化工设备机械基础电子教案.docx
《化工设备机械基础电子教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工设备机械基础电子教案.docx（56页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
化工设备机械基础电子教案
教案
2011—2012学年第1学期
课程名称化工设备机械基础
授课对象09化工（含11化工专升本）
授课教师褚松茂
职称副教授
教材版本赵军《化工设备机械基础》
参考书
平顶山学院教务处印制
《化工设备机械基础》教案（首页）
2011－2012学年第1学期
主讲教师
褚松茂
院（系）部
化学化工学院
教研室
化工教研室
职称
副教授
学历
本科
课程名称
化工机械基础
课程类别
专业必修课
课程序号
课程代码
授课专业
化学工程与工艺
总学时
62
讲授
62
实验
上机
其它
学分
3
课程性质和目的
《化工设备机械基础》是化工工艺类专业一门综合性的机械类技术基础课，包括工程力学基础（静力学、材料力学）、化工设备设计基础和机械传动三大部分。
其任务是使学生掌握相关的基本理论、基本知识以及设计的基本方法，为从事化工设备机械的设计、使用、管理和维护打下基础。
具体为：
1、掌握对化工设备中的受力构件进行强度、刚度和稳定性计算的基本理论和方法。
2、能为常用化工设备合理地选择材料。
3、掌握化工设备通用零部件的选用方法。
4、了解压力容器监察管理法规。
课程教学基本要求
1、本课程的教学应贯彻应用性原则和重视素质培养原则。
要求理论分析与设计方法相结合，理论教学主要是讲清概念，学会应用，对数学推导一般不作演绎。
要重视分析实例、课堂讨论、习题等教学环节，同时将课程内容与生产实习、课程设计、毕业设计相结合，培养学生理论联系实际的能力。
2、工程力学是课程教学的核心内容，是学好其他部分内容的基础，应着重抓好。
其余教学内容则可根据各专业的特点和安排学时（或学分）的多少选择讲授。
对化工工艺专业则要抓好化工设备设计基础，而机械传动部分可不作为重点。
讲课要结合化工行业的实际，并允许对教学内容做必要调整和组合。
3、考核方式以闭卷为主，平时成绩在期评成绩中应占有一定的比重。
教材与参考书
1、赵军等编，《化工设备机械基础》（第二版），化学工业出版社，2007年；
2、董大勤主编，《化工设备机械基础》，化学工业出版社，2002年。
3、张新占主编，《工程力学》（上）、（下），西北工业大学出版社，2001年。
4、潘永亮主编，《化工设备机械设计基础》，科学出版社，1999年；
《化工设备机械基础》教案
序号
第1次课
周次
1
学时
2
授课时间
2011年9月15日
章节名称
1.物体的受力分析和静力平衡方程
1.1静力学基本概念1.2约束和约束反力1.3分离体和受力图
教学目的
与要求
1、使学生掌握力、刚体、平衡等静力学基本概念。
2、使学生掌握约束和约束反力概念。
3、使学生学会画受力图。
重点与难点
重点：
1力、刚体、平衡等静力学基本概念。
2约束和约束反力概念。
3学会画受力图。
难点：
学会画受力图。
授课方法
与手段
多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。
基本教学内容：
概述
工程力学是一门研究物体机械运动及构件强度、刚度和稳定性的科学。
工程力学的两个基础部分：
静力学和材料力学。
为保证构件正常工作，构件应当满足以下要求：
（1）强度要求
（2）刚度要求（3）稳定性要求
1.1静力学基本概念
一、力的概念及作用形式
力：
物体间相互的机械作用，单位：
N，kN，力是矢量，F或F表示，既有大小又有方向
力的三要素：
大小，方向，作用点
按力的作用方式分类可分为：
表面力和体积力（eg.重力，磁力）
按作用面积大小可分为：
集中力和分布力（kN/m）
二、刚体的概念
刚体：
在任何情况下都不发生变形的物体。
它是抽象化概念，是一种变形很小情况下的理想模型。
静力学中主要研究物体所受力系的简化及平衡条件，不研究变形，故可视为刚体。
三、平衡的概念
平衡状态：
物体相对于地球静止或作匀速直线运动时的状态。
是物体机械运动的特殊情形。
并将作用于该物体上的力系称为平衡力系。
平衡力系：
物体处于平衡状态时的力系。
二力平衡原理（公理）：
作用于刚体上的两个力平衡的必要和充分条件是：
这两个力大小相等，方向相反，并作用在同一直线上（等值、反向、共线）
二力构件：
只受两力作用且处于平衡的构件，特点是：
两力必沿作用点的连线。
加减平衡力系原理（公理）：
在作用于刚体上的任何一个力系上，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。
力的可传性原理：
作用于刚体上的力，可沿其作用线移至刚体内任意一点，而不改变它对刚体的作用效应。
故作用于刚体上力的三要素是大小、方向、作用线。
四、作用和反作用定律
作用和反作用定律：
两物体间相互作用的力总是大小相等，作用线相同而指向相反，分别作用在这两个物体上。
（重力与支持力）
作用于与反作用力不能与两力平衡中的一对平衡力混淆。
1.2约束和约束反力
自由体：
能在空间作任意位移的物体，eg.飞机、火箭、卫星等。
非自由体：
位移受到某些限制的物体，eg.悬挂着的灯。
主动力：
能使物体运动或有运动趋势的力，eg.重力、电磁力、风力等，工程上也称为载荷。
约束：
阻碍非自由体运动的限制条件，eg.绳索就是灯的约束，铁轨是火车的约束。
约束反力：
约束对物体的作用力，eg.T就是绳索对灯的约束反力。
典型（平面）约束类型：
（1）柔索约束：
绳子、链条、皮带、钢丝等柔性物体。
绳索对物体的约束反力，作用点在接触点，方向沿绳索的中心线，而背离物体。
（2）理想光滑面约束：
物体接触面上的摩擦力相比其他力很小，可忽略不计，这样的接触面为光滑面，不能限制切向方向运动，只能限制法向，其约束反力：
沿接触面在接触点处的公法线且指向物体。
（3）圆柱铰链约束：
如图,只限制两构件的相对移动，不限制相对转动，其约束反力为Fx、Fy，即通过销钉中心，沿接触点法线方向的约束反力。
用圆柱铰将构件与底座连接起来，构成铰支座。
可分为：
固定铰支座，如图1-8a，可动铰支座，如图1-9a。
固定端约束：
物体的一部分固嵌与另一物体所构成的约束，eg.电线杆等，图1-20（a）。
固定约束反力有三个，FxA、FyA、MA。
1.3分离体和受力图
分离体：
把研究对象从周围物体的约束中分离出来，成为自由体，此对象即为分离体。
受力图：
单独画出物体轮廓，将作用在它上面的主动力与约束反力画在上面得到的图。
画受力图的步骤：
（1）确定研究对象，并将其从周围物体的约束中分离出来，即取分离体（先取二力杆）
（2）画已知力，如外力（载荷），重力等。
（3）画约束反力。
根据约束类型，画出约束反力。
例：
1-1，1-2
作业布置：
课后自我总结分析：
《化工设备机械基础》教案
序号
第2次课
周次
1
学时
2
授课时间
2011年9月8日
章节名称
1.物体的受力分析和静力平衡方程
1.4力的投影、合力投影定理1.5力矩、力偶1.6力的平移
1.7平面力系的简化、合力矩定理
教学目的
与要求
1、使学生掌握合力投影定理。
2、使学生掌握力矩、力偶和力的平移。
3、使学生掌握力的平移、平面力系的简化和合力矩定理。
重点与难点
重点：
1合力投影定理。
2力矩、力偶和力的平移。
3力的平移、平面力系的简化和合力矩定理。
难点：
力的平移、平面力系的简化和合力矩定理。
授课方法
与手段
多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。
基本教学内容：
1.4力的投影合力投影定理
一、力的投影概念
从力矢量F的两端AB分别向x轴作垂足a,b，线段 ab称为力F在x轴上的投影。
二、力在直角坐标轴上投影
力F在x（y）轴上的投影：
从力F的起点A，终点B向ox（oy）轴作垂线得垂足a、b，线段ab称力F在x（y）轴上的投影。
若已知F的大小及其与x轴所夹的锐角α，则有：
力在坐标轴上的投影的特性：
a.标量b.符号，ab与x轴同向为正c.平行力且等值时在坐标轴上投影相同d.力平行移动后投影值不变
三、合力投影定律
合力：
若一个力对刚体的作用效果与一个力系等效，则此力称为该力系的合力，该力系中的各个力称为此合力的分力。
合力投影定律：
合力在任意轴上的投影，等于各分力在同一轴上投影的代数和。
1.5力矩力偶
一、力矩
力矩：
力的大小和力臂的乘积。
力偶：
大小相等、作用相平行的两个反向力组成的力系。
力偶矩：
力的大小和力偶臂的乘积。
力偶的性质：
力偶无合力、力偶与位置无关、力偶矩大小转向不变时、力偶系可由力偶代替。
二、力偶与力偶矩
力偶作用面：
力偶中两力所在的平面。
力偶臂：
两力作用线间的垂直距离，以d表示。
力偶的特点：
对刚体只产生转动效应而没有移动效应，力偶不能与一个力等效或平衡，只能被力偶平衡。
力偶矩：
以乘积F.d作为度量力偶对物体的转动效应的物理量，记作m（F，F）或m=+-Fd，力偶矩为代数量，力偶矩转向为逆时针时为正，单位N·m（kN·m）与力矩同。
力偶中两力对其作用面内任一点的矩的代数和恒等于力偶矩。
力偶的特性：
a.大小转向不变，力偶可在平面内任意移动或改变F、d的大小。
C.力偶可移到与作用平面平行的平面内而不改变其作用效果。
力偶的三要素：
力偶矩的大小、转向、作用平面。
1.6力的平移
力的平移定理：
作用在刚体上的力可平行移动到刚体内任一点，但必须同时附加一个力偶，其力偶矩等于原力F对平移点的矩。
1.7平面力系的简化合力矩定理
一、平面力系的简化
平面力系：
各力的作用线都分布在同一平面内，既不汇交于同一点，又不完全平行。
平面力系向其作用面内任一点简化，得到主矢F′R和主矩Mo。
二、平面力系简化结果讨论：
若F′R≠0，Mo=0，则原力系简化为一个合力F′R，并通过简化中心的原力系的合力。
若F′R=0，Mo≠0，则原力系简化为一个力偶，力偶矩等于原力系对简化中心的主矩，与简化中心位置无关。
若F′R≠0，Mo≠0，则此力系可进一步简化为一个合力，使d=Mo/F′R，转移力偶。
若F′R=0，Mo=0，则原力系为平衡力系
三、合力矩定理
合力矩定理：
当平面力系可以合成为一个合力时，则其合力对于作用点内任一点的矩，等于力系中各分力对同一点的矩的代数和。
例：
1-3，1-4
作业布置：
课后自我总结分析：
《化工设备机械基础》教案
序号
第3次课
周次
2
学时
2
授课时间
2011年9月15日
章节名称
1.物体的受力分析和静力平衡方程
1.8平面力系的平衡方程1.9空间力系
教学目的
与要求
1、使学生掌握平面力系的平衡方程。
2、复习上节学到的力学基本概念，求解平衡系统的约束反力。
重点与难点
重点：
平面力系的平衡方程。
难点：
利用平面力系的平衡方程求解约束反力。
授课方法
与手段
多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。
基本教学内容：
1.8平面力系的平衡方程
物体在平面力系作用下处于平衡的充分必要条件：
若主矢量FR′=0，主矩MO=0，则为平衡力系
例1-5例1-6例1-7例1-8例1-9
求解物体平衡问题的解题方法和步骤：
确定研究对象，取分离体，画受力图。
注意刚体之间作用力与反作用力之间的关系。
选取合适的坐标轴，列静力平衡方程。
为例便于计算，坐标轴的方位应尽量与较多的力平行或垂直；矩心尽量选在未知力作用线的交点上。
解平衡方程，求解未知力。
1.9空间力系
若作用在物体的力系中各力的作用线不在同一平面内，则称该力系为空间力系。
一、力在直角坐标轴上的投影
一次投影法二次投影法
合力投影定理同样适用于空间力系。
二、力对轴的矩——合力矩定理同样适用于空间力系。
三、空间力系的平衡方程
公式（1-22）
作业布置：
课后自我总结分析：
《化工设备机械基础》教案
序号
第4次课
周次
3
学时
2
授课时间
2011年9月19日
章节名称
2.拉伸、压缩与剪切
2.1轴向拉伸与压缩的概念和实例2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力
2.3轴向拉伸或压缩时横截面上的应力2.4轴向拉伸与压缩时的变形
2.5材料在拉伸和压缩时的力学性能2.6拉伸和压缩的强度计算
教学目的
与要求
1、使学生掌握直杆轴向拉伸及压缩的内力和应力的求解。
2、使学生掌握直杆轴向拉伸和压缩时的变形的求解。
重点与难点
重点：
直杆轴向拉伸及压缩应力的求解。
难点：
直杆轴向拉伸及压缩应力的求解。
授课方法
与手段
多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。
基本教学内容：
概述
一、材料力学的基本假设
连续性假设
均匀性假设
各向同性假设
小变形假设
二、杆件的基本受力与变形形式
轴向拉伸与压缩
剪切
扭转
弯曲
2.1轴向拉伸与压缩的概念和实例
一、内力的概念
在材料力学中，凡作用在杆件上的载荷和约束反力均称为外力。
杆件受外力而变形时，杆件内部各部分之间的相互作用力称为内力。
二、截面法轴力
取构件的一部分为研究对象，利用静力学平衡方程求内力的方法，称为截面法。
截面法求内力可按以下三个步骤进行：
1）截沿欲求内力的截面，用假想平面把杆件分成两部分。
2）代取其中一部分为研究对象，画出其受力图。
在截面上用内力代替移去部分对留下部分的作用。
3）求列出研究对象的静力平衡方程，确定未知的内力。
2.2轴向拉伸或压缩时横截面上的内力
轴向拉伸、轴向压缩
拉力，符号为正；压力，符号为负。
2.3轴向拉伸或压缩时横截面上的应力
一、应力的概念
应力：
单位面积上的内力。
二、轴向拉伸和压缩时横截面上的正应力
横截面上的正应力σ可以直接表示为
2.4轴向拉伸与压缩时的变形
一、纵向变形
单位长度的伸长量来表征杆件变形的程度，称为线应变或相对变形。
二、胡克定律
胡克定律：
当应力不超过比例极限时，则正应力与纵向线应变成正比。
三、横向变形
在轴向力作用下，杆件沿轴向的伸长（缩短）的同时，横向尺寸也将缩小（增大）。
四、泊松比
实验表明，对于同一种材料，当应力不超过比例极限时，横向线应变与纵向线应变之比的绝对值为常数。
比值ν称为泊松比。
2.5材料在拉伸和压缩时的力学性能
一、材料在拉伸时的力学性能
1、低碳钢在拉伸时的力学性能
（1）材料的刚度指标：
第Ⅰ阶段弹性阶段
（2）材料的强度指标：
第Ⅱ阶段屈服阶段、第Ⅲ阶段强化阶段、第Ⅳ阶段局部变形阶段
（3）材料的塑性指标
（4）冷作硬化现象
2、其它材料在拉伸时的力学性能
二、材料在压缩时的力学性能
2.6拉伸和压缩的强度计算
一、极限应力、许用应力和安全因数
二、拉伸和压缩时的强度条件计算
例题2-3、2-4、2-5
作业布置：
课后自我总结分析：
《化工设备机械基础》教案
序号
第5次课
周次
3
学时
2
授课时间
2011年9月22日
章节名称
2.拉伸、压缩与剪切
2.7应力集中的概念2.8剪切与挤压的实用计算
教学目的
与要求
1、使学生了解应力集中的概念。
2、使学生掌握剪切与挤压的实用计算。
重点与难点
重点：
1应力集中的概念。
2剪切与挤压的实用计算。
难点：
剪切与挤压的实用计算。
授课方法
与手段
多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。
基本教学内容：
2.7应力集中的概念
应力集中：
等截面直杆应力均匀分布，但当截面有突变时，如有切口、圆孔、螺纹等，应力不再均匀分布，如图开有圆孔的薄板，应力急剧变化，这种因构件截面尺寸突然变化而引起的局部应力急剧增大的现象称为应力集中。
2.8剪切与挤压的实用计算
一、剪切的实用计算
剪力：
用截面法沿剪切面截开，可能与截面相切的内力Q，称为剪力，可用平衡方程求解。
剪应力：
对剪切构件用单位面积上平行于截面的内利来衡量内力的集度，单位MPa。
用公式求得的为名义剪应力（实际剪应力在截面上分布不均匀）或平均剪应力。
剪切强度计算
二、挤压的实用计算
剪切构件除受到剪切外还受到挤压作用，作用在作用面上的压力称挤压力，用p表示，即压力的作用面称挤压面。
材料的许用挤压应力。
挤压面为平面时，挤压面积Ap等于挤压面；当挤压面为圆柱时，挤压面积Ap为圆柱投影面积。
例2-6例2-7
作业布置：
课后自我总结分析：
《化工设备机械基础》教案
序号
第6次课
周次
4
学时
2
授课时间
2011年9月26日
章节名称
3.扭转
3.1扭转的概念和实例3.2扭转时外力和内力的计算3.3纯剪切
3.4圆轴扭转时的应力
教学目的
与要求
1、使学生掌握扭转的概念和实例。
2、使学生掌握扭转时外力和内力的计算。
重点与难点
重点：
1掌握扭转的概念和实例。
2掌握扭转时外力和内力的计算。
难点：
扭转时外力和内力的计算
授课方法
与手段
多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。
基本教学内容：
3.1扭转的概念和实例
扭转是杆件的又一种基本变形形式。
扭转的受力特点：
外力为一组外力偶，且力偶的作用面垂直于杆件的轴线。
扭转的变形特点：
杆件的任意两个横截面绕轴线相对转过一个角度，此角称相对扭转角φAB，表示截面B对截面A的相对扭转角。
3.2扭转时外力和内力的计算
一、外力偶矩的计算
作用于轴上的外力偶矩，通常不是直接给出其数值，而是给出轴的转速n（r/min）和轴所传递的功率P（kW），这时需要按照理论力学中推导的功率、转速、力矩三者的关系式来计算外力偶矩的数值，即
（1）
二、扭转和扭矩图
用截面法计算轴内力-扭矩T，步骤：
截，取，平衡方程求T，画扭矩图。
T的符号规定：
右手螺旋法则。
例：
3-1
3.3纯剪切
一、薄壁圆筒扭转时的剪应力
二、剪应力互等定理
τ‘=τ相互垂直的两个截面上剪应力成对出现，且数值相等；两者都垂直于两平面的交线且方向相背或相知。
剪应力符号判断
三、剪应变、剪切胡克定律
τ=Gγ，G为剪切弹性模量，MPa，γ，剪应变，无量纲。
3.4圆轴扭转时的应力
一、变形几何关系
圆轴扭转的平面假设：
原为平面的横截面变形后仍保持为平面，只是各横截面相对地转过了一个角度。
这就是圆轴扭转的平面假设。
二、应力应变关系
横截面上任意一点A的剪应力τ与扭矩T及距离OA（=ρ）成正比。
三、静力学关系
极惯性矩：
可推导出圆轴扭转横截面上任一点的剪应力τp计算公式：
抗扭截面模量：
当ρ=D/2时,
，Wt=Ip/（D/2）Wt为抗扭截面模量。
（1）空心圆截面极惯性矩
式中α=d/D为横截面内外径之比。
扭转截面系数
（2）实心圆截面
将d=0及α=d/D=0代入上两式，即可得实心圆截面对形心的极惯性矩和扭转截面系数分别为：
作业布置：
课后自我总结分析：
《化工设备机械基础》教案
序号
第7次课
周次
4
学时
2
授课时间
2011年9月29日
章节名称
3.扭转
3.5圆轴扭转时的强度条件3.6圆轴扭转时的变形和刚度条件
教学目的
与要求
1、使学生掌握圆轴扭转时的强度条件、变形和刚度条件。
重点与难点
重点：
1掌握圆轴扭转时的强度条件、变形和刚度条件。
难点：
圆轴扭转时的强度条件、变形和刚度条件。
授课方法
与手段
多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。
基本教学内容：
3.5圆轴扭转时的强度条件
前面已经得到,圆轴扭转时横截面上的最大剪应力在截面的周边上.
圆轴扭转时的强度条件为：
塑性材料：
[τ]=（0.5~0.6）[σ]
脆性材料：
[τ]=（0.8~1.0）[σ]
强度条件公式工程上可用来进行强度校核、截面设计、确定许用载荷。
例：
3-2，3-3
3.6圆轴扭转时的变形和刚度条件
一、圆轴扭转时的变形
圆轴扭转变形的标志是两个横截面间的相对扭转角。
相对扭转角
T扭矩l-截面间距GIp抗扭刚度
二、圆轴扭转时的刚度条件
[θ]：
单位长度许用扭转角（度/米、弧度/米）
例：
3-4
作业布置：
课后自我总结分析：
《化工设备机械基础》教案
序号
第8次课
周次
6
学时
2
授课时间
2011年10月10日
章节名称
4.弯曲
4.1弯曲的概念和实例4.2剪力和弯矩4.3剪力图和弯矩图
教学目的
与要求
1、使学生掌握弯曲的概念和实例。
2、使学生掌握剪力和弯矩的求解。
3、使学生掌握作剪力图和弯矩图。
重点与难点
重点：
1弯曲的概念和实例。
2剪力和弯矩的求解3剪力图和弯矩图。
难点：
剪力和弯矩的求解。
授课方法
与手段
多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。
基本教学内容：
4.1弯曲的概念和实例
弯曲是工程实际中最常见的一种基本变形形式。
平面弯曲。
P49图4-5，所有外力均垂直于梁的轴线并作用于纵向对称面，变性后梁的轴线在纵向对称面内弯曲成一条平面曲线，这种弯曲变形成为平面弯曲，梁可用轴线代替，梁的横截面形状如图4-4等。
4.2剪力和弯矩
用截面法求静定梁的内力---剪力和弯矩步骤：
（1）用静力学方程求支座反力
；
（2）用截面法求内力
；
例4-1简支梁受集中力作用
4.3剪力图和弯矩图
Q=Q（x）---剪力方程，剪力沿梁变化的曲线为剪力图
M=M（x）--弯矩方程，弯矩沿梁变化的曲线为弯矩图
剪力图和弯矩图的规律：
5个
例4-2例4-3例4-4例4-5例4-6
作业布置：
课后自我总结分析：
《化工设备机械基础》教案
序号
第9次课
周次
6
学时
2
授课时间
2011年10月13日
章节名称
4.弯曲
4.4纯弯曲时梁横截面上的正应力4.5惯性矩的计算
教学目的
与要求
1、使学生掌握纯弯曲时梁横截面上的正应力概念。
2、使学生掌握惯性矩的计算。
重点与难点
重点：
1纯弯曲时梁横截面上的正应力。
2惯性矩的计算。
难点：
惯性矩的计算。
授课方法
与手段
多媒体课堂讲授、课堂讨论、课后作业。
基本教学内容：
4.4纯弯曲时梁横截面上的正应力
梁上一般有内力Q与M，即存在σ与τ，但一般τ为次要因素，主要为σ，故考虑纯弯曲。
当梁的横截面上仅有弯矩而无剪力，从而仅有正应力而无切应力的情况，称为纯弯曲。
一、平面假设和变形几何关系
梁弯曲时，横截面上任一点处的正应力与该截面上的弯矩成正比，与惯性矩成反比，并沿截面高度呈线性分布。
y值相同的点，正应力相等；中性轴上各点的正应力为零。
在中性轴的上、下两侧，一侧受拉，一侧受压。
距中性轴越远，正应力越大。
二、物理关系和应力分布
胡克定律
三、静力学关系
当y=ymax时，弯曲正应力最大，其值为
式中，
称为截面对于中性轴的弯曲截面系数，是一个与截面形状和尺寸有
升级会员 