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第1篇 工程力学基础 3

第1章 构件的受力分析 3

1.1 力的概念及性质 3

1.1.1 力的概念 3

1.1.2 力的基本性质 4

1.2 约束与约束反力 6

1.2.1 柔软体约束 6

1.2.2 光滑面约束 6

1.2.3 光滑铰链约束 7

1.2.4 固定端约束 8

1.3 受力图 8

1.4 平面汇交力系的合成与平衡条件 9

1.4.1 平面汇交力系的几何法与平衡条件 10

1.4.2 平面汇交力系合成的解析法与平衡条件 10

1.5 平面力偶系的合成与平衡条件 12

1.5.1 力矩 12

1.5.2 力偶与力偶矩 13

1.5.3 平面力偶系的合成与平衡条件 14

1.6 平面一般力系的合成与平衡条件 15

1.6.1 力的平移定理 15

1.6.2 平面一般力系的简化 15

1.6.3 平面一般力系的平衡条件 17

1.7 空间力系 18

1.7.1 力在直角坐标轴上的投影 18

1.7.2 力对轴的矩 19

1.7.3 空间力系的平衡方程 19

习题 20

第2章 直杆的拉伸和压缩 22

2.1 杆件变形的基本形式 22

2.2 轴向拉伸或轴向压缩时的内力 23

2.2.1 内力的概念 23

2.2.2 内力求解方法 24

2.3 轴向拉伸或压缩时的应力 24

2.3.1 应力的概念 24

2.3.2 轴向拉伸或轴向压缩时横截面上的应力 25

2.3.3 轴向拉伸或轴向压缩时斜截面上的应力 25

2.4 轴向拉伸或轴向压缩时的变形及虎克定律 26

2.4.1 纵向变形 26

2.4.2 横向变形 27

2.4.3 虎克定律 27

2.5 轴向拉伸或压缩时材料的力学性能 29

2.5.1 低碳钢拉伸时的力学性能 29

2.5.2 其他材料拉伸时的力学性能 31

2.5.3 材料在压缩时的力学性能 32

2.5.4 材料的许用应力 32

2.6 轴向拉伸或轴向压缩时的强度计算 33

习题 34

第3章 直梁的弯曲 36

3.1 平面弯曲的概念及梁的分类 36

3.1.1 平面弯曲的概念 37

3.1.2 梁的分类 37

3.2 直梁弯曲时的内力分析 37

3.2.1 剪力和弯矩 37

3.2.2 剪力图和弯矩图 39

3.3 纯弯曲时梁横截面上的正应力和弯曲强度计算 41

3.3.1 纯弯曲时梁横截面上的正应力 41

3.3.2 梁的弯曲强度计算 45

3.3.3 提高梁弯曲强度的主要途径 47

3.4 梁的弯曲变形与刚度校核 49

3.4.1 挠度和转角 49

3.4.2 梁的挠曲线近似方程 50

3.4.3 用叠加法求梁的变形 51

3.4.4 梁弯曲时的刚度校核 52

习题 52

第4章 剪切与圆轴的扭转 54

4.1 剪切与挤压 54

4.1.1 切应力及强度条件 54

4.1.2 挤压应力及强度条件 55

4.1.3 纯剪切与切应力互等定理 57

4.1.4 切应变与剪切虎克定律 57

4.2 圆轴扭转时的外力和内力 58

4.2.1 扭转变形的概念 58

4.2.2 外力偶矩的计算 58

4.2.3 扭转时横截面上的内力 59

4.3 圆轴扭转时横截面上的应力 59

4.3.1 轴的扭转变形实验及假设 59

4.3.2 圆轴扭转时横截面上的应力计算 60

4.4 圆轴扭转时的强度和刚度条件 62

4.4.1 圆轴扭转时的强度条件 62

4.4.2 圆轴扭转时的刚度条件 63

习题 64

第5章 复杂应力状态下的强度计算 66

5.1 应力状态的概念 66

5.2 广义的虎克定律 68

5.3 强度理论 69

5.3.1 材料破坏的主要形式 69

5.3.2 四种常用的强度理论 69

5.4 组合变形时杆件的强度计算 70

5.4.1 弯曲与拉伸或压缩组合变形的强度计算 70

5.4.2 弯曲与扭转组合变形的强度计算 71

习题 74

第6章 压杆的稳定性 76

6.1 压杆稳定性的概念 76

6.2 压杆的临界力及临界应力 77

6.2.1 压杆的临界力 77

6.2.2 压杆的临界应力 78

6.3 压杆的稳定性计算 80

习题 82

第2篇 薄壁容器设计 86

第7章 概述 86

7.1 压力容器的结构和特点 86

7.2 压力容器的分类 87

7.3 容器机械设计的基本要求 89

7.4 容器的零部件标准化 90

习题 91

第8章 化工设备常用材料 92

8.1 金属材料的基本性能 92

8.1.1 化学成分 92

8.1.2 金属材料的基本性能 93

8.2 碳素钢 95

8.2.1 碳素钢的分类 96

8.2.2 碳素钢的性能和使用 97

8.3 合金钢 97

8.3.1 合金钢的分类 97

8.3.2 低合金钢 98

8.3.3 不锈钢和耐热钢 98

8.4 压力容器用钢 99

8.4.1 钢板 100

8.4.2 钢管 100

8.4.3 锻件 100

8.5 铸铁 101

8.5.1 铸铁分类 101

8.5.2 压力容器用铸铁 102

8.6 有色金属 102

8.6.1 铝及铝合金 102

8.6.2 铜及铜合金 102

8.6.3 钛及钛合金 103

8.6.4 镍及镍合金 104

8.6.5 铅及铅合金 104

8.7 非金属材料 105

8.7.1 有机非金属材料 105

8.7.2 无机非金属材料 106

8.7.3 复合材料 106

习题 107

第9章 内压薄壁容器的应力分析 108

9.1 回转薄壳的薄膜应力分析 108

9.1.1 回转壳体的几何特性 108

9.1.2 回转薄壳的无力矩与有力矩概念 109

9.1.3 回转薄壳的薄膜应力分析 110

9.2 回转薄壳的薄膜应力计算 111

9.2.1 承受气体压力的壳体 111

9.2.2 承受液体静压力的壳体 114

9.3 边缘应力及其特点 114

9.3.1 边缘应力的产生 114

9.3.2 边缘应力的特性 115

9.3.3 设计中对边缘应力的处理 116

9.4 压力容器应力分类及分析设计简介 116

9.4.1 压力容器的应力分类 117

9.4.2 应力强度及其基本许用应力 118

9.4.3 分析设计法对各类应力强度的限制 118

习题 118

第10章 内压容器设计 120

10.1 内压圆筒的强度计算 120

10.2 内压球壳的强度计算 121

10.3 设计参数的确定 122

10.3.1 设计压力和计算压力 122

10.3.2 设计温度 122

10.3.3 焊接接头系数 122

10.3.4 厚度附加量 123

10.3.5 许用应力和安全系数 123

10.3.6 最小厚度 123

10.4 压力试验 124

10.5 凸形封头的强度计算 125

10.5.1 半球形封头 125

10.5.2 椭圆形封头 126

10.5.3 碟形封头 126

10.5.4 球冠形封头 127

10.6 锥形封头的强度计算 128

10.6.1 锥壳厚度 128

10.6.2 受内压无折边锥壳 129

10.6.3 受内压折边锥壳 131

10.7 平板封头的强度计算 132

习题 134

第11章 外压容器设计 136

11.1 外压容器的稳定性 136

11.1.1 外压圆筒的失稳 136

11.1.2 临界压力 137

11.1.3 外压圆筒设计准则 138

11.2 外压圆筒的公式设计法 138

11.2.1 临界压力 138

11.2.2 临界长度 139

11.2.3 外压圆筒的公式设计法 140

11.3 外压圆筒和球壳的图算设计法 140

11.3.1 算图的绘制原理 140

11.3.2 外压圆筒设计 141

11.3.3 外压容器设计参数的确定 145

11.3.4 压力试验 145

11.3.5 外压球壳设计 146

11.4 外压圆筒加强圈的设计 146

11.4.1 加强圈的作用与结构 146

11.4.2 加强圈的计算 146

11.5 外压封头设计 149

11.5.1 凸形封头 149

11.5.2 锥形封头 150

习题 151

第12章 压力容器零部件 153

12.1 法兰 153

12.1.1 密封原理和影响密封的因素 153

12.1.2 法兰类型 155

12.1.3 法兰密封面 156

12.1.4 法兰垫片 156

12.1.5 法兰标准 157

12.1.6 法兰连接的设计步骤 161

12.2 支座 162

12.2.1 卧式容器支座 162

12.2.2 立式容器支座 165

12.3 开孔与接管 168

12.3.1 开孔与开孔补强设计 168

12.3.2 接管与凸缘 172

12.3.3 人孔和手孔 174

12.3.4 视镜 176

12.4 超压泄放装置 176

12.4.1 安全阀 177

12.4.2 爆破片 177

12.4.3 安全阀和爆破片装置的适用条件 178

习题 178

第3篇 典型化工设备 182

第13章 管壳式换热设备 182

13.1 概述 182

13.2 固定管板式换热器的结构设计 185

13.2.1 换热管与管板的连接 185

13.2.2 管板的结构 186

13.2.3 其他零部件的结构 189

13.3 管壳式换热器的强度计算 194

13.3.1 筒体和管箱壁厚计算 194

13.3.2 管板受力及其设计方法简介 194

13.3.3 温差应力及其补偿 196

13.4 管壳式换热器设计内容与选型 197

13.4.1 管壳式换热器设计内容与选型步骤 197

13.4.2 热交换器标准 198

习题 202

第14章 塔设备 203

14.1 概述 203

14.1.1 塔设备的分类及基本结构 203

14.1.2 化工生产对塔设备的基本要求 204

14.1.3 塔设备的选型 205

14.2 填料塔 206

14.2.1 液体分布器 206

14.2.2 填料 208

14.2.3 填料支承 209

14.2.4 液体再分布器 210

14.2.5 填料的压紧和限位装置 211

14.3 板式塔 212

14.3.1 常用板式塔的类型 212

14.3.2 塔盘的结构 212

14.4 塔设备其他零部件 219

14.4.1 裙座 219

14.4.2 除沫器 219

14.4.3 塔底液体出料管 220

14.4.4 检查孔 221

14.4.5 塔顶吊柱 221

14.5 塔设备的强度和稳定性计算 222

14.5.1 塔设备承受的载荷分类和计算 222

14.5.2 塔体壁厚计算 229

14.5.3 裙座设计计算 230

14.5.4 裙座与塔体的连接焊缝强度计算 233

习题 233

第15章 机械搅拌反应设备 235

15.1 概述 235

15.2 罐体设计 236

15.2.1 罐体内筒设计 236

15.2.2 传热元件设计 237

15.2.3 工艺接管 240

15.3 搅拌器及附件 241

15.3.1 流型 241

15.3.2 搅拌器型式 242

15.3.3 搅拌附件 244

15.3.4 搅拌器选型 244

15.3.5 搅拌功率计算 245

15.4 搅拌轴的支承及设计 246

15.4.1 搅拌轴支承 246

15.4.2 搅拌轴设计 247

15.5 搅拌轴的轴封 249

15.5.1 填料密封 249

15.5.2 机械密封 250

15.6 传动装置 252

15.6.1 机械传动的基本参数和分类 252

15.6.2 减速器 253

15.6.3 联轴器 253

15.6.4 机架与底座 254

习题 255

附录 256

附录A 热轧型钢规格表 256

附录B 压力容器材料许用应力表 263