第一章-制药机械力学基础概要课件.ppt

1、19:46制制 药药 机机 械械 学学19:4619:46制药机械学主要内容制药机械学主要内容第一章第一章 制药设备力学基础制药设备力学基础 第二章第二章 制药设备工程材料制药设备工程材料 第三章第三章 制药设备常用机构制药设备常用机构 第四章第四章 制药设备机械传动制药设备机械传动 第五章第五章 制药设备联接与支承制药设备联接与支承第六章第六章 压力容器压力容器 第七章第七章 制药工艺管路制药工艺管路19:4619:46第一章第一章 制药机械力学基础制药机械力学基础构件承载能力分构件承载能力分构件的承载能力是指构件在外力作用下的强度、刚度和稳定性。构件的受力分析构件的受力分析19:4619:

2、46强度强度刚度刚度稳定性稳定性由一个或几由一个或几个零件构成个零件构成的运动单元。的运动单元。是指构件在是指构件在外力作用下外力作用下保持其原有保持其原有平衡状态的平衡状态的能力。能力。基本概念基本概念构件构件是指构件抵是指构件抵抗外力破坏抗外力破坏的能力。的能力。是指构件抵是指构件抵抗变形的能抗变形的能力。力。19:4619:46本章主要内容本章主要内容19:4619:46一一 力的概念与基本性质力的概念与基本性质三三 平面汇交力系平面汇交力系四四 力矩和力偶力矩和力偶五五 平面一般力系平面一般力系19:4619:46一一 力的概念与基本性质力的概念与基本性质19:4619:46 力是物体

3、间相互的机械作用，这种作力是物体间相互的机械作用，这种作用使物体的运动状态发生改变或使物体产用使物体的运动状态发生改变或使物体产生变形。生变形。v外效应和内效应外效应和内效应 使物体运动状态发生改变的效应称为力的外效应。使物体产生变形的效应称为力的内效应。19:4619:46v力的三要素力的三要素：力的大小、方向和作用点。v力的形式：力的形式：(1)集中力：单位：“牛顿”(N)或“千牛顿”(kN)。(2)分布载荷：单位长度上所受的力称为载荷集度，用q表示，其单位为“牛顿米”(N/m)或“千牛顿米”(kN/m)。19:4619:462 2 力的基本性质力的基本性质v公理一公理一：力的平行四边形公

4、理（三角形法则：力的平行四边形公理（三角形法则）作用于物体上同一点的两个力，其合力也作用在该点上，合力的大小和方向由以这两个力为邻边所作的平行四边形的对角线确定。(力系合成依据及、合力的正交分解 依据）F =F1+F2 F=F1+F2-2F1F2cos tan=F2sin/(F1+F2cos)19:4619:46v公理二：公理二：二力平衡公理二力平衡公理 受两力作用的刚体处于平衡状态的必要和充分条件是两力的大小相等、方向相反、作用线相同(以下简称等值、反向、共线)。19:4619:46二力体：只受两力作用而处于平衡的刚体。二力体：只受两力作用而处于平衡的刚体。二力杆：二力体为杆件。二力杆：二力

5、体为杆件。根据平衡条件可以确定二力杆所受两力根据平衡条件可以确定二力杆所受两力的方向一定是两力作用点的连线方向。的方向一定是两力作用点的连线方向。19:4619:46v公理三公理三：加减平衡力系公理：加减平衡力系公理 平衡力系中的各力对刚体的作用效应彼此抵消，所以在受力或力系作用的刚体上减去一个平衡力系，并不改变原力或原力系对刚体的作用效应。推论：力的可传性定理：推论：力的可传性定理：作用在刚体上的力可沿其作用线任意移动作用点，而不改变此力对刚体的作用效应。19:4619:46公理四公理四：力的作用与反作用公理两物体间相互作用的力总是等值、反向、共线，并分别作用在这两个物体上。19:4619:

6、46常见的几种约束及其约束力方向的确定方法：1 柔性约束：作用线与柔索重合19:4619:462 光滑面约束：光滑面约束反力的方向是通过接触点并沿着公法线，指向被约束的物体。1 9:4 619:4619:463 铰链约束（1）固定铰链：作用线通过铰链中心，但其方向待定，可先任意假设。19:4619:46（2）中间铰链：作用线通过铰链中心，但其方向待定，可先任意假设。19:4619:46（3）活动座铰链：垂直于光滑面方向通过铰链中心，指向被约束的物体。19:4619:46例例1-11-1下图所示为一管道支架，支架的两根杆AB和CD在Z点相铰接，J、K两点用水平绳索相连，已知管道的重力为G。不计摩

7、擦和支架、绳索的自重，试作出管道、杆AB、杆CD以及整个管道支架的受力图。1)取管道为研究对象 2)取杆CD为研究对象3)杆AB的受力分析4)取整个管道支架(物系)为研究对象，19:4619:46例例1-2 如下图所示，水平梁AB用斜杆CD支撑，A、D、C三处均为圆柱铰链联接。水平梁的重力为G，其上放置一个重为Q的电动机。如斜杆CD所受的重力不计，试画出斜杆CD和水平梁AB的受力图。1 9:4 61）斜杆CD的受力图2）水平梁AB的受力图 19:4619:46三三 平面汇交力系平面汇交力系1 9:4 61 平面汇交力系合成的几何法和平衡条件平面汇交力系合成的几何法和平衡条件ininFFFFF1

8、21.01Fni 物体在平面汇交力系作用下平衡的物体在平面汇交力系作用下平衡的必要和充必要和充分条件分条件是力系的合力等于零。是力系的合力等于零。19:4619:462 平面汇交力系合成的解析法和平衡条件平面汇交力系合成的解析法和平衡条件(1)力在坐标轴上的投影 FX=FcosFy=Fsin (2)合力投影定理F FX X=F=F1X1X+F+F2X2X+.+F+.+FNXNX=FiX FY=FY1+FY2+FNY=FiY 19:4619:46步骤步骤:1)求分力在两坐标轴上投影；2)求出合力F在两坐标轴上的投影FX和FY；3)由下式求出合力的大小 F=FX2 +FY2 =(FiX)2 +(F

9、iY)2此可得平面汇交力系平衡的解析条件为 FiX=0 FiY=0 FX=FcosFy=Fsin F FX X=F=F1X1X+F+F2X2X+.+F+.+FNXNX=FiX FY=FY1+FY2+FNY=FiY(3)平面汇交力系合成的解析法和平衡条件19:4619:46例13 下图所示为一利用定滑轮匀速提升工字钢梁的装置。若已知梁的重力G=150kN，几何角度=45，不计摩擦和吊索、吊环的自重，试求吊索1和2所受的拉力。1)取梁为研究对象。解析法2)受力分析3)作出梁的受力图4）列平衡方程5）解方程组(略）19:4619:46例例1-41-4 如图所示，储罐架在砖座上，罐的半径 r=06m，

10、重G=100kN，两砖座间距离L=06m。不计摩擦，试求砖座对储罐的约束反力。1）取储罐为研究对象 2）选取坐标oxy如图示，列平衡方程求解 end119:4619:46四四 力矩和力偶力矩和力偶19:4619:461 1 力矩力矩 Mo(F)=Fd通常通常 规定规定：使物体产生逆时针旋转的力矩为正 值；反之为负值。单单 位位:牛顿米(Nm)或千牛顿米(kNm)。力矩三要素：力矩三要素：力矩决定于力F的大小和方向，而 且还与该力作用线有关 19:4619:46合力矩定理合力矩定理:在平面力系中，由分力F F1 1、F F2 2、F Fn n组成的合力F F对某点O的力矩等于各分力对同一点力矩的

11、代数和。称为合力矩定理。M。(F)=M。(F1)+M。(F2)十十十十M。(Fn)=M。(F)19:4619:462 2 力偶力偶(1)(1)力偶的概念力偶的概念 力学上把一对大小相等、方向相反，作用线平行且不重合的力组成的力系称为力偶。力偶中两个力所在的平面称为力偶的作用面，两力作用线之间的垂直距离d称为力偶臂。M =M(F，F)=Fd 19:4619:46通常通常 规定：规定：使物体产生逆时针旋转的力偶矩为 正值；反之为负值。单单 位位:牛顿米(Nm)或千牛顿米(kNm)。力偶三要素力偶三要素:力偶矩的大小、转向和力偶作用面 的方位。19:4619:46(2)(2)力偶的性质力偶的性质v力

12、偶无合力v力偶的转动效应与矩心的位置无关v力偶的等效性 ssn19:4619:46 （3 3）平面力偶系的合成与平衡）平面力偶系的合成与平衡 平面力偶系合成的结果为一合力偶，其合力偶矩等于各分力偶的代数和。即 M=m1+m2+mn=m 平衡方程平衡方程:M=m=0 19:4619:46例例1515 如图所示的一级圆柱齿轮减速器中，已知在输入轴I上作用有力偶矩了T1=-500Nm，在输出轴上作用有阻力偶矩T2=2000Nm，地脚螺钉A和B相距l=800mm，不计摩擦和减速器自重，求A、B处的法向约束力。解 1)取减速器为研究对象。2)受力分析和受力图。3)列平衡方程并求解。T1+T2+(-FAl

13、)=019:4619:46五五 平面一般力系平面一般力系1 1 力的平移力的平移2 2 平面一般力系的简化平面一般力系的简化 3 平面一般力系的平衡平面一般力系的平衡19:4619:46力的力的平移定理平移定理:作用在物体上某点的力，可平行移动到该物体上的任意一点，但平移后必须附加一个力偶，其力偶矩等于原力对新作用点之矩。1 1 力的平移力的平移MB=Fd 19:4619:46 平面一般力系与一个平面汇交力系和平面一般力系与一个平面汇交力系和一个平面附加力偶系等效。一个平面附加力偶系等效。2 2平面一般力系的简化平面一般力系的简化19:4619:4619:46 3 3 平面一般力系的平衡平面一

14、般力系的平衡v平衡条件平衡条件 平面汇交力系合成的合力为零 F=0 平面力偶系合成的合力偶矩为零 M=0v平衡方程平衡方程FX=0FY=0 MO=019:4619:46 例例1-61-6 悬臂吊车如图所示。横梁AB长L=2m，自重 Gl=10kN。拉杆BC倾斜角。=30o，自重不计。电葫芦连同重物共重G2=100 kN。当电葫芦在图示位置H=1.5m匀速吊起重物时，求拉杆AC的拉力和支座B的约束反力。取横梁AB为研究对象，画其受力图。建立直角坐标系Axy，列平衡方程求解。000ByxMFF02002121HG/LGsinTLsinTGGRcosTRByBx022FT19:4619:46第二节第

15、二节 轴向拉伸与压缩轴向拉伸与压缩一一 基本概念基本概念二二 拉伸或压缩时的内力拉伸或压缩时的内力-轴力轴力三三 轴向拉伸与压缩时的强度计算轴向拉伸与压缩时的强度计算四四 轴向拉压时的变形轴向拉压时的变形五五 典型材料拉伸与压缩时的力学性能典型材料拉伸与压缩时的力学性能19:4619:46一一 基本概念基本概念 作用在直杆两端的外力大小相等、方向相反，且外力的作用线与杆的轴线重合。其变形特点是：沿着杆的轴线方向伸长或缩短。这种变形称为轴向拉伸或轴向压缩。这类杆件称拉杆和压杆。19:4619:46二二 拉伸或压缩时的内力一轴力拉伸或压缩时的内力一轴力外力外力:是指其它构件对所研究构件的作用；内力

16、内力:是指由外力作用引起的构件内部相连两部分之间的相互作用力。19:4619:460XF011FT011FT19:46b)c)截面法求轴力的截面法求轴力的步骤如下：步骤如下：(1)截开 在需求内力的截面处假想用截面将杆件截开。(2)替代 保留一部分作为研究对象，移去另一部分；井以内力代替移去部分对保留部分的作用。(3)平衡 对留下的部分建立平衡方程，并解方程，求出截面上的内力。19:4619:46 1)在画受力图时，可假设轴力为拉力，若求得轴力为正时，表示与假设的方向相同，轴力为拉力；如果求得的轴力为负时，表示与假设的方向相反。也就同时表明轴力为压力。2)求拉(压)杆横截面上的内力时，可以取左

17、段平衡，也可以取右段平衡，求得内力的结果是一样的。一般应选取受力较少的轴段为研究对象，以便于解题。3)在列平衡方程时，各力的正负号仍以力的方向与x轴的正向一致时为正，反向时为负。19:4619:46三三 轴向拉伸与压缩时的强度计轴向拉伸与压缩时的强度计算算2 2 许用应力与强度条件许用应力与强度条件19:4619:461 1 轴向拉、压时的应力轴向拉、压时的应力ATmaxTA 式中 T横截面上的轴力，N A横截面面积，mm2 横截面上的正应力当正应力的作用使构件拉伸时为正，压缩时为负。应力的单位是Nm2，称为帕(Pa)。因这个单位太小，还 常用兆帕(MPa)。1 Mpa=106Pa=1 06N

18、m2=1 Nmm219:4619:46许用应力许用应力:工程中对各种材料，规定了保证杆件具有足够的强度所允许承担的最大应力值。拉拉(压压)杆的强度条件杆的强度条件:(1)强度校核(2)设计截面 (3)计算许可载荷 AT注：最大应力不允许超过许用应力的5%。19:4619:46例例1-71-7 如图所示，储罐每个支脚承受的压力F=100kN，它是用外径为120mm，内径为100mm的钢管制成的。已知钢管许用应力=120MPa，试校核支脚的强度。解 支脚的轴力为压力 所以支脚的强度足够。ll/)MPa()MPa(.AT)mm()()dd(A)kN(FT12095283454101003454100

19、120441003222222119:4619:46四四 轴向拉压时的变形轴向拉压时的变形19:4619:461 1 变形分析变形分析式中称为相对变形，也称为应变。它是一个无因次量，工程中也用百分数表示 ddd1杆件横向缩短：横向应变：泊松比：ddEATll19:4619:462 2 虎克定律虎克定律 EE：仅与材料的性能有关称 为材料的拉压弹性模量。单位：Pa或MPa。这个关系称为拉压虎克定律。1 9:4 619:4619:46五五 典型材料拉伸与压缩时的力典型材料拉伸与压缩时的力学性能学性能材料的力学性能材料的力学性能 是指材料从开始受力到破坏为止的整个过程中所表现出来的各种性能，如弹性、

20、塑性、强度、韧性、硬度等。这些性能指标是进行强度、刚度设计和选择材料的重要依据。19:4619:462 2 其他塑性材料拉其他塑性材料拉伸时的力学性能伸时的力学性能1 1 低碳钢拉伸低碳钢拉伸时的力学性能时的力学性能 3 3 低碳钢压缩低碳钢压缩时的力学性能时的力学性能4 4灰铸铁拉伸压灰铸铁拉伸压5 5缩时的力学性能缩时的力学性能5 5 许用应力许用应力 6 6 应力集中应力集中典型材料拉伸与压缩时的力学性能典型材料拉伸与压缩时的力学性能19:4619:4600001100lll低碳钢拉伸时的力学性能低碳钢拉伸时的力学性能(1)比例极限p(2)弹性极限e(3)屈服点s 塑性变形在工程上一般是

21、不允许的，所以屈服点s是材料的重要强度指标。(4)强度极限b19:4619:46（5）伸长率和断面收缩率伸长率%100010AAA断面收缩率 19:46值的大小也反映材塑性好坏值的大小反映材料塑性的好坏。工程上一般把 5%的材料称为塑性材料，如低碳钢、铜、等：把 5)maxmax/yIMyIMzz19:4619:46maxmax/yIMyIMzzv横截面上任意点的正应力与该点到中性轴的距离成正比。zWyImax/zWMmax令，粱弯曲变形时粱弯曲变形时:v中性轴上各点，正应力为零。v离中性轴最远的点，正应力最大。v弯曲正应力沿截面宽度方向(距中性轴等距的各点)正应力相同。19:4619:46最

22、大正应力：WZ-横截面对中性轴的抗弯截面模量，是一个仅与截面形状和尺寸有关的几何量，反映了截面的抗弯能力，单位为m3或mm3（l/h5)zWMmaxmaxM -截面上的弯矩，Nmm；19:4619:46-弯曲许用应力，通常其值等于或略高于同一材料的许用拉(压)应力 19:4619:46例例 1-13 如图所示，塔高H=20 m，作用于塔上的风载荷分两段计算：q1=1000Nm，q2=2000Nm；塔内径为1000mm，壁厚6mm，塔与基础的联接方式可看成固定端。塔体的许用应力=100 MPa。试校核塔体的弯曲强度。).(87500)255(520002551000)2(22122111maxmNHHHqHHqM 解：(1)求最大弯矩值).(1071.4 4/1014/3322mNdWZ 19:4619:46(2)校核塔的弯曲强度 由表1-3查得，塔体抗弯截面模量为塔体因风载荷引起的最大弯曲应力为 强度足够。)(6.18)(106.181071.4105.87633maxmaxMPaPaWMZ19:4619:46四四 提高弯曲强度的主要措施提高弯曲强度的主要措施v 降低最大弯矩值v选择合理的截面形状 NoImage工字钢或槽钢优于环形，环形优于矩形，矩形优于圆形