力学与强度（教案）（锅炉、压力容器、压力管道）

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1、力学与强度（教案）2006年9月32主要内容第一部分材料力学基本知识一、构件的承载方式二、应力与应变三、低碳钢的拉伸试验及其机械性能四、拉伸和压缩的强度条件五、复杂应力状态六、强度理论第二部分锅炉压力容器压力管道强度概论一、锅炉压力容器压力管道载荷种类二、锅炉压力容器压力管道常规设计中的强度控制原则（名义应力）三、边缘应力四、分析设计中的应力分类与控制原则五、热应力六、应力集中与疲劳七、有限元方法在锅炉压力容器应力分析中的应用32第一部分材料力学基本知识一、构件的承载方式构件的简单承载方式分为：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转。下面以杆件分别予以说明。表1-1杆件的基本变形形式¨杆件受到作

2、用线与杆轴线重合的大小相等，方向相反的拉力，这时杆件承受拉伸作用，其变形称为拉伸变形。¨杆件受到作用线与杆轴线重合的大小相等，方向相反的压力，这时杆件承受压缩作用，其变形称为压缩变形。¨杆件承受与其轴线垂直的力的作用，或承受弯矩作用，这时杆件承受弯曲作用，产生的变形称为弯曲变形。¨32杆件受到作用线与杆轴线垂直，距离很近的大小相等、方向相反的两个力的作用时，这时杆件承受剪切作用，产生的变形称为剪切变形。¨杆件受到在垂直于杆轴平面内的大小相等、转向相反的两个力偶作用，杆件则承受扭转作用，产生的变形称为扭转变形。复杂承载状况往往是上述几种承载形式的组合，或同一种或几种承载方式在不同方向上的

3、组合。如汽车的驱动轴同时承受扭转、弯曲、剪切作用。再如气瓶的圆筒部分承受沿轴向和环向双向拉伸作用。图1-1杆受力分析二、应力与应变物体承受外载荷后，在其剖面上存在内力。单位面积上的内力称为应力，根据剖面的方向不同和载荷的类型不同，在剖面上存在垂直于剖面方向拉、压应力（称正应力）和平行于剖面方向的剪应力作用。以杆件拉伸为例加以介绍。研究图1—1(a)所示的杆件AB。杆件承受拉伸载荷P，我们用与轴线垂直的平面mn将杆件分割，在横截面存在内力N。如横截面面积为A，则作用在单位横截面面积上的内力的大小为：(1-1)式中s称为截面上的正应力，方向垂直于横截面。32杆件在拉伸或压缩时，其长度将发生

4、改变，若杆件原长为L，受轴向拉伸后其长度变为L+DL，DL称为绝对伸长。实验表明，用同样材料制成的杆件，其变形量与应力的大小及杆件原长有关。截面积相同、受力相等的条件下，杆件越长，绝对伸长越多。为了确切地表示变形程度，引入单位长度上的伸长量：(1-2)式中e称为相对伸长或线应变，它是一个没有单位的数量。三、低碳钢的拉伸试验及其机械性能金属在拉伸和压缩时的机械性能是正确设计、安全使用机器设备零件的重要依据。材料的机械性能只有在受力作用时才能显示出来，所以它们都是通过各种试验测定的。测定材料性能的试验种类很多，最常用的几项性能指标是通过拉伸测出。实验表明，杆件拉伸或压缩时的变形和破坏，不仅

5、和受力的大小有关，而且和材料的性能有关。低碳钢是工程上最常用的材料，它们的机械性能也比较典型。下面重点讨论低碳钢拉伸实验。图1-2拉伸标准试件试件是按标准尺寸制作的，以便能统一比较实验的结果。对于圆形截面拉伸标准试件，标距L0与直径d0之间有如下关系(图1-2)。长试件：短试件：规定实验时，先量出试件的标距L0和直径d032，然后将试件装在材料试验机上，启动加力机构，缓慢增加拉力P直至断裂为止。在加力过程中随时记录载荷P和相应的变形量DL的数值。同时还要注意观察试件变形和破坏的现象。图1-3拉伸试验P-DL曲线图1-4拉伸应力-应变曲线目前的材料试验机均配有计算机数据采集系统，在实验时

6、，通过计算机采数，可采集载荷P和位移DL，在坐标纸上以横坐标表示DL，纵坐标表示P，画出试件的受力与变形关系的曲线，这个曲线称为拉伸曲线。图1-3所示为低碳钢的拉伸曲线。拉伸试验所得结果可以通过P-DL曲线全面反映出来，但是用它来直接定量表达材料的某些机械性质还不甚方便。因为材料即使一样，但试件尺寸不同时，我们会得到不同的P-DL曲线。为排除试件尺寸的影响，将图的坐标进行变换：纵坐标P除以试件原有横截面面积，变换成应力，横坐标DL除以试件原长L0，变换成应变e。这样得到的s-e曲线就与试件尺寸无关，称为应力-应变图(图1-4)，它直接反映了材料的机械性能。下面就以应力-应变图为根据来分

7、析低碳钢拉伸时表现出的主要机械性能。图1—4为低碳钢拉伸的应力应变曲线。显然它与载荷位移曲线相似。这条曲线大体上可以分成四个阶段：OA、BC、CD、DE32。下面逐段进行分折。1．弹性变形阶段在s-e图上，OA这段表示弹性阶段。在这个阶段内，变形是完全弹性的。即如果在试件上加载，使其应力不超过A点所对应的应力，那么卸载后试件将完全恢复原来形状。因此A点所示的应力是保证材料不发生不可恢复变形的最高限值，我们称这个应力值为材料的弹性极限，用sp表示