天津大学化工设备机械基础试题与解答

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２０0 4～２０0 5 学年第二学期期末考试试卷
《 化工机械基础 》（ Ａ卷 共4页）
（考试时间：2005年 6月 21日）
化工 学院 专业 班 年级 2002级 学号 姓名
题号 一 二 三 成绩 得分
一、名词解释（共10分，每小题2分）
1、疲劳强度：金属材料在循环应力下，经受无限次循环而不发生破坏的最大应力称为“疲劳强度”，用r σ表示。

对于一般钢材，以106～107次不被破坏的应力，作为疲劳强度。

2、断面收缩率：主要反应材料局部变形的能力。

以试件拉断后，断面缩小的面积与原始
截面面积0A 的比值的百分数来表示，%10000⨯-=A A A ψ，A 为试件断裂后的最小截面积。

3、薄壁容器：根据容器外径0D 与内径i D 的比值K 来判断，2.1≤K 为薄壁容器。

i
D D K 0
=
4、同素异构转变：在固态下晶格构造随温度发生变化的现象，称“同素异构转变”
5、垫片密封比压力：在法兰密封中形成初始密封条件的压紧应力叫垫片密封比压力。

二、问答题（共33分）
1、画出低碳钢和铸铁的拉伸和压缩应力—应变示意图，简要说明两种材料的的性能差别。

（8分）
低碳钢拉伸和压缩时的应力—应变图 铸铁拉伸应力—应变图 铸铁压缩应力—应变图
低碳钢拉伸和压缩时的比例阶段和屈服阶段重合，表明此时拉伸和压缩的材料性能
一致。

低碳钢压缩时不发生断裂破坏，无强度极限。

铸铁拉伸和压缩时，最终都发生断裂破坏，且塑性变形小，没有屈服阶段，铸铁的拉伸和压缩的应力—应变曲线的变化趋势一致，但拉伸时的强度极限远小于压缩时的强度极限，表明铸铁材料适用于受压缩的状况，而较少用于受拉伸状态。

2、下列钢号各代表何种钢，符号中的字母和数字各有什么意义？（8分）
Q215-B.F 代表 普通碳素钢（钢种），其中Q 为 屈服强度的头一个拼音字母，215为屈服强度值，B 表示质量等级，F 表示沸腾钢。

20A 代表高级优质碳素钢，20为含碳量0.2%。

15MnVDR 代表普通低合金钢，含碳量0.15%左右，含Mn 小于1.5%，含V 小于1.5%，D 表示低温用钢，R 代表容器用钢
H80 代表 黄铜（钢种），H 为黄铜牌号，80 表示平均含铜80%，含锌20%。

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3、不锈钢一般采用何种方式进行焊接，这种焊接方法的特点是什么？（4分）
不锈钢一般采用氩弧焊进行焊接。

氩弧焊特点：用氩气为保护介质，是惰性气体，既不与金属起化学反应也不溶于液态金属，可避免焊接缺陷，获得高质量的焊缝。

由于氩气比较稀缺，使其焊接成本较高，目前主要用来焊接易氧化的有色金属、稀有金属、高强度合金钢及一些特殊用途的高合金钢。

4、一设备法兰的操作温度为2700C，工作压力为0.8MPa，当材料为Q235-B和15MnVR
时应分别按何种公称压力级别确定法兰几何尺寸。

（4分）
Q235-B应按公称压力1.6MPa级别确定法兰的几何尺寸。

15MnVR应按公称压力1.0MPa级别确定法兰的几何尺寸。

5、下列容器属一、二、三类容器的哪一类？（4分）
（1）直径为2000mm，设计压力为1MPa的圆筒形容器
（2）设计压力为3.6MPa的搪玻璃压力容器
（3）设计压力为0.5MPa的管壳式余热锅炉
（4）p为3MPa的氰化氢容器
（1）为一类容器；（2）为三类容器；（3）为二类容器；（4）为三类容器。

6、分析安装在户外的塔体受哪些载荷的作用？说明这些载荷将引起何种变形？（5分）答：主要受工作压力、重量载荷、风载荷、地震载荷以及偏心载荷的作用。

对各种载荷影响的考虑：
（1）工作压力引起拉伸变形；
（2）重量载荷引起的轴向拉伸和压缩变形；
（3）风载荷造成的风弯矩，引起弯曲变形；
（4）垂直地震力引起的轴向拉伸和压缩变形，水平地震力形成地震弯矩，引起弯曲变形；
（5）偏心载荷造成偏心弯矩，引起弯曲变形，同时也产生压缩变形。

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四、计算题（共57分） 1、一个低合金钢内压反应塔，筒体内径mm D i 1000=，标准椭圆形封头，工作压力MPa
0.2（装有安全阀），工作温度C 0
270，塔体采用单面手工电弧焊，100%无损探伤，内部介质有轻微腐蚀性。

设计塔体壁厚，并校核水压试验强度。

（[]
MPa t
144=σ，[]MPa 170=σ，MPa s 345=σ，()s e
e i T T D p ϕσδδσ9.02≤+=）（10分）
表 钢板负偏差C l （mm ）
钢板厚度 4.5～5.5 6～7 8～25 26～30 32～34 36～40 负偏差 0.2
0.6
0.8
0.9
1
1.1
解：根据题意，mm C 12=，9.0=ϕ，MPa p 1.2205.1=⨯=
[]mm C p
pD t
i d 17.90.105
.129.014421000
05.1222=+⨯-⨯⨯⨯⨯=
+-=
ϕσδ
再加上钢板负偏差mm C 8.01=，然后圆整，取mm n 10=δ厚。

水压试验校核：()
()MPa D p e
e i T T 5.1902
.822.81000144170
05.1225.12=⨯+⨯⨯
⨯⨯=
+=
δδσ MPa s 5.2793459.09.09.0=⨯⨯=ϕσ，
s T ϕσσ9.0<，
所以水压试验时强度足够。

2、DN2000的低碳钢外压圆筒，筒体长4500mm ，壁厚10mm ，两侧封头凸面高度600mm ，
介质无腐蚀。

试计算筒体能承受的许可外压，并判断发生侧向失稳后筒体横截面上产生的波形数是等于2还是大于2？。

（8分）。

（3
02.2⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=D E p e cr δ，()05.2059.2D L D E p e cr δ=，MPa E 5
102⨯=） 解：mm C 8.01=，mm C 12=，mm L 490026003
1
4500=⨯⨯+=
mm D D L e
cr 370942
.82020
2020
17.117.10
0=⨯=⨯=δ
cr L L <，为短圆筒，发生侧向失稳后筒体横截面上产生的波形数2>n 。

()MPa D L D E
p e
cr 224.02020490020202.810259.259.25
.250
5
.20=⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝
⎛⨯⨯⨯==δ []MPa m
p p cr
075.0==
3、如图所示，两端固定的变截面直杆在连接处受到70kN 的力，已知：215cm A =，224cm A =，
21/200m GN E =，22/250m GN E =，求出两端约束
反力的大小并画出轴力图。

（9分） 解：
()4
93
1493
12
22
2111110410250105.0701051020010
2.00--⨯⨯⨯⨯⨯--
⨯⨯⨯⨯⨯=
=+=∆P P A E L P A E L P L
所以 kN P 501=，kN P 202=，方向都是向左。

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4、如图所示，直径为50mm 的实心梁上受到一均
布载荷和一力偶的作用。

（1）列出剪力方程和弯距方程，（2）画出剪力图和弯矩图，（3）求危险横截面上最大正应力。

（15分）
解：约束反力 m kN R .1=，m kN M .75.2=，
剪力方程：()⎩⎨⎧≤≤-≤≤=m x m x m
x m kN x Q 15.0225.00.1
弯距方程：()⎩
⎨⎧≤≤--≤≤-=m x m x x m
x x x M 15.0125.0075.22
MPa J y M Z 22405.064
2
/05.01075.24
3max max max
=⨯⨯=⋅=πσ
5、已知搅拌反应釜的传动轴直径D 为
20mm ，材料为45钢，GPa G 80=，其传递的轴功率为 1.5kW ，搅拌转速
min /100r n =，
（1）求扭转时传动杆横截面上所受到的最大剪应力是多少？传动轴单位长度上的扭转角是多少？（2）若传动轴还受到轴向的压力kN P 8=和弯曲力矩
m kN M .1.0=的作用，如图所示，请分别用第三和第四强度理论计算该传动轴危险点处的相当应力。

（15分） 解：（1）m N n N M n /25.143100
5
.195509550
=⨯== MPa D M W M n
n 2.91163max ===
πτρ
rad GJ M L
n
114.002.032
108025.1434
9=⨯⨯
⨯===
π
ϕ
θρ
（2）下表面为危险点，在该处取应力单元体
MPa W M A P z x 8.15202.032
101.002.041083
3
23-=⨯⨯-⨯⨯-=--=ππσ
0=y σ，MPa xy 2.91=τ
MPa MPa xy y
x y x 4.1956.42222
2
min max -=+⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛-±+=τσσσσσσ MPa r 238313=-=σσσ ()()()[]
MPa 8.2192
1
2132322214=-+-+-=
σσσσσσσ。