力學(xué)與強(qiáng)度（教案）（鍋爐、壓力容器、壓力管道）

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1、力學(xué)與強(qiáng)度（教案）2006年9月32主要內(nèi)容第一部分材料力學(xué)基本知識(shí)一、構(gòu)件的承載方式二、應(yīng)力與應(yīng)變?nèi)?、低碳鋼的拉伸試?yàn)及其機(jī)械性能四、拉伸和壓縮的強(qiáng)度條件五、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)六、強(qiáng)度理論第二部分鍋爐壓力容器壓力管道強(qiáng)度概論一、鍋爐壓力容器壓力管道載荷種類二、鍋爐壓力容器壓力管道常規(guī)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度控制原則（名義應(yīng)力）三、邊緣應(yīng)力四、分析設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分類與控制原則五、熱應(yīng)力六、應(yīng)力集中與疲勞七、有限元方法在鍋爐壓力容器應(yīng)力分析中的應(yīng)用32第一部分材料力學(xué)基本知識(shí)一、構(gòu)件的承載方式構(gòu)件的簡(jiǎn)單承載方式分為：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)。下面以桿件分別予以說明。表1-1桿件的基本變形形式¨桿件受到作

2、用線與桿軸線重合的大小相等，方向相反的拉力，這時(shí)桿件承受拉伸作用，其變形稱為拉伸變形?！U件受到作用線與桿軸線重合的大小相等，方向相反的壓力，這時(shí)桿件承受壓縮作用，其變形稱為壓縮變形。¨桿件承受與其軸線垂直的力的作用，或承受彎矩作用，這時(shí)桿件承受彎曲作用，產(chǎn)生的變形稱為彎曲變形?！?2桿件受到作用線與桿軸線垂直，距離很近的大小相等、方向相反的兩個(gè)力的作用時(shí)，這時(shí)桿件承受剪切作用，產(chǎn)生的變形稱為剪切變形?！U件受到在垂直于桿軸平面內(nèi)的大小相等、轉(zhuǎn)向相反的兩個(gè)力偶作用，桿件則承受扭轉(zhuǎn)作用，產(chǎn)生的變形稱為扭轉(zhuǎn)變形。復(fù)雜承載狀況往往是上述幾種承載形式的組合，或同一種或幾種承載方式在不同方向上的

3、組合。如汽車的驅(qū)動(dòng)軸同時(shí)承受扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切作用。再如氣瓶的圓筒部分承受沿軸向和環(huán)向雙向拉伸作用。圖1-1桿受力分析二、應(yīng)力與應(yīng)變物體承受外載荷后，在其剖面上存在內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，根據(jù)剖面的方向不同和載荷的類型不同，在剖面上存在垂直于剖面方向拉、壓應(yīng)力（稱正應(yīng)力）和平行于剖面方向的剪應(yīng)力作用。以桿件拉伸為例加以介紹。研究圖1—1(a)所示的桿件AB。桿件承受拉伸載荷P，我們用與軸線垂直的平面mn將桿件分割，在橫截面存在內(nèi)力N。如橫截面面積為A，則作用在單位橫截面面積上的內(nèi)力的大小為：(1-1)式中s稱為截面上的正應(yīng)力，方向垂直于橫截面。32桿件在拉伸或壓縮時(shí)，其長度將發(fā)生

4、改變，若桿件原長為L，受軸向拉伸后其長度變?yōu)長+DL，DL稱為絕對(duì)伸長。實(shí)驗(yàn)表明，用同樣材料制成的桿件，其變形量與應(yīng)力的大小及桿件原長有關(guān)。截面積相同、受力相等的條件下，桿件越長，絕對(duì)伸長越多。為了確切地表示變形程度，引入單位長度上的伸長量：(1-2)式中e稱為相對(duì)伸長或線應(yīng)變，它是一個(gè)沒有單位的數(shù)量。三、低碳鋼的拉伸試驗(yàn)及其機(jī)械性能金屬在拉伸和壓縮時(shí)的機(jī)械性能是正確設(shè)計(jì)、安全使用機(jī)器設(shè)備零件的重要依據(jù)。材料的機(jī)械性能只有在受力作用時(shí)才能顯示出來，所以它們都是通過各種試驗(yàn)測(cè)定的。測(cè)定材料性能的試驗(yàn)種類很多，最常用的幾項(xiàng)性能指標(biāo)是通過拉伸測(cè)出。實(shí)驗(yàn)表明，桿件拉伸或壓縮時(shí)的變形和破壞，不僅

5、和受力的大小有關(guān)，而且和材料的性能有關(guān)。低碳鋼是工程上最常用的材料，它們的機(jī)械性能也比較典型。下面重點(diǎn)討論低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)。圖1-2拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件試件是按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制作的，以便能統(tǒng)一比較實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。對(duì)于圓形截面拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件，標(biāo)距L0與直徑d0之間有如下關(guān)系(圖1-2)。長試件：短試件：規(guī)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，先量出試件的標(biāo)距L0和直徑d032，然后將試件裝在材料試驗(yàn)機(jī)上，啟動(dòng)加力機(jī)構(gòu)，緩慢增加拉力P直至斷裂為止。在加力過程中隨時(shí)記錄載荷P和相應(yīng)的變形量DL的數(shù)值。同時(shí)還要注意觀察試件變形和破壞的現(xiàn)象。圖1-3拉伸試驗(yàn)P-DL曲線圖1-4拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線目前的材料試驗(yàn)機(jī)均配有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)

6、，通過計(jì)算機(jī)采數(shù)，可采集載荷P和位移DL，在坐標(biāo)紙上以橫坐標(biāo)表示DL，縱坐標(biāo)表示P，畫出試件的受力與變形關(guān)系的曲線，這個(gè)曲線稱為拉伸曲線。圖1-3所示為低碳鋼的拉伸曲線。拉伸試驗(yàn)所得結(jié)果可以通過P-DL曲線全面反映出來，但是用它來直接定量表達(dá)材料的某些機(jī)械性質(zhì)還不甚方便。因?yàn)椴牧霞词挂粯樱嚰叽绮煌瑫r(shí)，我們會(huì)得到不同的P-DL曲線。為排除試件尺寸的影響，將圖的坐標(biāo)進(jìn)行變換：縱坐標(biāo)P除以試件原有橫截面面積，變換成應(yīng)力，橫坐標(biāo)DL除以試件原長L0，變換成應(yīng)變e。這樣得到的s-e曲線就與試件尺寸無關(guān)，稱為應(yīng)力-應(yīng)變圖(圖1-4)，它直接反映了材料的機(jī)械性能。下面就以應(yīng)力-應(yīng)變圖為根據(jù)來分

7、析低碳鋼拉伸時(shí)表現(xiàn)出的主要機(jī)械性能。圖1—4為低碳鋼拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線。顯然它與載荷位移曲線相似。這條曲線大體上可以分成四個(gè)階段：OA、BC、CD、DE32。下面逐段進(jìn)行分折。1．彈性變形階段在s-e圖上，OA這段表示彈性階段。在這個(gè)階段內(nèi)，變形是完全彈性的。即如果在試件上加載，使其應(yīng)力不超過A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，那么卸載后試件將完全恢復(fù)原來形狀。因此A點(diǎn)所示的應(yīng)力是保證材料不發(fā)生不可恢復(fù)變形的最高限值，我們稱這個(gè)應(yīng)力值為材料的彈性極限，用sp表示