【文档说明】第一章-制药机械力学基础概要课件.ppt，共(101)页，1.429 MB，由小橙橙上传

转载请保留链接：https://www.ichengzhen.cn/view-234530.html

以下为本文档部分文字说明：

制药机械学19:46制药机械学主要内容第一章制药设备力学基础第二章制药设备工程材料第三章制药设备常用机构第四章制药设备机械传动第五章制药设备联接与支承第六章压力容器第七章制药工艺管路19:46第一章制药机械力学基础构件

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。构件的受力分析力学基础19:46强度刚度稳定性由一个或几个零件构成的运动单元。是指构件在外力作用下保持其原有平衡状态的能力。基本概念构件是指构件抵抗外力破坏的能力。是指构件抵抗变形的能力。19:46本章主要内容第一节物体的

受力分析第三节剪切第四节扭转第二节轴向拉伸与压缩第五节弯曲19:46一力的概念与基本性质二构件的受力分析三平面汇交力系四力矩和力偶五平面一般力系第一节物体的受力分析19:46一力的概念与基本性质19:461力的概念

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生变形。❖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。19:46❖力的三要素：力的大小、方向和作用点。❖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)。19:462力的基本性质❖公理一：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+F2F=√F1²+F2²-2F1F2cosαtanα=F2sinα/(F1+F2cosα)19:46❖公理二：二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)。19:46二力体：只受两力作用而处于平衡的刚体。二力杆：二力体为杆件。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。19:46❖公理三：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：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。19:46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。19:46二构件的受力分析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19:462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。19:463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。19:46（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。19:46（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。19:46例1-1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，19:46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）斜杆CD的受力图2）水平梁AB的受力图19:46三

平面汇交力系凡各力的作用线均在同一平面内的力系，称为平面力系。各力的作用线全部汇交于一点的平面力系，称为平面汇交力系。1平面汇交力系合成的几何法和平衡条件ininFFFFF121...........==++=物体在平面汇交力系作用下平衡的必要和充分条件是力系的合力等于零。01==Fni19:

462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=±FcosαFy=±Fsinα(2)合力投影定理FX=F1X+F2X+.……+FNX=∑FiXFY=FY1+FY2+……FNY=∑FiY19:46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+∑(FiY)2此可得平面汇交力系平衡的解析条件为∑FiX=0∑FiY=0FX=±FcosαFy=±FsinαFX=F1X+F2X+.……+FNX=∑FiXFY=FY1+FY2+…

…FNY=∑FiY(3)平面汇交力系合成的解析法和平衡条件19:46例1—3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α=45º，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）19:46例1-4如图所示，储罐架在砖座上，罐的半径r=0．6m，重G=100kN，两砖座间距离L=0．6m。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end119:46四力矩和力偶19:461力矩Mo(F)=±Fd通常规定：使物体产生逆时针旋转的力矩为正值；反之为负值。单位:牛顿·米(N·m)或千牛顿·米(kN·m)。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1

9:46合力矩定理:在平面力系中，由分力F1、F2、…、Fn组成的合力F对某点O的力矩等于各分力对同一点力矩的代数和。称为合力矩定理。M。(F)=M。(F1)+M。(F2)十…十M。(Fn)=∑M。(F)19:462力偶(1)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，Fˊ)=±Fd19:46通常规定：使物体产生逆时针旋转的力偶矩为正值；反之为负值。单位:牛顿·米

(N·m)或千牛顿·米(kN·m)。力偶三要素:力偶矩的大小、转向和力偶作用面的方位。19:46(2)力偶的性质❖力偶无合力❖力偶的转动效应与矩心的位置无关❖力偶的等效性19:46（3）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:M=Σm=019:46例1—5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Ⅱ上作用有阻力偶矩T2=2000N·m，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)=019:46五平面一般力系1力的平移2平面一般力系的简化3平

面一般力系的平衡19:46力的平移定理: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力的平移MB=Fd19:46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。2．平面一般力系的简化19:463平面一般力系的平衡❖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=0❖平衡方程∑FX=0∑FY=0∑MO=019:46例1-6悬臂吊车如图所示。横梁AB长L=2m，自重Gl=10kN

。拉杆BC倾斜角。α=30o，自重不计。电葫芦连同重物共重G2=100kN。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。①取横梁AB为研究对象，画其受力图。②建立直角坐标系Axy，列

平衡方程求解。===000ByxMFF02002121=−−=+−−=−HG/LGsinTLsinTGGRcosTRByBx19:46第二节轴向拉伸与压缩一基本概念二拉伸或压缩时的内力---

-轴力三轴向拉伸与压缩时的强度计算四轴向拉压时的变形五典型材料拉伸与压缩时的力学性能19:46一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。19:46二拉伸或压缩时的内力一轴力外力:是指其它构件对所研究构件的作用；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。19:460=XF011=−FT0=XF022=−FTb)c)截面法求轴力的步骤如下：(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。19:461)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。19:46三轴向拉伸与压缩时的强度计算1轴向拉、压时的应力2许用应力与强度条件19:461轴向拉、压时的应力AT=式中T——横截面上的轴力，NA——横截面面

积，mm2σ——横截面上的正应力当正应力σ的作用使构件拉伸时σ为正，压缩时σ为负。应力的单位是N／m2，称为帕(Pa)。因这个单位太小，还常用兆帕(MPa)。1Mpa=106Pa=106N／m2=1N／mm219:462许用应力与强度条件许用应力: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(压)杆的强度条件:=ATmax(1)强度校核(2)设计截面(3)计算许可载荷=ATmaxTAAT注：最大应力不允许超过许用应力的5%

。19:46例1-7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[σ]=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。)MPa()MPa(.AT)mm()()dd(A)

kN(FT120952834541010034541001204410032222221======−===−19:46四轴向拉压时的变形19:461变形分析ll/=式中ε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杆件横向缩短：横向应变：泊松比

μ：ddd−=1dd==19:462虎克定律EATll=•E：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。E=19:46五典型材料拉伸与压缩时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、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。19:462其他塑性材料拉伸时的力学性能1低碳钢拉伸时的力学性能3低碳钢压缩时的力学性能4灰铸铁拉伸压缩时的力学性能5许用

应力6应力集中典型材料拉伸与压缩时的力学性能19:46低碳钢拉伸时的力学性能(1)比例极限σp(2)弹性极限σe(3)屈服点σs塑性变形在工程上一般是不允许的，所以屈服点σs是材料的重要强度指标。(4)强度极限

σb19:46（5）伸长率和断面收缩率伸长率00001100−=lll断面收缩率%100010−=AAAΨ值的大小也反映材塑性好坏δ值的大小反映材料塑性的好坏。工程上一般把δ>5%的材料称为塑性材料，如低碳钢、铜、等：把

δ<5%的材料称为脆性材料。如铸铁等。19:462其他塑性材料拉伸时的力学性能19:463低碳钢压缩时的力学性能低碳钢压缩时不存在强度极限σb。19:464灰铸铁拉伸、压缩时的力学性能灰铸铁等脆性材料通常用作抗压件。19:465许用应力ssn=bbn=式中ns、nb分别为屈

服安全系数和断裂安全系数，一般构件常取ns=1.5～2；nb=2~5。对于塑性材料对于脆性材料19:466应力集中这种由于截面突然改变而引起的应力局部增高的现象，称为应力集中19:46第三节剪切一剪切的概念二剪力、剪应力与剪切强度条件三挤压的

概念和强度条件四、剪切变形和剪切虎克定律19:46一剪切的概念剪切有如下特点：•受力特点:在构件上作用大小相等、方向相反、相距很近的两个力P。•变形特点:在两力之间的截面上，构件上部对其下部将沿外力作用方向发生错动；在剪断前，两力作用线间的小矩形变成

平行四边形。19:46二剪力、剪应力与剪切强度条件剪力：内力Q平行于横截面，称为剪力19:46剪应力：τ—剪应力，MPa；A—受剪切的面积，mm2；Q—受剪面上的剪力，N。剪切强度条件塑性材料[τ]=(0．6～0．8)[σ

]；脆性材料[τ]=(0．8～1．0)[σ]19:46例1—8如图所示，某一起重吊钩起吊重物P=100000N，销钉的材料是16Mn，其[τ]=140Mpa。试求销钉的直径d是多少才能保证安全起吊。(1)对销钉进行受力分析(2)计算销钉直径dNPQPQF5000021000

00202====−=)mm(d)mm(..QdAQ2232211401435000044====19:46三挤压的概念和强度条件19:461挤压的概念从图1-44(a)中可以看出，螺栓在受剪切的同时，在螺栓与钢板的接触

面上还受到压力P的作用，这种局部接触面受压称为挤压。若挤压力过大，钢板孔边内挤压处可产生塑性变形，这是工程中所不允许的，故考虑构件受剪切的同时还必须考虑挤压。19:46挤压应力的计算公式:当接触面为曲面时，为简化计算，采用接触面在垂直于外力方向的投影面积作

为挤压面积。19:462挤压强度条件σjy—表示材料的许用挤压应力。塑性材料σjy=(1．7~2．0)[σ]；脆性材料σjy=(2．0～2．5)[σ]。提示！•若相互挤压的两物体是两种不同的材料，则只需对强度较弱的物体校核挤压强度即可。•对于受剪构件的强度计算，必须既满足剪切强度又满足挤

压强度条件，构件才能安全工作。19:46四剪切变形和剪切虎克定律❖剪切变形、剪应变构件受剪切时，两力之间的小矩形abcd变成平行四边形abc΄d΄。直角dab变成锐角d'ab，而直角所改变的角度γ称为剪应变，用以衡量剪切变形之大小。❖剪切虎克定律G——称为剪切弹性模量，MPa。它表示材料抵抗剪切

变形的能力，随材料不同而异。低碳钢G=8.0104Mpa19:46一扭转概念二外力偶矩的计算三扭矩的计算四圆轴扭转时的应力五圆轴扭转时的强度和刚度条件第四节扭转19:46一扭转概念在一对大小相等，转向相反，且作用平面垂直于杆件轴线的力偶作用下，杆件上的各个横截面发生相对

转动，这种变形称为扭转变形。19:46二外力偶矩的计算电动机给轴的外力偶矩:M=9.55*103Pe／nM--轴的外力偶矩，N·m；❖转速一定时力偶矩与功率成正比。因此在同一台设备中，高速轴上力矩小，轴可以细些，低速轴上力矩大，轴应该粗些。Pe-

-轴所传递的功率，kW；n--轴的转速，r／min。❖在功率一定的情况下，力偶矩与转速成反比。19:46三扭矩(内力偶矩)的计算19:46如果轴上受到外力偶作用时，轴上任意截面上的扭矩，在数值上等于截面一侧，所有外力偶矩的代数和。扭矩的正负

按右手螺旋法则确定，即右手四指弯向表示扭矩的转向，当拇指指向截面外侧时，扭矩为正，反之为负。外力偶矩的正负号规定与扭矩相反。=MMn19:46例1-9如图所示，传动轴的转速n=1000r／rain，轮A输入功率Pe=10kW，轮

B和轮C输出功率分别为PEB=8kW和PEC=2kW。轴承的摩擦忽略不计。求轴的扭炬。解:)(191100/21055.9/1055.9)(764100/81055.9/1055.9)(955100/101055.9/1055.9333333mNnPMmNnPMm

NnPMeCCeBBAeA=========)(191)(76421mNMMmNMMCnBn==−=−=19:46四圆轴扭转时的应力横截面上各点剪应力：ρ--该点到圆心的距离IP

--横截面对圆心的极惯性矩最大剪应力：R—轴半径PnIM=PnIRM=max令，Wn=IP/R，19:46Wn-----抗扭截面模量最大剪应力：nnWM=max表1—2IP、Wn计算公式表1—2IP、Wn计算公式19:46五圆

轴扭转时的强度和刚度条件圆轴扭转时的强度条件：Mnmax----轴内最大扭矩][maxmax=nnWM[τ]----是材料的许用剪应力。19:46例1-10图为带有搅拌器的容器简图，搅拌轴上有两层浆叶，已知电动机功

率PE=100kW，转速n=80r／min，机械效率为=80％，上下两层阻力不同，各消耗总功率的30％和70％。此轴采用φ114mm×6mm的不锈钢管制成，材料的扭转许用剪应力[τ]=80MPa，试校核搅拌轴的强度。解：搅拌轴可简化为如图所示的计算简图。()kWPP8080.0100===

（1）外力偶计算搅拌轴得到的功率：19:46搅拌轴的总力偶矩:上层阻力偶矩：下层阻力偶矩：)mN(.mA==95508080105593)(286580803.01055.93mNmB=

=)(698580807.01055.93mNmC==19:46用截面法求1-1，2-2截面上扭矩分别为最大扭矩在AB段上)(95502mNmmMBC=+=)(69851mNmMC==)(95502maxmNMM==19:46(2)强度校核查表1-2得抗扭截面模量为最大剪应力为（

搅拌轴满足强度条件）)mm(./)/(Wn3431046104161141021114=−=)(6042.9146.1049550maxmaxMPaMPaWMn====？若将此轴改为同材料的实心轴，请

确定实心轴的直径，并比较那一种轴更合理。例1-10end319:46第五节弯曲一弯曲变形的概念二直梁平面弯曲时的内力三梁的应力和强度条件四提高弯曲强度的主要措施19:46一弯曲变形的概念当杆件受到垂直于杆轴线的力或力偶作用而变形时，杆的轴线将由直线变成曲线，这种变形称为弯曲。工程上把以弯曲

变形为主的杆件统称为粱。如果粱的轴线是在纵向对称平面内产生弯曲变形，则称为平面弯曲。19:46(1)悬臂梁一端固定，另一端自由的梁称为悬臂粱常见的粱有以下三种:(2)简支梁一端为固定铰链支座，而另一端为活动铰链支座的粱称为简支梁(3)外伸粱简支梁的一端或两端伸出支座以外的梁称

为外伸梁19:46二直梁平面弯曲时的内力19:461-1截面的剪力Q1和弯矩M1：1剪力和弯矩19:462-2截面的剪力Q2和弯矩M2：19:46粱弯曲时，截面上剪力、弯矩的计算法则：剪力与弯矩的符号作如下

规定：剪力：“左上右下为正”弯矩：“下弯为正”=FQ)(0FMM=19:462剪力图和弯矩图剪力方程和弯矩方程剪力图和弯矩图Q=Q(x)M=M(x)19:46例1-12试作出梁的剪力图和弯矩图。(1)求支座反力:(2)列

剪力方程和弯矩方程:AC段:CD段：(3)画剪力图和弯矩图:blFaM=max19:46？若将图中梁所受的集中力F改为均布载荷q(N/m),请分析如何画出其剪力图和弯矩图。19:46三梁的应力和强度条件弯曲变形的横截面平面假设:1

9:461弯曲正应力的计算横截面上任一点的正应力：zIMy=σ--横截面上距中性轴为的各点的正应力M--横截面上的弯矩y--计算应力的点到中性轴的距离Iz--横截面对中性轴的惯性矩，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，常用单位有m4、c

m4和mm4。（l/h>5)19:46❖横截面上任意点的正应力与该点到中性轴的距离成正比。maxmax/yIMyIMzz==zWyI=max/令，粱弯曲变形时:❖中性轴上各点，正应力为零。❖离中性轴最远的点，正应力最大。❖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。zIMy=19:46zWM=max最大正应力：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/h>5)M---截面上的弯矩，Nmm；19:462弯曲正应力强度条件=zWMmaxmax弯曲正应力强度条件

[σ]---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19:46例1-13如图所示，塔高H=20m，作用于塔上的风载荷分两段计算：q1=1000N／m，q2=2000N／m；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

[σ]=100MPa。试校核塔体的弯曲强度。解：(1)求最大弯矩值).(87500)255(520002551000)2(22122111maxmNHHHqHHqM=++=++=19:46(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。).(1071.44/1014/3322mNdWZ−−=======−)(6.18)(106.181071.4105.87633ma

xmaxMPaPaWMZ19:46四提高弯曲强度的主要措施=zWMmaxmax❖降低最大弯矩值❖选择合理的截面形状工字钢或槽钢优于环形，环形优于矩形，矩形优于圆形