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1、化工设备机械基础习题及解答化工设备机械基础习题及解答一、填空题一、填空题(1)平面一般力系的简化是建立在平面汇交力系的简化结平面一般力系的简化是建立在平面汇交力系的简化结果是一(果是一()、平面力偶系的简化结果是一()、平面力偶系的简化结果是一()及(及()定理三个力学基本规律的基础上。)定理三个力学基本规律的基础上。答案:合力、合力偶、力的平移答案:合力、合力偶、力的平移(2)合力对简化中心产生的力矩等于其(合力对简化中心产生的力矩等于其()对简化)对简化中心产生的力矩的(中心产生的力矩的()。)。答案:分力、代数和答案:分力、代数和(3)力偶对物体产生的转动效应取决于(力偶对物体产生的转动
2、效应取决于()的大小)的大小和(和(),与(),与()无关。)无关。第一页,编辑于星期六:十八点 二十七分。答案:力偶矩、转向、矩心答案:力偶矩、转向、矩心(4)内力是构件内部相邻两质点之间相互(内力是构件内部相邻两质点之间相互()的改变)的改变量,没有(量,没有()就没有内力,求解内力的方法是()就没有内力,求解内力的方法是()法。画内力图的目的是为了确定最大内力;对于等截面构法。画内力图的目的是为了确定最大内力;对于等截面构件来说该截面称为(件来说该截面称为()截面。)截面。答案:作用力、变形、截面法、危险答案:作用力、变形、截面法、危险(5)构件在外力作用下发生过大(构件在外力作用下发生
3、过大()变形或()变形或()时)时的应力称为极限应力。塑性材料的极限应力取(的应力称为极限应力。塑性材料的极限应力取()极)极限、安全系数取(限、安全系数取();脆性材料的极限应力取();脆性材料的极限应力取()极限、安全系数取(极限、安全系数取()。)。答案:塑性、断裂、屈服、答案:塑性、断裂、屈服、1.5、强度、强度、3.0第二页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(6)杆件发生拉伸或压缩变形时,横截面上只有(杆件发生拉伸或压缩变形时,横截面上只有()应)应力,且沿着横截面(力,且沿着横截面()分布,若其横截面上的最大应)分布,若其横截面上的最大应力不超过(力不超过()极限,则正应力与()极
4、限,则正应力与()成正比,这)成正比,这就是(就是()定律。为了保证设计的杆件在工作时安全可)定律。为了保证设计的杆件在工作时安全可靠,则其强度条件为(靠,则其强度条件为()。)。答案:正、均匀、比例、纵向应变(或线应变)、胡答案:正、均匀、比例、纵向应变(或线应变)、胡 克、克、(7)构件发生剪切变形时往往伴随着(构件发生剪切变形时往往伴随着()变形的产生,)变形的产生,因此构件上存在(因此构件上存在()应力、)应力、()应力。)应力。答案:挤压答案:挤压、剪、挤压剪、挤压(8)圆轴发生纯扭转变形的实质是(圆轴发生纯扭转变形的实质是()变形,因此圆)变形,因此圆 第三页,编辑于星期六:十八点
5、 二十七分。轴横截面上只有(轴横截面上只有()应力,且沿着半径方向呈()应力,且沿着半径方向呈()分布,应力的方向与半径方向(分布,应力的方向与半径方向()。在设计圆轴的直)。在设计圆轴的直径时,先按(径时,先按()条件进行设计,然后按()条件进行设计,然后按()条)条件进行校核。件进行校核。答案:剪切、剪答案:剪切、剪、线性线性、垂直、强度、刚度垂直、强度、刚度(9)直径为直径为d 的实心圆轴,其横截面的极惯性矩为(的实心圆轴,其横截面的极惯性矩为()、)、轴极惯性矩为(轴极惯性矩为();若材料弹性模量为);若材料弹性模量为E,则圆轴的抗,则圆轴的抗拉刚度为(拉刚度为()、抗弯刚度为()、抗
6、弯刚度为()。答案:答案:、(10)梁发生纯弯曲变形时,横截面有(梁发生纯弯曲变形时,横截面有()应力,且沿)应力,且沿着梁的高度方向呈(着梁的高度方向呈()分布,中性层上的应力为()分布,中性层上的应力为()第四页,编辑于星期六:十八点 二十七分。度量梁发生变形程度大小的物理量是(。度量梁发生变形程度大小的物理量是()、()、(););设计梁时其刚度条件为(设计梁时其刚度条件为()()()。)。答案:正、线性答案:正、线性、零、挠度、挠度、转角转角、max 、f max f (11)从力学角度考虑,用(从力学角度考虑,用()的大小来衡量梁横截面)的大小来衡量梁横截面的形状是否合理,脆性材料制
7、造的梁横截面形状一般只有的形状是否合理,脆性材料制造的梁横截面形状一般只有()个对称轴,梁放置时中性轴应偏向()个对称轴,梁放置时中性轴应偏向()一侧。)一侧。答案:答案:WZ/A、一、受拉一、受拉(12)圆轴发生弯、扭组合变形时,横截面存在(圆轴发生弯、扭组合变形时,横截面存在()应)应力和(力和()应力,根据第三强度理论可知危险截面上的)应力,根据第三强度理论可知危险截面上的当量应力为(当量应力为()。)。答案:正、剪答案:正、剪、第五页,编辑于星期六:十八点 二十七分。二、简答题二、简答题(1)阐述研究应力的基本方法。阐述研究应力的基本方法。答:答:由由实验观察现象;实验观察现象;由由实
8、验现象作出符合实际的假实验现象作出符合实际的假设;设;根据根据假设作出推论以判断出应力的性质;假设作出推论以判断出应力的性质;根据根据变变形的几何关系形的几何关系、物理关系物理关系、静力学关系推导出应力的计静力学关系推导出应力的计算公式。算公式。(2)以杆件的拉伸变形为例,说明如何根据拉伸强度条件以杆件的拉伸变形为例,说明如何根据拉伸强度条件解决工程三类问题。解决工程三类问题。答:杆件发生拉伸变形时的强度条件为:答:杆件发生拉伸变形时的强度条件为:根据强度条件可解决工程三类问题:根据强度条件可解决工程三类问题:设计截面尺寸设计截面尺寸 利用截面法由外力求出利用截面法由外力求出N max;根据根
9、据 可得:可得:第六页,编辑于星期六:十八点 二十七分。强度校核强度校核 利用截面法由外力求出利用截面法由外力求出N max;根据根据 可得:可得:将将 与与 进行比较,若进行比较,若 ,则强度足够。反之,则强度足够。反之,强度不够。强度不够。确定许用载荷确定许用载荷 由由 可得:可得:,利用截面法的逆过程,利用截面法的逆过程可由确定最大外力可由确定最大外力P。(3)阐述剪切胡克定律的内容,写出其数学表达式并说明阐述剪切胡克定律的内容,写出其数学表达式并说明其应用条件。其应用条件。答:当构件发生剪切变形时,若产生的最大剪应力不超过答:当构件发生剪切变形时,若产生的最大剪应力不超过剪切比例极限,
10、则剪应力与剪应变成正比,这就是剪切胡剪切比例极限,则剪应力与剪应变成正比,这就是剪切胡克定律。数学表达式为克定律。数学表达式为:;其应用条件为:其应用条件为:第七页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(4)梁发生剪切弯曲变形时,横截面上有何内力,内力的梁发生剪切弯曲变形时,横截面上有何内力,内力的计算准则是什么计算准则是什么?在工程上设计梁横截面尺寸时,为何在在工程上设计梁横截面尺寸时,为何在大多数情况下可以按纯弯曲变形进行设计。大多数情况下可以按纯弯曲变形进行设计。答:梁发生剪切弯曲变形时横截面上内力有:答:梁发生剪切弯曲变形时横截面上内力有:剪力剪力Q、弯、弯矩矩 M(x)内力的计算准则:内
11、力的计算准则:剪力剪力Q的大小等于研究梁上所有外的大小等于研究梁上所有外力的代数和,方向与外力合力的方向相反;弯矩的大小等力的代数和,方向与外力合力的方向相反;弯矩的大小等于研究梁上所有外力对内力所在截面形心力矩的代数和,于研究梁上所有外力对内力所在截面形心力矩的代数和,转向与外力合力矩的转向相反。转向与外力合力矩的转向相反。在工程上设计梁横截面尺寸时,由于大多数情况下在工程上设计梁横截面尺寸时,由于大多数情况下L/h5,剪力对,剪力对梁强度的影响可以忽略,故按纯弯曲变梁强度的影响可以忽略,故按纯弯曲变形进行设计。形进行设计。第八页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(5)阐述第三强度理论的内容
12、,写出复杂应力状态下根据阐述第三强度理论的内容,写出复杂应力状态下根据其建立的强度条件的数学表达式。其建立的强度条件的数学表达式。答:第三强度理论认为:无论应力状态如何复杂,只要构答:第三强度理论认为:无论应力状态如何复杂,只要构件产生最大剪应力达到轴向拉伸时的危险值时材料即被破件产生最大剪应力达到轴向拉伸时的危险值时材料即被破坏坏。其强度条件的数学表达式为:。其强度条件的数学表达式为:三、计算题三、计算题(1)图示三角架由图示三角架由AB,BC杆杆组成,组成,AB杆的横截面为圆杆的横截面为圆形,直径形,直径d=15mm,材料的,材料的 =120MPa,BC杆的横截杆的横截面为矩形,矩形面积为
13、面为矩形,矩形面积为250 ;材料的;材料的 =240MPa。若销钉上受到的外力为。若销钉上受到的外力为P,试确定,试确定P 的大小。的大小。ABCP30第九页,编辑于星期六:十八点 二十七分。解解(1)AB、BC杆外力计算杆外力计算AB,BC杆及销钉的受力如图杆及销钉的受力如图1、2、3所示所示。以销钉为研究对象,因以销钉为研究对象,因为销钉处于平衡态,所以有:为销钉处于平衡态,所以有:X=0、Y=0 即:即:解方程解方程(1)(2)得:得:SB=2 P、FB=FB=;同理同理(2)外力外力P 的计算的计算利用截面法得:利用截面法得:NAB=P、NBC=2 P由由 得:得:ABSBFB图图1
14、FASCBC图图2FBSBP图图3第十页,编辑于星期六:十八点 二十七分。AB杆:杆:BC杆:杆:取取 P=12236.9 N(2)蒸汽机的汽缸如图所示。汽缸的内径蒸汽机的汽缸如图所示。汽缸的内径D i=400mm,工作,工作压力压力p=1.2MPa。汽缸盖和。汽缸盖和汽缸用直径为汽缸用直径为18mm 的螺栓的螺栓联接,若活塞杆材料的许用联接,若活塞杆材料的许用应力应力 =50MPa,螺栓材料,螺栓材料的许用应力的许用应力 =40MPa,试,试求活塞杆的直径及螺栓的个数。求活塞杆的直径及螺栓的个数。解解:(1)活塞杆直径的计算活塞杆直径的计算D D i ip p活塞活塞活塞活塞螺栓螺栓螺栓螺栓
15、活塞杆活塞杆活塞杆活塞杆汽缸汽缸汽缸汽缸第十一页,编辑于星期六:十八点 二十七分。利用截面法得利用截面法得活塞杆节截面活塞杆节截面上产生的轴力为上产生的轴力为:由由 得:得:(2)螺栓个数的确定螺栓个数的确定 设螺栓的个数为设螺栓的个数为n,PN maxP螺螺 栓栓缸缸 盖盖第十二页,编辑于星期六:十八点 二十七分。n 个螺栓受到的总拉力为:个螺栓受到的总拉力为:1个螺栓受到的拉力为:个螺栓受到的拉力为:由于螺栓发生拉伸变形,由由于螺栓发生拉伸变形,由截面法得:截面法得:根据螺栓根据螺栓强度条件强度条件 得:得:第十三页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(3)空心圆轴传递的功率空心圆轴传递的功
16、率P=2.5KW,轴的转速为,轴的转速为 ,内、外直径之比为,内、外直径之比为 。材料的。材料的 ,许,许用单位长度的扭转角用单位长度的扭转角 ,试初步设计空心圆轴的,试初步设计空心圆轴的内、外直径。内、外直径。解解:(1)圆轴外力偶矩的圆轴外力偶矩的计算计算由由 得:得:(2)圆轴的强度圆轴的强度计算计算由由截面法得:截面法得:由由 强度条件得:强度条件得:第十四页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(2)圆轴刚度的校核圆轴刚度的校核由由 得:得:因为因为 ,所以,所以刚度足够。刚度足够。空心圆轴的内直径为空心圆轴的内直径为d=D0.6=19.2(mm)(4)画出梁画出梁ABCD的弯矩的弯矩图
17、,并确定最大弯矩图,并确定最大弯矩 。AP=4qaBCDq3a3a2a第十五页,编辑于星期六:十八点 二十七分。解解:(1)梁梁ABCD外力计算外力计算 梁梁ABCD的受力如图的受力如图1因为因为梁梁ABCD处于平衡态,处于平衡态,所以有:所以有:Y=0、m A=0 即:即:YA+YC=P+2qa (1)-3Pa m+YC6a-2qa7a=0 (2)解方程解方程(1)(2)得:得:YA=4/3qa,YC=14/3qa(2)弯矩方程弯矩方程梁梁AB:梁梁BC:P=4qaYAYCqABCD图图1YAxQM(x)YAP=4qaxM(x)Q第十六页,编辑于星期六:十八点 二十七分。梁梁CD:(3)弯矩
18、图及最大弯矩弯矩图及最大弯矩 梁梁AB:x=0、M(0)=0;x=3a、YAYCP=4qaM(x)Qqx第十七页,编辑于星期六:十八点 二十七分。梁梁BC:x=3a、;x=6a、梁梁CD:x=6a、;、;x=6a、最大弯矩,弯矩图如下。最大弯矩,弯矩图如下。(5)在在(4)题中若梁题中若梁ABCD用工字钢制造,且用工字钢制造,且 、M(x)x第十八页,编辑于星期六:十八点 二十七分。,材料的,材料的 ,试设计工字钢的型,试设计工字钢的型号。号。解解:由由 得:得:由由 查查工字钢标准工字钢标准得:得:工字钢型号为工字钢型号为20a(6)左端固定、右端自由直径为左端固定、右端自由直径为d 的等截
19、面直圆轴如下图所的等截面直圆轴如下图所示。在自由端受到外力示。在自由端受到外力P 和集和集中力偶中力偶m的作用,试求的作用,试求固定端固定端截面的当量应力截面的当量应力 。解解:(1)圆轴内圆轴内力的计算力的计算 圆轴在外力圆轴在外力P 的作用下发生的作用下发生Pml第十九页,编辑于星期六:十八点 二十七分。剪切弯曲变形,横剪切弯曲变形,横截面有截面有剪力剪力Q、弯矩、弯矩M(x);在在力偶力偶 m 的的作用下发生作用下发生纯扭转变形纯扭转变形,横,横截面有扭截面有扭矩矩 M T。由由截面法得截面法得固定端截面上的内力为固定端截面上的内力为:Q=P;M T=m;M=Pl故圆轴故圆轴发生发生弯弯
20、-扭转组合变形扭转组合变形(2)应力应力的计算的计算纯扭转变形:纯扭转变形:剪切弯曲变形剪切弯曲变形:(3)当量应力当量应力的计算的计算固定端截面上的最大固定端截面上的最大剪剪应力作用在圆轴的边缘,其值为:应力作用在圆轴的边缘,其值为:PQmMTMM第二十页,编辑于星期六:十八点 二十七分。最最大大正应力作用在圆轴的上、下两点,其值为正应力作用在圆轴的上、下两点,其值为:由于固定端截面上的最由于固定端截面上的最大大剪应力大小是相同的,因剪应力大小是相同的,因此此最最大大正应力所在的那一点是危险点,即圆轴的上、下两正应力所在的那一点是危险点,即圆轴的上、下两点点(如右图所如右图所示示),根据第三
21、强度,根据第三强度条条件可得上、下两点当量应力为件可得上、下两点当量应力为:第二十一页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(7)有一开口圆环如下图所示,由直径有一开口圆环如下图所示,由直径d=40mm的圆钢制的圆钢制成,成,a=60mm,材料的,材料的=120MPa,求最大,求最大许用拉力许用拉力 P。若圆环为。若圆环为全封闭,求最大许用拉力全封闭,求最大许用拉力P。解解:(1)圆环圆环内内力的计算力的计算由由截面法得截面法得:N=P、M=P(a+d/2)由于圆环的由于圆环的内内力有轴力和力有轴力和弯矩,弯矩,故故圆环发生拉伸和弯曲的组合变形。圆环发生拉伸和弯曲的组合变形。(2)最大许用拉力最大
22、许用拉力P 的计算的计算由由 得得:PPadPNM第二十二页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(3)封闭圆环最大许用拉力封闭圆环最大许用拉力P 的计算的计算由由截面法得截面法得:N=P/2由于圆环的由于圆环的内内力只有轴力力只有轴力,故故圆环发生拉伸变形。圆环发生拉伸变形。由由 得得:NNP第二十三页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(8)有一组合杆有一组合杆ABC,AB杆为铜杆,横截面面积杆为铜杆,横截面面积、;BC杆为钢杆,横截面面积为杆为钢杆,横截面面积为 、。A端固端固定,定,C端距固定端的距端距固定端的距离为离为0.1mm,今在,今在B截截面沿轴线方向作用有集面沿轴线方向作用有集中力
23、,试问当中力,试问当P为多少为多少时恰好能将时恰好能将0.1mm的间的间隙填满隙填满?若若B截面上的作用力为截面上的作用力为2P,求铜杆和钢杆横截面,求铜杆和钢杆横截面上的正应力。上的正应力。解解:(1)外力外力P 的计算组的计算组合杆合杆ABC受力如图受力如图1因因为杆为杆ABC处于平衡态,处于平衡态,ABCPP图图 1XAABC10004000.1第二十四页,编辑于星期六:十八点 二十七分。所以有:所以有:X=0、即:、即:X A=P(2)组合杆组合杆ABC的变形计算的变形计算利用截面法得利用截面法得:NAB=X A=P;NBC=0由由 得得:XAN NABABN NBCBCAC第二十五页
24、,编辑于星期六:十八点 二十七分。(3)组合杆组合杆ABC受受2P作用时外力的计算作用时外力的计算组合杆组合杆ABC受力如图受力如图2因为杆因为杆ABC处于平衡态,处于平衡态,所以有所以有:X=0、即:、即:X A+X C=2P-(1)(4)变形的协调方程变形的协调方程利用截面法得利用截面法得:NAB=X A;NBC=-X C 由由 得得:变形的协调方程为:变形的协调方程为:XCXAABC图图 22P第二十六页,编辑于星期六:十八点 二十七分。即:即:解方程解方程(1)(2)得:得:X A=46000/19(N);X C=30000/19(N);(5)应力的计算应力的计算由由 得得:铜杆铜杆:
25、钢杆钢杆:第二十七页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(9)三块厚度均为三块厚度均为S=12mm的钢板,用四个直径的钢板,用四个直径d=15mm 的的铆钉连接在一起(如右图所示),铆钉材料的铆钉连接在一起(如右图所示),铆钉材料的;,钢板所受的,钢板所受的外力外力P=12KN,假设铆钉受力,假设铆钉受力相同,试校核铆钉的强度;若相同,试校核铆钉的强度;若钢板的宽度钢板的宽度l=100mm,材料的,材料的许用许用应力应力 ,试校核,试校核钢板的强度。钢板的强度。解解:(1)铆钉受力铆钉受力的计算的计算由于铆钉受力相同,故取一个铆由于铆钉受力相同,故取一个铆钉为研究对象;上块钢板及铆钉钉为研究对象
26、;上块钢板及铆钉的受力如图的受力如图1、2所示。所示。PPPPPP jP j图图 1图图 2第二十八页,编辑于星期六:十八点 二十七分。因为因为钢板钢板处于平衡态,所以有处于平衡态,所以有:X=0、即:、即:2P j=P P j=P/2、(2)铆钉强度的校核铆钉强度的校核利用截面法得利用截面法得:Q=P j=P/2 由由 得得:由由 得得:因为因为 、所以所以铆钉的强度足够。铆钉的强度足够。第二十九页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(3)钢板强度的校核钢板强度的校核钢板在钢板在P j 和和 P 的作用下将发生拉伸变形,最大应力产生于的作用下将发生拉伸变形,最大应力产生于铆铆钉最大直径处,其受
27、力如图钉最大直径处,其受力如图3所示。所示。因为因为钢板钢板处于平衡态,所以有处于平衡态,所以有:X=0,即:即:N=P 最大应力作用的面积为最大应力作用的面积为:A=(l-2d)S由由 得得:因为因为 ,所以所以钢板的钢板的强度足够。强度足够。P图图 3Nld第三十页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(10)梁梁AB的的A端固定,其抗弯刚度为端固定,其抗弯刚度为EIZ、横截面面积为、横截面面积为S。B端用直径为端用直径为d、长度为、长度为h、弹性模量为、弹性模量为E的直杆的直杆BC吊起,梁吊起,梁AB受到均布载受到均布载荷荷q的作用,试计算梁的作用,试计算梁AB、吊杆横截面上产生的最大应力。
28、吊杆横截面上产生的最大应力。解解:(1)外力外力 的计算的计算梁梁AB、吊杆受力如图、吊杆受力如图1、2。以梁以梁AB 为研究对象,为研究对象,因为梁因为梁AB处于平衡态,处于平衡态,所以有:所以有:Y=0、m A=0 ABClhqYAm AqTBBCTCTB1BA图图 1图图 2第三十一页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(2)变形的协调方程变形的协调方程对于吊杆,对于吊杆,利用截面法得利用截面法得:NBC=TB=TB1 由由 得得:梁梁AB在在q作用下于作用下于B点产生的挠度为点产生的挠度为:梁梁AB在在TB 作用下于作用下于B点产生的挠度为点产生的挠度为:第三十二页,编辑于星期六:十八点
29、 二十七分。变形的协调方程为:变形的协调方程为:即即:代入方程代入方程(1)(2)得得:(3)应力的计算应力的计算吊杆吊杆:第三十三页,编辑于星期六:十八点 二十七分。梁梁AB:利用截面法得任意截面上的利用截面法得任意截面上的弯矩为弯矩为:最大应力为:最大应力为:m AYAM(x)Qxq第三十四页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(11)图示结构中刚性梁图示结构中刚性梁AB的重量不计,杆的重量不计,杆1为钢制圆杆,为钢制圆杆,直径为;杆直径为;杆2为铜制圆杆,直为铜制圆杆,直径为径为 。试问:。试问:(1)载荷载荷 P 加在何出,才能使刚性梁在受力后仍能保持水加在何出,才能使刚性梁在受力后仍能
30、保持水平平?(2)若载荷若载荷 P=30 KN,求两杆横截面上的应力。,求两杆横截面上的应力。20001210001500PXAB第三十五页,编辑于星期六:十八点 二十七分。解解:(1)外力外力 的计算的计算梁梁AB、吊杆、吊杆1、2受力受力如图如图1、2、3所示。所示。以梁以梁AB 为研究对象,为研究对象,因为梁因为梁AB处于平衡态,处于平衡态,所以有:所以有:Y=0、m A=0 即:即:解方程解方程(1)(2)得:得:(2)变形变形 的协调方程的协调方程PAB图图1图图2图图3X第三十六页,编辑于星期六:十八点 二十七分。由于杆由于杆1、2均发生拉伸变形,利用截面法可得:均发生拉伸变形,利用截面法可得:根据得:根据得:欲使刚性梁在受力后仍能保持水平,则:欲使刚性梁在受力后仍能保持水平,则:解方程解方程(1)(2)(3)得:得:第三十七页,编辑于星期六:十八点 二十七分。(3)应力的计算应力的计算 由由 得:得:吊杆吊杆1:吊杆吊杆2:第三十八页,编辑于星期六:十八点 二十七分。