第二章 工程力学基础

2

化工机械：化学工业生产中所用的机器和设备的 总称。化工生产中为了将原料加工成一定规格的 成品，往往需要经过原料预处理、化学反应以及 反应产物的分离和精制等一系列化工过程，实现 这些过程所用的机械，常常都被划归为化工机械。 如各种过滤机、破碎机、离心分离机、搅拌机、 旋转干燥机以及流体输送机械等。容器（槽、罐、 釜等）、普通窑、塔器、反应器、换热器、普通 干燥器、蒸发器，反应炉、电解槽、结晶设备、 传质设备、吸附设备、流态化设备、普通分离设 备以及离子交换设备等。制药设备属于化工机械？
农业机械、工程机械、造纸机械、印刷机械等。
3
机器设备的组成

根据功能的不同，一部完整的机器由以 下四部分组成： 1.原动部分：机器的动力来源。 2.工作部分：完成工作任务的部分。 3.传动部分：把原动机的运动和动力传 递给工作机。 4.控制部分：使机器的原动部分、传动 部分、工作部分按一定的顺序和规律运动， 完成给定的工作循环。
4
零件：组成机械和机器的不可分拆的单个制件。 零件是机械制造过程中的基本单元。如轴套、 轴瓦、螺母、曲轴、叶片、齿轮、凸轮、连杆 体、连杆头等。零件是机械制造过程中的基本 单元。 构件：运动的单元，即在运动中是不可再分的 单元体；机器中每一个独立的运动单元；构件 可能是一个零件，也可能是几个零件的刚性组 合。 机构：两个或两个以上的构件通过活动联接以 实现规定运动的构件组合。机械的组成部分。 机械是一种人为的实物构件的组合。


第二个细节是造船工程师只考虑到要增加钢的 强度，而没有想到要增加其韧性。把残骸的金 属碎片与如今的造船钢材作一对比试验，发现 在“泰坦尼克号”沉没地点的水温中，如今的 造船钢材在受到撞击时可弯成V形，而残骸上的 钢材则因韧性不够而很快断裂。由此发现了钢 材的冷脆性，即在-40℃～O℃的温度下，钢材 的力学行为由韧性变成脆性，从而导致灾难性 的脆性断裂。而用现代技术炼的钢只有在 －70℃～－60℃的温度下才会变脆。不过不 能责怪当时的工程师，因为当时谁也不知道， 为了增加钢的强度而往炼钢原料中增加大量硫 化物会大大增加钢的脆性，以致酿成了“泰坦 尼克号”沉没的悲剧。
图2-1 小车受力图图
2-2 起吊重物受力图
28
2、力的基本性质 （1）作用与反作用定律 （2）二力平衡定律
图2-3 起吊重物受力分析
wenku.baidu.com
图2-3 起吊重物受力分析
29
29


公理1 二力平衡公理 作用在刚体上的两个力，使刚体保持 平衡的必要和充分条件是：这两个力大 小相等，方向相反，且作用在同一条直 线上。 对于变形体而言，二力平衡公理只是 必要条件，但不是充分条件。
32
力不但可以合成，根据实际问题的需要还可以把
一个力分解为两个分力。分解的方法仍是应用力的平行 四边形法则。
图2-5 力的合成图
2-6 力的分解
33
33
推理 2 三力平衡汇交定理
平衡时 F3 必与 F12 共线则三力必汇交O 点，且共面。
34
公理4 作用与反作用公理 两物体间的作用力与反作用力总是同时 存在，且大小相等、方向相反、沿同一条直线， 分别作用在这两个物体上。 作用力与反作用力互相依存、同时出现、 同时消失，分别作用在相互作用的两物体上。 作用力与反作用力与二力平衡公理中的两 个力有着本质的区别
软钢断裂试样
8
为了使机器或设备能安全而正常地工作，在设计时必 对构件的三项基本要求 须使构件满足以下三方面的要求： 具有足够的强度 构件在外载作用下，抵抗破坏的能力。 例如储 气罐不应爆破。 （破坏 —— 断裂或变形过量不能恢复）

具有足够的刚度 构件在外载作用下，抵抗可恢复变形的能力。 例如机床主轴不应变形过大，否则影响加工精度。
刚体：在外力作用下，大小和形状保持不变的物体。静力学 中研究的物体均可视为刚体。
27


物体间机械作用的形式是 多种多样的，力对物体的效 应取决于力的大小、方向和 作用点，这三者称为力的三 要素。 力矢量用一条有向线段表 示，线段的长度表示力的大 小；线段的方位和箭头表示 力的方向；线段的起点或终 点表示力的作用点，力的国 际单位为牛[顿]（N）。
23


那么，究竟是什么原因酿成了这场灾难?事后的 调查表明，这是由一系列的操作失误造成的人为 事故。刚完成检修的第四核反应堆重新启动时， 将产生的蒸汽输向已经关闭的涡轮机，而能够关 掉反应堆的自动保护装臵却事先被切断了。这样， 反应堆不断工作产生蒸汽，却没有宣泄的出口。 反应堆外壳所承受的蒸汽压力和温度远远超出了 它的设计要求，最终引发了热能爆炸。 然而，对于人类来说，这次爆炸仍然是“幸运” 的。因为它仅仅是一次过热的蒸汽爆炸，而非核 爆炸。否则这对于人类是绝对的灭顶之灾。这次 大爆炸也向人类敲响了警钟：如何杜绝灾难性事 故的发生，如何在恶劣的环境条件下，遏制更大 灾难的发生，这也是对力学工作者提出的新的挑 战性课题。
第二章 工程力学基础
1
机械的类型



从广义角度讲，凡是能完成一定机械运动 的装置都是机械。 根据用途不同，机械可分为： （1）动力机械 实现机械能与其他形式能 量间的转换。（风磨、水轮机、内燃机） （2）加工机械 改变物料的结构形状、性 质及状态。（破碎机、过滤机、搅拌机、 反应器、混合机、分离设备） （3）运输机械 改变人或物料的空间位置。 （4）信息机械 获取或处理各种信息。


这艘偌大的游轮究竟为什么会沉于海底呢?由于技术上 的原因，直至1991年，第一次科学考察队才开始到水下 对残骸进行考察，并收集了残骸的金属碎片供科研用。 这些碎片以及沉船在海底的状况使人们终于解开了巨轮 “泰坦尼克号”罹难之谜。考察队员们发现了导致“泰 坦尼克号”沉没的两个重要细节。 一个细节说明，造船工程师们只考虑到船底、船尾或 船首有被撞坏的可能性。在深夜里行进的“泰坦尼克号” 遭遇冰山，当人们发现并想躲避却为时已晚。如果值班 人员没有发现冰山，轮船直接撞到冰山上去的话，或许 游轮受损伤进水的只是船首部分的舱房，船一定不会整 个沉没。但不幸的是，值班员偏偏发现了冰山，并且怀 着侥幸的心理想让船转过身来躲避冰山，这样一来，冰 山就像一把利刃似的从船的侧面切入，把船拦腰斩断。 这样，就不是一两个舱房进水，而是所有的舱房都进了 水。结果“泰坦尼克号”在几个小时内就覆没于大海之 中了。 20

满足稳定性要求 构件在某种外载作用下，保持其原有平衡状态的 9 能力。例如柱子不能弯曲等。
构件满足强度、刚度、稳定性要求的能力， 称为构件的承载能力。
工程力学的任务就是研究构件在外力作用下变 形和破坏的规律，为设计构件选择适当材料和 尺寸，以保证能够达到强度、刚度和稳定性的 要求。
10
上面提到了术语
24
简单力学问题－ 队伍过桥时不能齐步走 高等力学问题－ 冲击载荷的概念： 人跑步时脚上的力量有多大？ 损伤累积与结构寿命 与跑步的次数有关
25
脚上的力量
16.7
12500N
6000N 4500N
8
3500N
3000N
4.7 4
6 假设人体重量为750N
高等力学问题－ 损伤累积与结构寿命 与跑步的次数有关
22


2．切尔诺贝利核电站为什么发生大爆炸?
切尔诺贝利核电站是前苏联于1973年开始修建、 1977年启动的最大的核电站。1986年4月26日凌 晨，两声沉闷的爆炸声打破了核电站周围的宁静。 随着爆炸声，一条30多米高的火柱掀开反应堆的 外壳，冲向天空。反应堆的防护结构和各种设备 整个被掀起，温度高达2000℃的烈焰吞噬着机房， 熔化了粗大的钢架。携带着高放射性物质的水蒸 气和尘埃随着浓烟升腾弥漫，这次爆炸造成了灾 难性的后果。爆炸释放的能量相当于500颗在广 岛投放的原子弹。爆炸破坏了核反应堆，使反应 堆内180多吨浓缩铀燃料的3％被释放到大气中， 放射性污染遍及前苏联居住着694.5万人的15万 平方公里的地区，核电站周围30km范围被划为隔 离区，庄稼被全部掩埋。
21


另据美国《纽约时报》报导，一个海洋法医专 家小组对打捞起来的“泰坦尼克号”船壳上的铆 钉进行了分析，发现固定船壳钢板的铆钉里含有 异常多的玻璃状渣粒，因而使铆钉变得非常脆弱、 容易断裂。 这一分析表明：在冰山的撞击下，可能是铆钉 断裂导致船壳解体，最终使“泰坦尼克号”葬身 于大西洋海底。

30
公理2 加减平衡力系公理： 在已知力系上加上或者 减去任意平衡力系，并 不改变原力系对刚体的 作用。 推论1 力的可传性原理 作用在刚体上某点的力， 可以沿着它的作用线移 动到刚体内任意一点， 并不改变该力对刚体的 作用效应。（如图）
31
公理3 力的平行四边形 公理
作用在刚体上同 一点的两个力，可以 合成为一个合力。合 力的作用点也在该点， 合力的大小、方向， 由这两个力为边构成 的平行四边形的对角 线确定。 力的合成与分解 图2-4 力的平行四边形法则 作用于同一物体上的若干个力叫做力系。力系中各个 力的作用线汇交于一点的叫做汇交力系。
11
塔吊
12
强 度 和 刚 度
13
工程构件的强度、刚度
14
自行车结构也有强度、 刚度和稳定问题
15
16

大型桥梁的强度 刚度 稳定问题
17
18

震惊世界的两次强度失效事故：
1．“泰坦尼克号”沉没之谜

1912年4月14日，当时最大最豪华的4600t英制游轮 “泰坦尼克号”首次满载着2227名乘客离开英国的南安 普敦港驶向纽约。乘客们都以为自己乘坐的是最豪华、 最结实的轮船，做梦也不曾想到会有大祸临头。因为该 船的底部已被隔成各个独立的舱房，任一舱房受损进水 都不会影响别的舱房。即使在最坏的情况下，如与别的 船相撞导致一部分舱房进水，整个“泰坦尼克号”沉没 至少也需要3天时间，在那么长的时间内无论如何也能 得到救援。因此，这次处女航几乎可以说是万无一失的， 更何况造船用的是当时最优质的钢材。 然而，令人遗憾的是，“泰坦尼克号”未能逃脱世界航 海史上最大海难事故的命运。被称为“不沉之船”的 “泰坦尼克号”连同它的1513位乘客，仅在3小时内就 被格陵兰海冰冷的海水吞没了。 19
26
2.1
物体的受力分析及其平衡条件
2.1.1力的概念及其基本性质 1、力的概念
力的概念：物体间的相互机械作用。 外效应：使物体的运动状态发生改变（理论力 学） 内效应：使物体的形状发生改变（材料力学） 变形：构件尺寸与形状的变化，分为两类，一 类为外力解除后可消失的变形，称为弹性变形；一 类为外力解除后不能消失的变形，称为塑性变形或 残余变形。
1、 构件 Component or Member ：组成机械的零件或构 筑物的杆件统称为构件 2、 结构 Structure：由构件组成的体系，工程结构是工 程实际中采用的结构 3、 载荷 Load：构件和结构承受的负载或荷重 载荷有 —— 内载荷 外载荷 4、 变形 Deformation：在载荷的作用下，构件的形状及 尺寸发生的变化称为变形
5

力学与数学、物理、化学、天文、地理、生物并列为七 大基础学科。 力学的发展源远流长。20世纪前，机械工业、大水利工 程、大跨度桥梁、铁路与机车、船舶、兵器等近代工业， 无一不是在力学知识积累和完善的基础上产生与发展起 来的。例如，高新技术领域中的航空航天技术(包括人 类登月、建立空间站、航天飞机和卫星测控)主要靠力 学而发展。一架载客400人的波音747飞机，其质量超过 100t，这样的庞然大物，竟然可以自由翱翔于空中，是 得益于近代空气动力学的成就；在飞机遇到不稳定气流 时，其机翼能够克服上下颤动，确保航行安全，则是固 体力学和结构力学的成就；客机跨海越洋，遥遥数万里， 无论昼夜，都能准确无误地到达终点，既不会延误，也 不会迷路，更不会失控，这是导航与自动控制技术的贡 献，其最核心的技术却是一般力学研究的成果。
6

生产过程中，使用的任何机械或设备的构 件，都应该满足适用、经济、安全的三个 基本要求。
金属构件失效形式：变形、断裂、腐蚀和磨损等
(a) 未加压的圆筒形
(b)塑性变形后的鼓胀及断裂
7
承受内压的304不锈钢塑性变形及断裂试验
(a) 疲 劳 断 裂
(b) 静 拉 伸 断 裂
液氨管韧性断裂失效
过热管蠕变变形及胀裂