第一章 物体受力分析和静力平衡方程
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常熟理工学院
化工设备机械基础
• 集中力和分布力
• 力的表示： 如F力或是F矢。量在，图用示黑中体通字常或用字带上箭加头一的横线线段表来示表，示例。 线段的长度表示力的大小，箭头所指的方向表示力 的方向，线段的起点或终点画在力的作用点上。
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化工设备机械基础
理解力的概念的关键两点： 1.力是物体之间的相互作用，离开了物体，
化工设备机械基础
无法再简化的简单力系之一
d
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化工设备机械基础
2、力偶矩
用以衡量力偶对刚体的转动效应
m(F, F) Fd F
M
d
F
3、力偶矩的特点： • 力偶矩与矩心无关； • 力偶对刚体的作用完全取决于力偶矩的大小； • 力偶可在刚体上任意移动，只要不改变转动方向，
说明力偶矩是一自由矢量
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合力在某一轴上的投影等于各分力在同一轴上 投影的代数和
（1-3）
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化工设备机械基础
第五节
力矩 力偶
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化工设备机械基础
一、力矩
圆盘将会如何运动？
❖ 圆盘向右平移 F
F O
圆盘向右平移的 同时，还会绕质 心O的顺时针转 动。
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化工设备机械基础
❖ 由此可见，单个力对刚体可以产生移动效应。 在一定条件下（如作用力不通过质心，刚体 上有固定轴或支点等），力对刚体还可以产 生转动效应。
化工设备机械基础
第四节 力的投影 合力投影定理
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化工设备机械基础
一、 力的投影的概念
X F cos
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化工设备机械基础
二、力在直角坐标轴上的投影
（1-1）
若已知力的投影X､Y，则 力的大小和方向为
（1-2）
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化工设备机械基础
三、合力投影定理
1.合力的概念：一个力的效果≈一个力系的效果 2.合力投影定理
约束
约束与约束反力的概念
我们研究物体的运动时，可能遇到两 种情况：
• 物体在空间的运动是不受限制的 • 物体在空间的运动受到某些限制
显然，气球作为一个自由物体运动，其运动形式无限多—— 自由物体。 绿色圆柱体在圆槽内的运动受到限制——非自由物体。
我们把那些对非自由物体的限制称为约束
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化工设备机械基础
❖ 刚度：是指构件在外力作用下抵抗变形的 能力；
❖ 稳定性：是指构件在外力作用下保持其原 有平衡状态的能力。
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化工设备机械基础
第一章
物体的受力分析和静力平衡方程
常熟理工学院
化工设备机械基础
静力学研究物体作机械运动的特殊 情况——物体处于静止状态时力的平衡 规律。包括：受力分析、力系的简化、 平衡的条件等等。
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化工设备机械基础
加减平衡力系公理
在作用于刚体的任意力系上，加上或减去任一 平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。 推论：力的可传性
力可以在刚体上沿其作用线移至任意一点而不 改变它对刚体的作用效应
力的三要素可以叙述为：大小、方向、作用线
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四、作用与反作用定理
两个物体间相互作用的力，总是大小相等、方 向相反，同时分别作用在两个物体上。
注意：在分析物体受力时要正确区分二力平衡与作用与反作 用。前者是同一物体上的两个力的作用；后者是分别作用在 两个物体上的两个力，它们的效果不能互相抵消。
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第二节
约束及约束反力
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化工设备机械基础
由力的可传性：力可以沿其作用线在刚体上移动，不改变其效应。
问题：
力的作用线本身是否可以平移？如果平移， 会改变其对刚体的作用效应吗？
F
假设点 P 作用力 F ，今在同一刚体上
某点 O，沿与力 F 平行方向施加一对大小 相等（等于F）、方向相反的力
P r
F
F 与 F
O
F
显然，这一对力并不改变力 F 对刚体的作用效果 为什麽？
力是不能存在的。 2.力是物体之间的相互作用，总是成对地
出现于物体之间。力相互作用的方式可以是 直接接触，如人推小车；也可以不直接接触 而相互吸引或排斥，如地球对物体的引力(即 重力)。
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化工设备机械基础
二、刚体的概念
• 受力物体－变形小－忽略变形－刚体 • 刚体－理想化的模型
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化工设备机械基础
典型化工设备
反应釜
合成塔 常熟理工学院
换热器
化工设备机械基础
工程力学是一门研究物体在外力作用下的机械运动以及构件的 强度、刚度和稳定性，使构件既安全又经济实用的科学；是总 结工程中的有关力学理论和经验为了工程应用服务而撰写的经 典力学知识，是培养学生工程技术素质的专业基础课程。本篇 包括静力学部分和材料力学部分.
对于一个物体系统，各个物体之间的作用力为对于整 个系统来讲为内力，要对其中某个物体作受力分析时， 需要将该物体从系统中分离出来，称之为分离体，此 时，其他物体对该物体的作用力均为该物体的外力
对于被分离出来的物体、即受力分析对象，画出其承 受的所有主动力和约束反力称为该物体的受力图
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化工设备机械基础 常熟理工学院
体产生的顺时针的转向。
量纲单位：牛顿·米[N.m]或千牛·米[kN·m]
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化工设备机械基础
二、力偶
1、力偶的概念
• 大小相等、方向相反、作用线相互平行的两力构成一对力偶 • 力偶作用面：由一对力 F 所组成的平面； •力偶臂：构成力偶的一对力的作用线间的距离，用 d 表示； •力偶三要素：大小、作用面、转动方向。
静力学假定受力物体在不变形的条件下来研究各构件的受力关 系。 材料力学则主要是以理论力学为基础,研究构件的受力和变形 状态，最终使工程构件在使用中既不破坏、又能满足变形和稳 定性要求，还要使构件制造使用方便、轻巧、节省材料。既安 全又经济实用。
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化工设备机械基础
重要概念
❖ 强度：是指构件在外力作用下抵抗破坏的 能力；
常熟理工学院
化工设备机械基础
课程主要内容
❖ 工程力学基础理论 ❖ 金属材料性能与选用 ❖ 典型化工设备结构分析 ❖ 压力容器设计与管理
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化工设备机械基础
课程学习的特点
❖ 有易到难 ❖ 基础很重要 ❖ 切忌不注重平时的积累和消化，打算到学期
么临时“抱佛脚”
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化工设备机械基础
课程学时分配
章节 第一章 物体的受力分析和静力平 衡方程
第二章 拉伸、压缩与剪切 第三章 扭转 第四章 弯曲 第五章 应力状态分析、强度理论 和组合变形
第六章 疲劳 补充1 化工设备常用材料 第七章 化工设备设计基础概述
讲课 6
4 2 4 2
2 2 2
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实验
上机
化工设备机械基础
课程学时分配
第八章 内压薄壁容器设计基础
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化工设备机械基础
此刻我们可以将这 3 个力构成的力系视为 一对力偶 mo (F, F)
和1 个作用于点 O 的力 F
力 F 可以视为力F 由P点向O点的平移, 但是平移时必须附加一对力偶,
且其力偶矩为力F对O点之矩
F
P r
F
O
F
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化工设备机械基础
第七节
平面力系的简化 合力矩定理
物体的静平衡是指物体相对于地面 保持静止或作匀速直线运动的状态。
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化工设备机械基础
第一节
静力学基本概念
常熟理工学院
化工一设备、机关械基于础力
力是物体间的相互作用，其效果是使物体的 运动状态发生改变或物体发生变形
力的单位，采用国际单位时为：
kg m / s2 或 牛顿（N）
力的三要素 力对物体的作用效果取决于力的大小、方向与作用点 我们称之为力的三要素
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化工设备机械基础 常熟理工学院
化工设备机械基础
3、圆柱铰链约束
Fn Fn
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化工设备机械基础
固定铰支座
Y
X
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化工设备机械基础
活动铰支座
R
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化工设备机械基础
第三节
受力分析、受力图
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分离体和受力图
受力分析就是分析物体所受的所有主动力和约束反力
化工设备机械基础
画受力图的注意事项：
（1）确定研究对象，解除约束，取分离体 （2）先画出作用在分离体上的主动力，再根据约束的 性质在解除约束处画出约束反力 （3）利用相邻物体间作用力与反作用力之间的关系，当 作用力和反作用力其中的一个方向一经确定，另一个亦 随之确定
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画受力图的技巧：
❖ (1）要有明确的研究对象。研究对象可以是单个零 件或几个零件，也可以是整个构件。当取几个零件 或整个构件为研究对象时，各零件之间相互作用的 力是内力，不能表示在受力图上；
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化工设备机械基础
一、平面力系的简化
对于一个平面力系，我们都可以将这些力平移到某点O，从而组成一 个汇交于O 点的力系——平面汇交力系，同时，各个力平移时分别产生一 个力偶组成力偶系。
• 平面汇交力系可以产生一个合力——称为主矢量（主矢） • 力偶系组成一个合力偶矩——称为主矩
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化工设备机械基础
化工设备机械基础
杨春海
常熟理工学院
化工设备机械基础
课程简介
❖ 本课程是化工类专业的一门必修课程。其目 的是培养化工类专业人员在完成工艺设计后， 能够进行化工设备及零部件的选材和结构的 设计与选用，强化化工类专业学生对化工设 备的机械知识和设计能力。
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化工设备机械基础
·工程力学基础 ·化工设备设计基础 ·机械传动
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化工设备机械基础
力矩及其性质
力对物体的运动效应，包括力对物体的移动和 转动效应，其中力对物体的转动效应用力矩来 度量。
Mo(F) F d
力矩定义：力对O点的矩是力使物体产生绕O
点转动的效应度量。它可以用一个代数量表示， 其绝对值等于力矢的模与力臂的乘积，它的正 负分别表示该力矩使物体产生的逆时针和顺时
化工设备机械基础
三、平衡的概念
静力学只研究刚体，因此，只讨论物体在 力的作用下整体的平衡问题。
二力平衡公理
作用于刚体上的两个力，如果大小相等、方向相 反、且沿同一作用线，则它们的合力为零，此时， 刚体处于静止或作匀速直线运动。
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二力构件
只有两个力作用下处 于平衡的物体
不是二力构件
针的两种转向。O点叫做力矩中心，力的作用 线到O点的垂直距离d叫做力臂，力臂和力的 乘积叫做力对O点的力矩。
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力矩及其性质 化工设备机械基础
力矩是力对物体的转动 效应的度量
力矩的表示 力矩的矩心、力臂 大小、转向、作用面
Mo(F) F d
正负号规定：正号表示该力矩使物体产
生逆时针的转向，负号表示该力矩使物
4
第九章 内压薄壁圆筒和球壳设计
4
第十章 内压容器封头的设计
2
第十一章 外压容器设计基础
4
第十二章 容器零部件
4
补充2 换热设备
2
补充3 塔设备
2
补充4 机械搅拌反应釜
2
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化工设备机械基础
考核方式
❖ 闭卷考试 ❖ 平时（30%）+期末（70%） ❖ 平时：出勤，作业，提问，课堂纪律
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化工设备机械基础
• 力偶的等效性：在不改变力偶三要素的前提下，力偶可在其 作用面内任意移动，因此，只要力偶矩大小不变，可改变力与 力偶臂大小，而不改变力偶对刚体的效应。
M
M
d
F
F
F
d Fቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
M
F
M
d/F
F
d
F
(a)
(b)
(c)
(d)
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第六节 力的平移
常熟理工学院
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如槽内小球受 到的摩擦力
化工设备机械基础
常见的理想约束及其约束力的简化
按照牛顿第三定律，约束力是一对作用力与反作用力， 它们一定大小相等、方向相反、分别作用在构成运动副的两 个刚体上。
下面我们讨论几种常见的理想约束： 1、柔索约束
T
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2、支撑面约束与理想光滑面约束
❖ （2）受力分析要求画出的是受力图，不是施力图；
❖ （3）除重力、电磁力外，只有直接与研究对象接触 的物体才有力的作用；
❖ （4）约束反力的画法只取决于约束的性质，不要考 虑刚体在主动力作用下企图运动的方向；
❖ （5）画约束反力时，重要的是确定力线方位，力的 指向在无法判定时可任意假定；
❖ （6）要充分利用二力杆定理和三力平衡汇交定理来 确定力线方位。不能确定时可以用两个正交分力代 替该力。
进一步考察绿色圆柱体的运动，它 在圆槽内的运动形式取决于两种力 的共同作用：
• 一是使其产生运动趋势的力，如重力、驱 动力等，称之为主动力。 • 二是结构形式对其运动限制的力，称之为 约束反力，简称反力。
约束反力实际上反映了物体间的相互作用
• 我们将上述对非自由体运动可能性加以限制的约束反力称为理想约束力 • 无法限制非自由体运动的物体间相互作用的其他约束称为非理想约束力
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• 集中力和分布力
• 力的表示： 如F力或是F矢。量在，图用示黑中体通字常或用字带上箭加头一的横线线段表来示表，示例。 线段的长度表示力的大小，箭头所指的方向表示力 的方向，线段的起点或终点画在力的作用点上。
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理解力的概念的关键两点： 1.力是物体之间的相互作用，离开了物体，
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无法再简化的简单力系之一
d
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2、力偶矩
用以衡量力偶对刚体的转动效应
m(F, F) Fd F
M
d
F
3、力偶矩的特点： • 力偶矩与矩心无关； • 力偶对刚体的作用完全取决于力偶矩的大小； • 力偶可在刚体上任意移动，只要不改变转动方向，
说明力偶矩是一自由矢量
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合力在某一轴上的投影等于各分力在同一轴上 投影的代数和
（1-3）
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第五节
力矩 力偶
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一、力矩
圆盘将会如何运动？
❖ 圆盘向右平移 F
F O
圆盘向右平移的 同时，还会绕质 心O的顺时针转 动。
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❖ 由此可见，单个力对刚体可以产生移动效应。 在一定条件下（如作用力不通过质心，刚体 上有固定轴或支点等），力对刚体还可以产 生转动效应。
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第四节 力的投影 合力投影定理
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一、 力的投影的概念
X F cos
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二、力在直角坐标轴上的投影
（1-1）
若已知力的投影X､Y，则 力的大小和方向为
（1-2）
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三、合力投影定理
1.合力的概念：一个力的效果≈一个力系的效果 2.合力投影定理
约束
约束与约束反力的概念
我们研究物体的运动时，可能遇到两 种情况：
• 物体在空间的运动是不受限制的 • 物体在空间的运动受到某些限制
显然，气球作为一个自由物体运动，其运动形式无限多—— 自由物体。 绿色圆柱体在圆槽内的运动受到限制——非自由物体。
我们把那些对非自由物体的限制称为约束
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❖ 刚度：是指构件在外力作用下抵抗变形的 能力；
❖ 稳定性：是指构件在外力作用下保持其原 有平衡状态的能力。
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第一章
物体的受力分析和静力平衡方程
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静力学研究物体作机械运动的特殊 情况——物体处于静止状态时力的平衡 规律。包括：受力分析、力系的简化、 平衡的条件等等。
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加减平衡力系公理
在作用于刚体的任意力系上，加上或减去任一 平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效应。 推论：力的可传性
力可以在刚体上沿其作用线移至任意一点而不 改变它对刚体的作用效应
力的三要素可以叙述为：大小、方向、作用线
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四、作用与反作用定理
两个物体间相互作用的力，总是大小相等、方 向相反，同时分别作用在两个物体上。
注意：在分析物体受力时要正确区分二力平衡与作用与反作 用。前者是同一物体上的两个力的作用；后者是分别作用在 两个物体上的两个力，它们的效果不能互相抵消。
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第二节
约束及约束反力
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由力的可传性：力可以沿其作用线在刚体上移动，不改变其效应。
问题：
力的作用线本身是否可以平移？如果平移， 会改变其对刚体的作用效应吗？
F
假设点 P 作用力 F ，今在同一刚体上
某点 O，沿与力 F 平行方向施加一对大小 相等（等于F）、方向相反的力
P r
F
F 与 F
O
F
显然，这一对力并不改变力 F 对刚体的作用效果 为什麽？
力是不能存在的。 2.力是物体之间的相互作用，总是成对地
出现于物体之间。力相互作用的方式可以是 直接接触，如人推小车；也可以不直接接触 而相互吸引或排斥，如地球对物体的引力(即 重力)。
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二、刚体的概念
• 受力物体－变形小－忽略变形－刚体 • 刚体－理想化的模型
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典型化工设备
反应釜
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换热器
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工程力学是一门研究物体在外力作用下的机械运动以及构件的 强度、刚度和稳定性，使构件既安全又经济实用的科学；是总 结工程中的有关力学理论和经验为了工程应用服务而撰写的经 典力学知识，是培养学生工程技术素质的专业基础课程。本篇 包括静力学部分和材料力学部分.
对于一个物体系统，各个物体之间的作用力为对于整 个系统来讲为内力，要对其中某个物体作受力分析时， 需要将该物体从系统中分离出来，称之为分离体，此 时，其他物体对该物体的作用力均为该物体的外力
对于被分离出来的物体、即受力分析对象，画出其承 受的所有主动力和约束反力称为该物体的受力图
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体产生的顺时针的转向。
量纲单位：牛顿·米[N.m]或千牛·米[kN·m]
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二、力偶
1、力偶的概念
• 大小相等、方向相反、作用线相互平行的两力构成一对力偶 • 力偶作用面：由一对力 F 所组成的平面； •力偶臂：构成力偶的一对力的作用线间的距离，用 d 表示； •力偶三要素：大小、作用面、转动方向。
静力学假定受力物体在不变形的条件下来研究各构件的受力关 系。 材料力学则主要是以理论力学为基础,研究构件的受力和变形 状态，最终使工程构件在使用中既不破坏、又能满足变形和稳 定性要求，还要使构件制造使用方便、轻巧、节省材料。既安 全又经济实用。
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重要概念
❖ 强度：是指构件在外力作用下抵抗破坏的 能力；
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课程主要内容
❖ 工程力学基础理论 ❖ 金属材料性能与选用 ❖ 典型化工设备结构分析 ❖ 压力容器设计与管理
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❖ 有易到难 ❖ 基础很重要 ❖ 切忌不注重平时的积累和消化，打算到学期
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课程学时分配
章节 第一章 物体的受力分析和静力平 衡方程
第二章 拉伸、压缩与剪切 第三章 扭转 第四章 弯曲 第五章 应力状态分析、强度理论 和组合变形
第六章 疲劳 补充1 化工设备常用材料 第七章 化工设备设计基础概述
讲课 6
4 2 4 2
2 2 2
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实验
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课程学时分配
第八章 内压薄壁容器设计基础
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此刻我们可以将这 3 个力构成的力系视为 一对力偶 mo (F, F)
和1 个作用于点 O 的力 F
力 F 可以视为力F 由P点向O点的平移, 但是平移时必须附加一对力偶,
且其力偶矩为力F对O点之矩
F
P r
F
O
F
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第七节
平面力系的简化 合力矩定理
物体的静平衡是指物体相对于地面 保持静止或作匀速直线运动的状态。
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第一节
静力学基本概念
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力是物体间的相互作用，其效果是使物体的 运动状态发生改变或物体发生变形
力的单位，采用国际单位时为：
kg m / s2 或 牛顿（N）
力的三要素 力对物体的作用效果取决于力的大小、方向与作用点 我们称之为力的三要素
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3、圆柱铰链约束
Fn Fn
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R
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第三节
受力分析、受力图
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分离体和受力图
受力分析就是分析物体所受的所有主动力和约束反力
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画受力图的注意事项：
（1）确定研究对象，解除约束，取分离体 （2）先画出作用在分离体上的主动力，再根据约束的 性质在解除约束处画出约束反力 （3）利用相邻物体间作用力与反作用力之间的关系，当 作用力和反作用力其中的一个方向一经确定，另一个亦 随之确定
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画受力图的技巧：
❖ (1）要有明确的研究对象。研究对象可以是单个零 件或几个零件，也可以是整个构件。当取几个零件 或整个构件为研究对象时，各零件之间相互作用的 力是内力，不能表示在受力图上；
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一、平面力系的简化
对于一个平面力系，我们都可以将这些力平移到某点O，从而组成一 个汇交于O 点的力系——平面汇交力系，同时，各个力平移时分别产生一 个力偶组成力偶系。
• 平面汇交力系可以产生一个合力——称为主矢量（主矢） • 力偶系组成一个合力偶矩——称为主矩
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课程简介
❖ 本课程是化工类专业的一门必修课程。其目 的是培养化工类专业人员在完成工艺设计后， 能够进行化工设备及零部件的选材和结构的 设计与选用，强化化工类专业学生对化工设 备的机械知识和设计能力。
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力矩及其性质
力对物体的运动效应，包括力对物体的移动和 转动效应，其中力对物体的转动效应用力矩来 度量。
Mo(F) F d
力矩定义：力对O点的矩是力使物体产生绕O
点转动的效应度量。它可以用一个代数量表示， 其绝对值等于力矢的模与力臂的乘积，它的正 负分别表示该力矩使物体产生的逆时针和顺时
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三、平衡的概念
静力学只研究刚体，因此，只讨论物体在 力的作用下整体的平衡问题。
二力平衡公理
作用于刚体上的两个力，如果大小相等、方向相 反、且沿同一作用线，则它们的合力为零，此时， 刚体处于静止或作匀速直线运动。
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二力构件
只有两个力作用下处 于平衡的物体
不是二力构件
针的两种转向。O点叫做力矩中心，力的作用 线到O点的垂直距离d叫做力臂，力臂和力的 乘积叫做力对O点的力矩。
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力矩及其性质 化工设备机械基础
力矩是力对物体的转动 效应的度量
力矩的表示 力矩的矩心、力臂 大小、转向、作用面
Mo(F) F d
正负号规定：正号表示该力矩使物体产
生逆时针的转向，负号表示该力矩使物
4
第九章 内压薄壁圆筒和球壳设计
4
第十章 内压容器封头的设计
2
第十一章 外压容器设计基础
4
第十二章 容器零部件
4
补充2 换热设备
2
补充3 塔设备
2
补充4 机械搅拌反应釜
2
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❖ 闭卷考试 ❖ 平时（30%）+期末（70%） ❖ 平时：出勤，作业，提问，课堂纪律
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• 力偶的等效性：在不改变力偶三要素的前提下，力偶可在其 作用面内任意移动，因此，只要力偶矩大小不变，可改变力与 力偶臂大小，而不改变力偶对刚体的效应。
M
M
d
F
F
F
d Fቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
M
F
M
d/F
F
d
F
(a)
(b)
(c)
(d)
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第六节 力的平移
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如槽内小球受 到的摩擦力
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常见的理想约束及其约束力的简化
按照牛顿第三定律，约束力是一对作用力与反作用力， 它们一定大小相等、方向相反、分别作用在构成运动副的两 个刚体上。
下面我们讨论几种常见的理想约束： 1、柔索约束
T
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2、支撑面约束与理想光滑面约束
❖ （2）受力分析要求画出的是受力图，不是施力图；
❖ （3）除重力、电磁力外，只有直接与研究对象接触 的物体才有力的作用；
❖ （4）约束反力的画法只取决于约束的性质，不要考 虑刚体在主动力作用下企图运动的方向；
❖ （5）画约束反力时，重要的是确定力线方位，力的 指向在无法判定时可任意假定；
❖ （6）要充分利用二力杆定理和三力平衡汇交定理来 确定力线方位。不能确定时可以用两个正交分力代 替该力。
进一步考察绿色圆柱体的运动，它 在圆槽内的运动形式取决于两种力 的共同作用：
• 一是使其产生运动趋势的力，如重力、驱 动力等，称之为主动力。 • 二是结构形式对其运动限制的力，称之为 约束反力，简称反力。
约束反力实际上反映了物体间的相互作用
• 我们将上述对非自由体运动可能性加以限制的约束反力称为理想约束力 • 无法限制非自由体运动的物体间相互作用的其他约束称为非理想约束力