(a)F F3 3F F1 1F F2 2R RF F3 3x xA AB BC CD D(b)(b)合力在任一轴上的投影，等于它的各分力在合力在任一轴上的投影，等于它的各分力在同一轴上的投影的代数和同一轴上的投影的代数和。证明：证明：以三个力组成的共点力系为例。设有三个以三个力组成的共点力系为例。设有三个共点力共
15、点力F F1 1、F F2 2、F F3 3 如图。如图。二二、合力投影定理：合力投影定理：合力合力R 在在x 轴上投影：轴上投影：F F1 1F F2 2R RF F3 3x xA AB BC CD D(b)(b)推广到任意多个推广到任意多个力力F1、F2、Fn 组成的平面组成的平面汇汇交力系，可得：交力系，可得：a ab bc cd d各力在各力在x 轴上投影：轴上投影：合力的大小合力的大小合力合力R R 的方向的方向根据合力投影定理得根据合力投影定理得平面汇交力系的平衡：平面汇交力系的平衡：力系中所有各力在力系中所有各力在x x和和y y坐标轴上的投坐标轴上的投影的代数和分别等于零。影的
16、代数和分别等于零。过程装备机械基础过程装备机械基础例例4如下图所示，锅炉半径如下图所示，锅炉半径R=1米，米，重重Q40kN，两砖座间距离两砖座间距离l1.6m(略去摩擦力略去摩擦力)，试求锅炉在，试求锅炉在A、B两两处对砖座的压力。处对砖座的压力。过程装备机械基础过程装备机械基础解：解：O OA Ad dB BF F力矩的定义-力F 的大小乘以该力作用线到某点O 间距离d，并加上适当正负号，称为力F 对O 点的矩。简称力矩。1.4 力矩和力偶力矩的表达式力矩的表达式:力矩的正负号规定：按右手规则，当有逆时针转力矩的正负号规定：按右手规则，当有逆时针转动的趋向时，力动的趋向时，力F F 对对O
17、 O 点的矩取正值。点的矩取正值。力矩的单位：与力偶矩单位相同，为力矩的单位：与力偶矩单位相同，为 N.mN.m。合力矩定理合力矩定理:平面任意力系的合力对作平面任意力系的合力对作用面内任一点的矩，等于这个力系中的用面内任一点的矩，等于这个力系中的各个力对同一点的矩的代数和。各个力对同一点的矩的代数和。yxOxyAB力矩的性质：力矩的性质：1 1、力沿作用线移动时，对某点的矩不变、力沿作用线移动时，对某点的矩不变.2 2、力作用过矩心时，此力对矩心之矩等于零、力作用过矩心时，此力对矩心之矩等于零3 3、互成平衡的力对同一点的矩之和等于零、互成平衡的力对同一点的矩之和等于零4 4、力偶中两力对面
18、内任意点的矩等于该力偶的力、力偶中两力对面内任意点的矩等于该力偶的力偶矩偶矩F F F Fd d力偶和力偶矩力偶和力偶矩力偶力偶-大小相等的二反向平行力。大小相等的二反向平行力。对物体产生的是纯转动效应对物体产生的是纯转动效应,记为记为(F F，FF)力偶臂力偶臂-力偶中两个力的作用线之间的距离力偶中两个力的作用线之间的距离 力偶特性力偶特性:力偶中的二个力，既不平衡，也不力偶中的二个力，既不平衡，也不可能合成为一个力。可能合成为一个力。力偶只能用力偶来代替（即只能和力偶只能用力偶来代替（即只能和另一力偶等效），因而也只能与力偶另一力偶等效），因而也只能与力偶平衡。平衡。工程实例工程实例过程装
19、备机械基础过程装备机械基础力偶矩力偶矩:是力偶对物体转动效应的度是力偶对物体转动效应的度量量。若用若用m m(F F，F F)表示力偶表示力偶(F F，F F)的的力偶矩，则有力偶矩，则有：若力偶有使物体逆时针旋转的趋势，力偶若力偶有使物体逆时针旋转的趋势，力偶矩取正号；反之，取负号矩取正号；反之，取负号.量纲：力量纲：力长度，牛顿长度，牛顿米（米（N Nm m）.F F F Fd d平面力偶系的合成与平衡平面力偶系的合成与平衡平面力偶系合成的结果平面力偶系合成的结果 :仍然是一个力偶，其力偶矩等于原仍然是一个力偶，其力偶矩等于原力偶系中所有力偶矩之代数和。力偶系中所有力偶矩之代数和。M=M
20、ii=i=1 1n n平面力偶系的平衡条件为:例题例题5 已知已知:结构受力如图所示结构受力如图所示,图中图中M,r均为已知均为已知,且且l=2r.试试:画出画出AB和和BDC杆的受力图杆的受力图;求求A,C二处的约束二处的约束力力.受力分析受力分析:32F FA AO Od dF FA AO Od dlA AO O=把力把力F F 作用线向某点作用线向某点O O 平移时，须附加一个力平移时，须附加一个力偶，此附加力偶的矩等于原偶，此附加力偶的矩等于原力力F F 对点对点O O 的矩。的矩。证明：证明：力线平移定理：力线平移定理：1.5 平面一般力系几个性质：几个性质：1 1、当力线平移时，力
21、的大小、方向都不改变，但、当力线平移时，力的大小、方向都不改变，但附加力偶的矩的大小与正负一般要随指定附加力偶的矩的大小与正负一般要随指定O O点的点的位置的不同而不同。位置的不同而不同。2 2、力线平移的过程是可逆的，即作用在同一平面、力线平移的过程是可逆的，即作用在同一平面内的一个力和一个力偶，总可以归纳为一个和内的一个力和一个力偶，总可以归纳为一个和原力大小相等的平行力。原力大小相等的平行力。3 3、力线平移定理是把刚体上平面任意力系分解为、力线平移定理是把刚体上平面任意力系分解为一个平面共点力系和一个平面力偶系的依据。一个平面共点力系和一个平面力偶系的依据。A A3 3O OA A2
22、2A A1 1F F1 1F F3 3F F2 2l1O Ol2l3LOO O=应用力线平移定理，可将刚体上平面任意力系应用力线平移定理，可将刚体上平面任意力系中各个力的作用线全部平行移到作用面内某一给定中各个力的作用线全部平行移到作用面内某一给定点点O O 。从而这力系被分解为平面共点力系和平面力从而这力系被分解为平面共点力系和平面力偶系。这种变换的方法称为力系向给定点偶系。这种变换的方法称为力系向给定点O O 的简化。的简化。点点O O 称为简化中心。称为简化中心。力系向给定点力系向给定点O O 的简化的简化 共点力系共点力系F F1 1、F F2 2、F F3 3 的合成结果为一作用点在
23、的合成结果为一作用点在点点O O 的力的力R R。这个力矢这个力矢R R 称为原平面任意力系的主称为原平面任意力系的主矢。矢。附加力偶系的合成结果是作用在同平面内的力附加力偶系的合成结果是作用在同平面内的力偶，这力偶的矩用偶，这力偶的矩用L LO O 代表，称为原平面任意力系对代表，称为原平面任意力系对简化中心简化中心 O O 的主矩。的主矩。结论：结论：平面任意力系向面内任一点的简化平面任意力系向面内任一点的简化结果，是一个作用在简化中心的主矢；结果，是一个作用在简化中心的主矢；和一个对简化中心的主矩。和一个对简化中心的主矩。过程装备机械基础过程装备机械基础物体在平面力系作用下处于平物体在平
24、面力系作用下处于平衡，就意味着物体相对于地球衡，就意味着物体相对于地球表面不能有任何运动产生。表面不能有任何运动产生。不能移动不能移动，就要求所有力在水，就要求所有力在水平方向和铅垂方向投影的代数平方向和铅垂方向投影的代数和等于零；和等于零；不能转动不能转动，就要求所有力对任，就要求所有力对任意点的力矩的代数和等于零。意点的力矩的代数和等于零。平面一般力系的平衡平面一般力系的平衡过程装备机械基础过程装备机械基础例例6如下图所给出的信息，桥式起重机梁重如下图所给出的信息，桥式起重机梁重G=60kN，跨度为跨度为L=12m。当起吊重物当起吊重物Q=40kN离左端轮子距离为离左端轮子距离为a=4m时，求轨时，求轨道道A、B对起重机的反力。对起重机的反力。过程装备机械基础过程装备机械基础解析：解析：吊车所受的轨道反力垂直向上，与载荷吊车所受的轨道反力垂直向上，与载荷组成平面力系。由平衡方程求两个未知力。组成平面力系。由平衡方程求两个未知力。过程装备机械基础过程装备机械基础The end