化工设备机械基础第四版答案

【篇一：化工设备机械基础复习及答案】

>一、填空题

1、强度是指构件＿＿的能力。

2、刚度是指构件＿＿的能力。

3、稳定性是指构件＿保持原有＿平衡状态的能力。

4、如物体相对于地球静止或作匀速运动，则称物体处于＿。

5、物体受外力作用变形时，其内部各部分之间因相对位置改变而引

的相互作力称为＿

6、脆性材料的安全系数一般取得比塑性材料要＿＿。

7、在轴向拉伸或压缩时，杆件不但有＿＿变形，同时＿＿也发生变形。

8、扭转是＿杆件＿的又种变形方式。

10、弯曲是工程实际中最常见的一种＿＿变形形式。

11、简支梁是梁的一端为固定铰支座，另一端为＿

12、外伸梁是简支梁的一端或＿＿伸出支座之外。

13、悬臂梁是梁的一端固定，另一端＿自由＿。

14、最大拉应力理论又称＿

15、最大伸长线应变理论又称＿＿强度理论。

16、最大剪应力理论又称＿

17、形状改变比能理论，又称＿＿强度理论。

18、构件在工作时出现随时间作周期变化的应力称为＿交变＿应力。

19、硬度是用来＿

20、裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展的能力称为断裂＿＿。

21、化工设备的密封性是一个十分＿

22、化工设备的耐久性是根据所要求的＿＿年限来决定。

23、发生边缘弯曲的原因是由于＿

24、当q/b=＿

30、凸形封头包括半球形封头＿椭圆形＿封头、碟形封头、球冠形

封头四种。

31、碟形封头由以ri为半径的球面，以r为半径的＿过度弧＿高度

为h0的直边三部分组成。

32、锥形封头在同样条件下与凸形封头比较，其＿＿情况较差。

33、球冠形封头在多数情况下用作容器中两独立受压室的＿＿封头。

失稳破坏的问题。

35、加强圈应有＿

36、卧式容器的支座有＿

37、立式容器有耳式支座、＿＿腿式支座和裙式支座四种。

38、法兰按其整体性程度可分为松式法兰、＿

39、国家标准中的手孔的公称直径有＿＿和dn250两种。

40、平带一般由数层帆布＿

41、v带的横截面为＿等腰梯形＿，其工作面是与轮槽相接触的两侧面。

二、问答题

1、构件在外力作用下，安全可靠地进行工作应满足哪些力学条件？答：（1）强度条件；（2）刚度条件；（3）稳定性条件

2、常见典型平面约束有几种？

答：（1）柔索约束，如绳子、链条、皮带、钢丝等

（2）理想光滑面约束

（3）圆柱铰链约束

3、材料力学对变形固体作了哪些假设？

答：（1）连续性假设（2）均匀性假设（3）各向同性假设

4、提高梁弯曲强度和刚度的措施？

答：（1）合理安排梁的受力情况

（2）选择合理的截面形状

5、引构件产生交变应力的原因有哪些？

答：（1）载荷作周期性变化

（2）载荷不变化，但构件作某些周期性运动

6、提高构件疲劳强度的措施？

答：（1）减缓应力的集中（2）降低表面粗糙度（3）增加表面强度

7、化工容器零部件标准化的意义是什么？

答：标准化是组织现代化生产的重要手段，实现标准化，有利于成批生产，缩短生产

周期，提高产品质量，降低成本，从而提高产品的竞争力，实现标准化，可以增加零部件

的互换性，有利于设计、制造、安装和维修，提高劳动生产率。标准化为组织专业生产提

供了有利条件。有利于合理利用国家资源，节省材料等。标准化的基本参数公称直径、公

称压力。

8、从容器的安全、制造、使用等方面说明对化工容器机械设计有哪些基本要求？

答（1）强度（2）刚度（3）稳定性（4）耐久性（5）密封性（6）节省材料和便

于制造（7）方便操作和便于运输：

9、轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围？

答：（1）回转壳体曲面在几何上是轴对称的壳体厚度无实变。曲率半径连续变化的、材

料均匀、连续且各向同性。

（2）载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续的没有突变情况（3）壳体边界应该是自由。

（4）壳体在边界上无横向剪力和弯矩。

10、压力试验的种类？

答：（1）液压试验（2）气压试验（3）气密试验

11、在简体与锥形封头连接时，可采用哪两种方法来降低连接处的边缘应力？

头及筒体厚度增大，即采用局部加强的方法

（2）在封头与筒体间增加一个过渡圆弧，则整个封头由锥体过渡弧及高度为h0的

直边三部分组成。

12、影响外压容器临界压力的因素有哪些？

答：（1）筒体的几何尺寸的影响

（2）筒体材料性能的影响

（3）筒体椭圆度和材料不均匀的影响

13、为安全，可拆连接、法兰必须满足哪些基本要求？

答：（1）有足够的刚度

（2）有足够的强度

（3）能耐腐蚀

（4）成本廉价

14、带传动的优缺点？

答：优点（1）适用于两轴中心距较大的传动

（2）带具有良好的弹性，可以缓和冲击和吸收振动

（3）过载时，带在轮上打滑，可防止其他零件损坏

（4）结构简单，加工和维护方便，成本低廉

缺点（1）传动的外廓尺寸较大

（2）不能保证固定不变的传动比

（3）带的寿命短

（4）传动效率较低等

15、轮齿失效有哪几种形式？

答：（1）轮齿的折断（2）齿面的点蚀（3）齿面磨损（4）齿面胶合（5）齿面

塑性变形

16、滚动轴承的主要失效形式是什么？

答：在正常使用情况下，只要选择，安装，润滑，维护等方面都考虑周到。绝大多数轴

承因滚道或滚动表面疲劳点蚀而失效。当轴承不回转，缓慢摆动或低速转动时，一般不会

产生疲劳损坏。但在很大的静载荷作用下，会使轴承滚道和滚动体接触处的局部应力超过

材料的屈服极限，出现表面塑性变形不能正常工作。此外，由于使用维护和保养不当或密

封润滑不良等因素，也能引起轴承长期磨损、胶合等不正常失效现象。

三、计算题

1、用三轴钻床在水平工件上钻孔时，每个钻头对工件施加一个力偶（如图）。已知三个力

偶的矩分别为：m1=1kn2m；m2=1.4kn2m；m3=1kn2m，固定工件的两螺栓a和b与工

件成光滑面接触，两螺栓的距离l=0.2m，求两螺栓受到的横向力。 m=m1+m2+m3=1+1.4+2=4.4kn2m

f=m/d=4.4/0.2=22kn

答：两螺栓受到的横向力为22kn

2、如图所示，有一管道支架abc。a、b、c处均为理想的

圆柱形铰链约束。以知该支架承受的两管道的重量均为g=4.5kn，图中尺寸均为mm。试求

管架中梁ab和bc所受的力。

解：梁ab的受力图

∴fb=9.67kn fx=6.84fy=2.16

杆

′b

′fc=fbb

先校核键的剪切强度。将平键沿n-n截面分成两部分，并把n-n以下部分和轴作为一

整体来考虑（图b），对轴心取矩，由平衡方程∑m0=0，得

fs2(d/2)=m,fs=2m/d=57.14(kn)

可见平键满足剪切强度条件。

其次校核键的挤压强度。考虑键在n-n截面以上部分的平衡（图c），则挤压力f=fs=57.14kn，挤压面面积ap=hl/2，有

故平键也满足挤压强度条件。

4、如图所示结构中梁ab的变形及重量可忽略不计。杆1为钢制圆杆，直径d1=20mm,e1=200;杆2为铜制圆杆，直径

d2=25mm,e2=100gpa。试问：（1）载荷f加在何处，

才能使梁ab受力后仍保持水平？（2）若此时f=30kn，求两拉杆内横截面上的正应力。

杆1的拉力f1杆2的拉力f2

∑ma=0 －fx+f232=0

∑mc=0 －f2(2－x)+f132=0

fx=11.193107n x=0.88

(2) 当f=30kn时

∑ma=0 －f30.88+f232=0

∑mb=0 －f2(2－x)+f132=0

f1=1.683104nf2=1.323104n

∴杆1的正应力为53.5mpa

杆2的正应力为26.9mpa

【篇二：化工设备机械基础习题解答】

基础课后习题解答 .............................. 错误！未定义书签。exercise explanation and designing of the basic of chemical equipment and mechanism .. 错误！未定义书签。第一章刚体的受力分析及其平衡规律 .. (2)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... ............. 2 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... .. (10)

第二章金属的力学性

能 (18)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... .......... 18 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... . (19)

第三章受拉（压）构件的强度计算与受剪切构件的实用计算 (22)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... ........ 22 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... . (24)

第四章直梁的弯

曲 (27)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... ........ 27 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... . (35)

第五章圆轴的扭

转 (39)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... .......... 39 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... . (43)

第六章压力容器与化工设备常用材

料 (46)

第一部分习题及其解

析 ....................................................................................................... .. (46)

第七章压力容器中的薄膜应力、弯曲应力、与二次应

力 (48)

第一部分习题及其解

析 ....................................................................................................... .. (48)

第八章内压容

器 (52)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... .. (52)

习题及其解

答 ....................................................................................................... .. (55)

第九章外压容器与压杆的稳定计

算 (60)

第一部分例题及其解

析 ....................................................................................................... ........... 60 第二部分习题及其解

答 ....................................................................................................... . (67)

第一章刚体的受力分析及其平衡规律

第一部分例题及其解析

1.下图(a)是一个三角支架，它由两根杆和三个销钉组成，销钉a、c

将杆与墙连接，销钉b则将两杆连接在一起。当ab杆中央置一重

物时，试确定ab杆两端的约束反力力线方位（杆的自身质量不计）。解： ab杆在主动力g作用下之所以处于平衡，是由于受到销钉a

和销钉b的约束。而两个销钉又分别受到墙与bc杆的约束。由于

杆bc是二力杆，销钉b作用给bc杆的力rb力，其力线必与bc杆

的中心线重合。根据作用反作用定律、bc杆作用给销钉

b的支撑力rb，以及销钉b作用给ab杆的支撑力nb，

(c)

它们的力线方位也应与bc杆中心线一致，这样就利用bc 杆是二力

杆这个条件确定了b端铰链约束的约束反力力线方位.如图(b)所示

确定了nb的力线方位后，na的力线方位就可根据三力平衡必汇交

一点的定理来解决了。因为ab杆自身的质量忽略不计ab杆是在外

载g与约束反力na、nb三力作用下处于平衡，所以na力线必过g

与nb二力线的交

(a)

点，这样就确定了na的力线方位。显然，如果外载g正好加在

ab杆的中央，那么na和nb两个力线与ab杆交角将相同，即都等

于ab杆与bc两杆的夹角?

2. 下图(a)是一个放在光滑地面上的梯子，梯子由ac和bc两部分

组成，每部分重w，彼此用销钉c和绳子ef连接起来，今有一人重

g站立在左侧梯子上的d处，试分析梯子的受力。

解：当把整个梯子作为研究对象时，它受到的外力有：主动力g和两个w力；约束反力ra和rb，这五个力构成一个平行的平衡力系,

如图(b)所示。其中三个是已知力，两个是未知（大小的）力

当把梯子的左、右两部分单独取出来研究时，绳子的拉力和铰链c

处的相互作用力就变成了外力,必须在半个梯子的分离体上表示出

来。根据柔软体约束反力的特点，代替绳子的约束反力t是水平的。在铰链c处（把销钉看成与右半个梯子为一整体）左右两部分相互

作用的力，其力线方位无法利用已知定理确定，只能用两个方位已知、大小待定的未知力yc和xc（及

yc和x‘c）来代替如图(c) (d)所示。从所画得的半个梯子的受力图

可见，左半个共受六个外力，其中三个是未知的，右半个所受五个

外力，也是三个未知。这些外力既不彼此平行，也不汇交一点，故

称为平面一般力系

3. 圆筒形容器重量（力）为g，置于拖轮a、b上，如图(a)所示，

(a)

解：因要求的是拖轮对容器的约束反力，所以取容器为研究对象，

画出受力

图(b)，拖轮对容器是光滑面约束，故约束反力应沿接触点公法线指

向容器，即图中的na和nb，它们与y轴夹角为300。由于容器重

力也过中心o点，故容器是在三力组成的汇交力系作用下处于平衡，于是有

?x?0

nasin30o?nbsin30o?

na?nb

nacos30o?nbcos30o?g?0

na?nb?

?0.58go

2cos30

4. 重为g的均质圆球放在板ab与墙壁ac之间，d、e两处均为光滑接触尺寸如图所示，设板ab的质量不计，求a处的约束反力及绳bc 的拉力

解：既然是求作用在板上的绳子拉力及铰链a处

约束反力，所以先考虑取ab板为分离体，画它的受力图。首先圆球作用

给板一个垂直板的压力nd，绳子在b处作用给板水平拉力t，根据题意板自重不计，所以板受到的其他力只还有一个铰链a处的约束反力，整个板是在三个力作用下处于平衡，已知t与nd不平行，因此可以断定a处的约束反力ra必过t与nd二力线的交点o。从几何关系中不难看出，过o

点的ra力线与水平轴夹角为600,如图(b)所示,这样就得到了板ab的受力图。但是会立刻发现，在板ab所受到的三个力中，没有一个是已知力，即使根据汇交力系平衡条件式，列出两个平衡方程式，仍然解不出这三个未知力，于是问题转到了先要设法在三个未知力中解决一个，注意到圆球的重力g是个已知力，圆球是在两个光滑面约束反力ne和n’d以及重力g三力作用下处于平衡，利用该圆球的平衡条件?y?0 就可算得ab对圆球的约束反力n‘d,即

ndsin30o?g?0nd

g??2gosin30

nd与nd

是一对作用与反作用力，所以nd变为已知。于是再利用板ab的

平衡条件

由?y?0得

rasin60o?ndsin30o?0g2

?go

sin60由?x?0得得ra?

?racos30o?ndcos30o?t?0212

t?2g?g?g

2323

5. 试对以下四种现象予以解释：

1.在桌面上平放一圆盘，通过圆盘质心o施加一水力f,图1-25(a)所示，圆盘向右平移

2.若力f施加于圆盘的边缘,图1-25(b)所示，则圆盘在向右平移的同时，还会发生绕质心o的顺时针转动；

3.如果圆盘中心开孔并套在一根竖立的固定轴上,图1-25(c)所示，

【篇三：《化工设备机械基础》第四章习题解答】ass=txt>二、填空题

a组：

1. 有一容器,其最高气体工作压力为1.6mpa,无液体静压作用,工作温度≤150℃且装有安全阀,试确定该容器的

设计压力p=(1.76)mpa;计算压力pc=( 1.76 )mpa;水压试验压力

pt=(2.2)mpa.

2. 有一带夹套的反应釜,釜内为真空,夹套内的工作压力为0.5mpa,工作温度200℃,试确定:

(1)釜体的计算压力(外压)pc=( -0.6 )mpa;釜体水压试验压力

pt=( 0.75 )mpa.

(2)夹套的计算压力(内压)pc=( 0.5 )mpa;夹套的水压试验压力

pt=( 0.625 )mpa.

100℃,试确定该容器的设计压力p=( 0.5 )mpa;计算压力

pc=( 0.617 )mpa;水压试验压力

pt=(0.625)mpa.

4. 标准碟形封头之球面部分内径ri=( 0.9 )di;过渡圆弧部分之半径r=( 0.17 )di.

5. 承受均匀压力的圆平板,若周边固定,则最大应力是(径向)弯曲应力,且最大应力在圆平板的(边缘 )处;

若周边简支,最大应力是( 径向 )和( 切向)弯曲应力,且最大应力在圆平板的( 中心)处.

6. 凹面受压的椭圆形封头,其有效厚度se不论理论计算值怎样小,当k≤1时,其值应小于封头内直径的

( 0.15)%;k1时,se应不小于封头内直径的( 0.3)%.

7. 对于碳钢和低合金钢制的容器,考虑其刚性需要,其最小壁厚

smin=( 3)mm;对于高合金钢制容器,其最小壁

厚smin=(2 )mm.

8. 对碳钢,16mnr,15mnnbr和正火的15mnvr钢板制容器,液压试验时,液体温度不得低于( 5) ℃,其他低

合金钢制容器(不包括低温容器),液压试验时,液体温度不得低于

( 15) ℃.

( √ )

3. 安全系数是一个不断发展变化的数据,按照科学技术发展的总趋势,安全系数将逐渐变小.

( √ )

强度条件时,必须借助于强度理论将其转换成相当于单向拉伸应力状态的相当应力. ( √ ）

四、工程应用题

a组：

1、有一dn2000mm的内压薄壁圆筒,壁厚sn=22mm,承受的最大气体工作压力pw=2mpa,容器上装有安全阀,焊

【解】（1）确定参数：pw =2mpa; pc=1.1pw =2.2mpa（装有安全阀）;

di= dn=2000mm( 钢板卷制); sn =22mm; se = sn -c=20mm （2）最大工作应力：

?t?pc(di?se)2.2?(2000?20)??111.1mpa 2se2?20

se = sn -c=20mm.

（2）最大工作压力：球形容器.

[p]w4[?]t?se4?147?1.0?20???1.17mpadi?se10000?20

3、某化工厂反应釜,内径为1600mm,工作温度为5℃~105℃,工作压力为1.6mpa,釜体材料选用0cr18ni9ti。采

用双面焊对接接头,局部无损探伤,凸形封头上装有安全阀,试设计釜体厚度。

【解】

（1）确定参数：di =1600mm; tw=5~105℃;

pw=1.6mpa;pc =1.1 pw =1.76mpa（装有安全阀）

c2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）

（2）计算厚度：

s?pcdi

2[?]t??pc?1.76?1600?14.8mm 2?112.9?0.85?1.76

c1=0.8mm（按教材表4-9取值，gb4237-92《不锈钢热轧钢板》）, c=c1+c2=0.8mm.

名义壁厚：sn=s+c+圆整，s+c=14.8+0.8=15.6mm.

圆整后，sn =16mm.

（1）水压试验校核

?t?pt(di?se)?0.9??s 2se

有效壁厚 se = sn -c=16-0.8=15.2mm

试验压力 pt?1.25p[?]

[?]t?1.25?1.76?137?2.67mpa 112.9

计算应力

应力校核 ?t?p2.67?(1600?15.2) (d?s) ??141.86mpa2se2?15.2

0.9?s? ? 0.9?205?0.85?156.8 mpa

??t ? 0.9?s?∴水压试验强度足够

4、有一圆筒形乙烯罐,内径di=1600mm,壁厚sn=16mm,计算压力为pc=2.5mpa,工作温度为-3.5℃，材质为

16mnr,采用双面焊对接接头,局部无损探伤,厚度附加量c=3mm,试

校核贮罐强度。

【解】（1）确定参数：di =1600mm; sn =16mm; tw=-3.5℃;

pc=2.5mpa.

16mnr：常温下的许用应力 [?] = 170 mpa

设计温度下的许用应力 [?]t = 170 mpa

常温度下的屈服点 ?s = 345 mpa

有效壁厚：se = sn － c = 16 － 3 = 13 mm

（2）强度校核

最大允许工作压力[pw ]

2 [?]t? s[pw]??2?170?0.85?13?2.3

3 mpa di?se1600?13

∵pc＞[pw ]∴该贮罐强度不足

9、设计容器筒体和封头厚度。已知内径di=1400mm,计算压力

pc=1.8mpa,设计温度为40℃,材质为15mnvr,

介质无大腐蚀性.双面焊对接接头,100%探伤。封头按半球形、标准

椭圆形和标准碟形三种形式算出其所需厚度,最后根据各有关因素进

行分析,确定一最佳方案。

【解】（1）确定参数：di=1400mm;pc=1.8mpa;t=40℃;

15mnvr：假设钢板厚度: 6~16mm ，则：

（2）筒体壁厚设计：

s?pcdi

2[?]t??pc?1.8?1400?7.16mm 2?177?1.0?1.8

c1=0.25mm（按教材表4-9取值，gb6654-94《压力容器用钢板》） c=c1+c2=1.25mm.

名义壁厚：sn=s+c+圆整，s+c=7.16+1.25=8.41mm.

圆整后，sn =9mm.

（3）筒体水压试验校核

?t?pt(di?se)?0.9??s 2se

有效壁厚 se = sn -c=9-1.25=7.75mm

试验压力 pt?1.25p[?]

[?]t?1.25?1.8?177?2.25mpa 177

计算应力

应力校核 ?t?p2.25?(1400?7.75) (d?s)??204.35mpa2se2?7.75

0.9?s? ? 0.9?390?1?351 mpa

??t ? 0.9?s?∴筒体水压试验强度足够

（4）封头厚度设计

半球形封头：

d1.8?1400

s?p4[?]t??p?4?177?1.0?1.8?3.57mm

c1=0.25mm（按教材表4-9取值，gb6654-94《压力容器用钢板》）c=c1+c2=1.25mm.

名义壁厚：sn=s+c+圆整，s+c=3.57+1.25=4.82mm.

圆整后，sn =5mm.

标准椭圆封头：

s?kpcdi1.0?1.8?1400

2[?]t??0.5p?2?177?1.0?0.5?1.8?7.1mm

名义壁厚：sn=s+c+圆整，s+c=7.1+1.25=8.35mm.

圆整后，sn =9mm.

标准碟形封头：

s?mpd325?1.8?1400

2[?]t??0.5p?1.

c2?177?1.0?0.5?1.8?9.4mm

名义壁厚：sn=s+c+圆整，s+c=9.4+1.25=10.65mm.

圆整后，sn =11mm.

从计算结果看，最佳方案是选用标准椭圆封头。