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過程裝備固體力學基礎 版權信息
- ISBN：9787030719560
- 條形碼：9787030719560 ; 978-7-03-071956-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
過程裝備固體力學基礎 內容簡介
本書主要包括在過程裝備設計中所涉及的工程力學方面的基本理論和基本知識，包括彈塑性理論、薄板理論、旋轉薄殼理論、疲勞設計、斷裂力學、有限元方法等。通過強化工程力學基礎知識及過程設備案例設計應用，提高化工過程機械專業學生的力學基礎，提升負責化工工程設計的能力。另外，適當引入ANSYS軟件介紹，以適應學生今后從事模擬設計的需求。
過程裝備固體力學基礎 目錄
目錄
前言
**篇 彈塑性力學及板殼理論
第1章 彈性力學基本方法和平面問題解答 3
1.1 彈性力學的基本方法 3
1.1.1 彈性力學的內容 3
1.1.2 彈性力學中的幾個基本概念 3
1.1.3 彈性力學的基本方程 5
1.2 彈性力學的平面問題 7
1.2.1 平面應力和平面應變 7
1.2.2 平面問題的基本方程 8
1.2.3 平面問題的邊界條件 11
1.2.4 圣維南原理 12
1.2.5 平面問題的解法 12
1.2.6 應力函數 14
1.3 彈性力學平面問題的極坐標解答 17
1.3.1 極坐標中的基本方程 17
1.3.2 平面軸對稱問題 22
1.3.3 解法舉例 24
思考題 31
習題 32
第2章 厚壁圓筒的應力分析 34
2.1 厚壁圓筒的彈性應力分析 34
2.1.1 厚壁圓筒的基本方程 34
2.1.2 厚壁圓筒的應力和位移解 39
2.1.3 溫差應力問題 44
2.1.4 組合圓筒的應力分析 49
2.2 厚壁圓筒的彈塑性應力分析 53
2.2.1 簡單應力狀態下的彈塑性力學問題 53
2.2.2 屈服條件 57
2.2.3 厚壁圓筒的彈塑性分析 61
思考題 69
習題 70
第3章 薄板彎曲理論 71
3.1 薄板的基本概念及基本假定 71
3.2 圓板的軸對稱問題 72
3.2.1 圓板軸對稱彎曲的基本方程 72
3.2.2 承受均布載荷圓平板的應力分析 77
3.2.3 承受軸對稱載荷的環板 81
3.3 矩形薄板 88
3.3.1 矩形薄板彎曲微分方程的建立 89
3.3.2 矩形薄板的邊界條件 92
3.3.3 矩形薄板彎曲微分方程的經典解法 93
思考題 97
習題 98
第4章 旋轉薄殼理論 99
4.1 基本概念 99
4.1.1 旋轉殼體及其幾何概念 99
4.1.2 外力與內力 101
4.2 旋轉薄殼的無力矩理論 103
4.2.1 無力矩理論的基本方程 103
4.2.2 無力矩理論的應用 107
4.2.3 無力矩理論的應用范圍 115
4.3 旋轉薄殼的邊緣問題 116
4.3.1 概述 116
4.3.2 圓筒形殼體的有力矩理論 117
4.3.3 一般旋轉殼體邊緣彎曲的應力和變形表達式 124
4.3.4 邊緣問題的求解 125
4.3.5 邊緣問題求解實例 126
4.3.6 邊緣應力的特點與設計中的處理 132
思考題 132
習題 132
第二篇 過程裝備的疲勞、斷裂和蠕變
第5章 高周疲勞及應力-壽命方法 137
5.1 引言 137
5.2 應力幅值定義 138
5.3 應力-壽命曲線 138
5.4 平均應力的影響 140
5.5 修正系數 142
5.5.1 尺寸影響 143
5.5.2 載荷影響 144
5.5.3 表面粗糙度影響 144
5.5.4 表面處理影響 145
5.5.5 溫度影響 149
5.5.6 環境影響 150
思考題 151
習題 151
第6章 低周疲勞及應變-壽命方法 152
6.1 壓力容器的疲勞設計 152
6.2 低周循環應力-應變性能 153
6.2.1 循環應力-應變性能 153
6.2.2 瞬態性能：循環應變硬化和軟化 153
6.2.3 循環應力-應變曲線的測定 156
6.2.4 應力與塑性應變能的關系 157
6.2.5 低循環疲勞壽命的定義 158
6.3 應變-壽命曲線 158
6.4 考慮平均應力影響的疲勞壽命 161
6.5 疲勞損傷積累 163
6.6 疲勞設計規范 164
思考題 166
習題 166
第7章 斷裂力學和疲勞裂紋擴展 168
7.1 壓力容器的脆性斷裂 168
7.2 線彈性斷裂力學簡介 169
7.2.1 應力強度因子 169
7.2.2 塑性區尺寸 170
7.2.3 斷裂韌度 172
7.2.4 斷裂判據 172
7.3 彈塑性斷裂力學簡介 172
7.3.1 裂紋張開位移理論 172
7.3.2 J積分方法 175
7.4 結構防止斷裂的安全評定工程方法 176
7.4.1 全面屈服條件下的COD 176
7.4.2 CEGB雙判據法 179
7.4.3 EPRI方法 181
7.5 斷裂力學在疲勞問題上的應用 183
思考題 188
習題 188
第8章 高溫蠕變強度 189
8.1 單向拉伸蠕變試驗 189
8.2 復雜應力狀態下的蠕變方程式 191
8.3 厚壁圓筒的蠕變計算 192
思考題 194
第三篇 過程裝備結構應力分析
第9章 有限單元法簡介 197
9.1 彈性力學的有限單元法簡介 197
9.1.1 概述 197
9.1.2 有限單元分析過程 198
9.2 三角形常應變單元的有限元列式 202
9.2.1 單元位移 202
9.2.2 單元應變和應力 204
9.2.3 單元剛度矩陣 204
9.2.4 等效結點載荷 205
9.2.5 總剛度矩陣形成 207
9.2.6 算例 208
思考題 213
習題 213
第10章 ANSYS軟件介紹 215
10.1 初步認識ANSYS 215
10.1.1 ANSYS的功能 215
10.1.2 ANSYS的工作界面 216
10.1.3 ANSYS的幫助系統 224
10.2 ANSYS分析的基本步驟 225
10.2.1 定義單元類型 225
10.2.2 設置材料屬性 226
10.2.3 建立實體模型 228
10.2.4 網格劃分 229
10.2.5 加載與求解 230
10.2.6 后處理器 231
10.3 ANSYS實例分析——厚壁圓筒彈塑性分析 232
思考題 239
習題 239
參考文獻 241
前言
**篇 彈塑性力學及板殼理論
第1章 彈性力學基本方法和平面問題解答 3
1.1 彈性力學的基本方法 3
1.1.1 彈性力學的內容 3
1.1.2 彈性力學中的幾個基本概念 3
1.1.3 彈性力學的基本方程 5
1.2 彈性力學的平面問題 7
1.2.1 平面應力和平面應變 7
1.2.2 平面問題的基本方程 8
1.2.3 平面問題的邊界條件 11
1.2.4 圣維南原理 12
1.2.5 平面問題的解法 12
1.2.6 應力函數 14
1.3 彈性力學平面問題的極坐標解答 17
1.3.1 極坐標中的基本方程 17
1.3.2 平面軸對稱問題 22
1.3.3 解法舉例 24
思考題 31
習題 32
第2章 厚壁圓筒的應力分析 34
2.1 厚壁圓筒的彈性應力分析 34
2.1.1 厚壁圓筒的基本方程 34
2.1.2 厚壁圓筒的應力和位移解 39
2.1.3 溫差應力問題 44
2.1.4 組合圓筒的應力分析 49
2.2 厚壁圓筒的彈塑性應力分析 53
2.2.1 簡單應力狀態下的彈塑性力學問題 53
2.2.2 屈服條件 57
2.2.3 厚壁圓筒的彈塑性分析 61
思考題 69
習題 70
第3章 薄板彎曲理論 71
3.1 薄板的基本概念及基本假定 71
3.2 圓板的軸對稱問題 72
3.2.1 圓板軸對稱彎曲的基本方程 72
3.2.2 承受均布載荷圓平板的應力分析 77
3.2.3 承受軸對稱載荷的環板 81
3.3 矩形薄板 88
3.3.1 矩形薄板彎曲微分方程的建立 89
3.3.2 矩形薄板的邊界條件 92
3.3.3 矩形薄板彎曲微分方程的經典解法 93
思考題 97
習題 98
第4章 旋轉薄殼理論 99
4.1 基本概念 99
4.1.1 旋轉殼體及其幾何概念 99
4.1.2 外力與內力 101
4.2 旋轉薄殼的無力矩理論 103
4.2.1 無力矩理論的基本方程 103
4.2.2 無力矩理論的應用 107
4.2.3 無力矩理論的應用范圍 115
4.3 旋轉薄殼的邊緣問題 116
4.3.1 概述 116
4.3.2 圓筒形殼體的有力矩理論 117
4.3.3 一般旋轉殼體邊緣彎曲的應力和變形表達式 124
4.3.4 邊緣問題的求解 125
4.3.5 邊緣問題求解實例 126
4.3.6 邊緣應力的特點與設計中的處理 132
思考題 132
習題 132
第二篇 過程裝備的疲勞、斷裂和蠕變
第5章 高周疲勞及應力-壽命方法 137
5.1 引言 137
5.2 應力幅值定義 138
5.3 應力-壽命曲線 138
5.4 平均應力的影響 140
5.5 修正系數 142
5.5.1 尺寸影響 143
5.5.2 載荷影響 144
5.5.3 表面粗糙度影響 144
5.5.4 表面處理影響 145
5.5.5 溫度影響 149
5.5.6 環境影響 150
思考題 151
習題 151
第6章 低周疲勞及應變-壽命方法 152
6.1 壓力容器的疲勞設計 152
6.2 低周循環應力-應變性能 153
6.2.1 循環應力-應變性能 153
6.2.2 瞬態性能：循環應變硬化和軟化 153
6.2.3 循環應力-應變曲線的測定 156
6.2.4 應力與塑性應變能的關系 157
6.2.5 低循環疲勞壽命的定義 158
6.3 應變-壽命曲線 158
6.4 考慮平均應力影響的疲勞壽命 161
6.5 疲勞損傷積累 163
6.6 疲勞設計規范 164
思考題 166
習題 166
第7章 斷裂力學和疲勞裂紋擴展 168
7.1 壓力容器的脆性斷裂 168
7.2 線彈性斷裂力學簡介 169
7.2.1 應力強度因子 169
7.2.2 塑性區尺寸 170
7.2.3 斷裂韌度 172
7.2.4 斷裂判據 172
7.3 彈塑性斷裂力學簡介 172
7.3.1 裂紋張開位移理論 172
7.3.2 J積分方法 175
7.4 結構防止斷裂的安全評定工程方法 176
7.4.1 全面屈服條件下的COD 176
7.4.2 CEGB雙判據法 179
7.4.3 EPRI方法 181
7.5 斷裂力學在疲勞問題上的應用 183
思考題 188
習題 188
第8章 高溫蠕變強度 189
8.1 單向拉伸蠕變試驗 189
8.2 復雜應力狀態下的蠕變方程式 191
8.3 厚壁圓筒的蠕變計算 192
思考題 194
第三篇 過程裝備結構應力分析
第9章 有限單元法簡介 197
9.1 彈性力學的有限單元法簡介 197
9.1.1 概述 197
9.1.2 有限單元分析過程 198
9.2 三角形常應變單元的有限元列式 202
9.2.1 單元位移 202
9.2.2 單元應變和應力 204
9.2.3 單元剛度矩陣 204
9.2.4 等效結點載荷 205
9.2.5 總剛度矩陣形成 207
9.2.6 算例 208
思考題 213
習題 213
第10章 ANSYS軟件介紹 215
10.1 初步認識ANSYS 215
10.1.1 ANSYS的功能 215
10.1.2 ANSYS的工作界面 216
10.1.3 ANSYS的幫助系統 224
10.2 ANSYS分析的基本步驟 225
10.2.1 定義單元類型 225
10.2.2 設置材料屬性 226
10.2.3 建立實體模型 228
10.2.4 網格劃分 229
10.2.5 加載與求解 230
10.2.6 后處理器 231
10.3 ANSYS實例分析——厚壁圓筒彈塑性分析 232
思考題 239
習題 239
參考文獻 241
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過程裝備固體力學基礎 節選
**篇彈塑性力及板殼理論 第1章彈性力學基本方法和平面問題解答 1.1彈性力學的基本方法 1.1.1彈性力學的內容 彈性力學是研究物體在彈性范圍內由于外載荷作用或物體溫度改變而產生的應力、應變和位移。就此而言，彈性力學的任務和材料力學是相似的。材料力學中關于彈性體的均勻連續假設和各向同性假設也適用于彈性力學。 彈性力學和材料力學的不同在于：材料力學主要研究桿件和比較簡單的桿件系統，且在研究桿件和桿件系統時，為簡化數學推導，在大量實驗觀察的基礎上，采用了關于變形和應力分布的假設，并以一個有限大的單元體作為研究對象；而彈性力學除了研究桿件外，還研究平面問題及空間問題，在研究這些問題時，并不采用變形和應力分布之類的假設，由于結構和受力的復雜性，以無限小的單元體作為研究和分析問題的出發點，并由力平衡方程、幾何方程和物理方程等構成數學-力學問題求解。 1.1.2彈性力學中的幾個基本概念 彈性力學中經常用到的基本概念有外力、應力、應變和位移。 作用于物體的外力可以分為體積力(體力)和表面力(面力)兩種。體力是分布在物體體積內的力，如重力和慣性力；面力是分布在物體表面上的力，如流體的壓力和接觸力。 物體在外力作用下將產生變形。為了反抗這種變形，其內部就要產生相互作用力，稱為內力。內力在各點的集度就是各點的應力。對于應力，通常用其沿作用截面的法線方向和切線方向的分量，即正應力和剪應力來表示。因為這些分量與物體的形狀改變或材料的強度有直接關系。 為了考察物體受載后內部某一點P的應力，在P點從物體內取出一個微小的正六面體，它的棱邊平行于坐標軸，長度為，如圖1-1所示。將每個面上的應力分解為一個正應力和兩個剪應力，分別與三個坐標軸平行。為了表明應力的作用面和作用方向，在正應力上加一個坐標角碼，如是指作用在垂直于x軸的面上，并與x軸方向平行的正應力；在剪應力上加兩個坐標角碼，前一個角碼表明作用面垂直于哪一個坐標軸，后一個角碼表明作用方向沿著哪一個坐標軸，如是指作用在垂直于x軸的面上而沿y軸方向的剪應力。如果某個截面上的外法線是沿著坐標軸的正方向，這個截面就稱為一個正面。在這個面上的應力分量就以沿坐標軸正方向為正，沿坐標軸負方向為負。反之，如果某個截面上的外法線是沿著坐標軸的負方向，這個截面就稱為一個負面，而在這個面上的應力分量就以沿坐標軸負方向為正，沿坐標軸正方向為負。圖1-1所示的應力分量全部都是正的。 六個剪應力之間具有一定的互等關系。例如，以連接正六面體前后兩面中心的直線為力矩軸，見圖1-1，寫出力矩平衡方程為 由此得到 同樣可以建立其余兩個相似的方程，可得出 這就證明了剪應力互等定律，即作用在兩個垂直面上且垂直于該兩面交線的剪應力是互等的，大小相等，正負號也相同。因此，剪應力記號的兩個角碼可以對調。 在九個應力分量中，只有六個獨立的未知量，即三個正應力和三個剪應力。與材料力學的分析相似，利用靜力平衡，過P點所作的任意斜截面上的應力都可用上述六個應力分量來確定。因此，這六個應力分量確定為P點的應力狀態。應力分析的目的就是確定物體受載后各點的六個應力分量，進而求得主應力，作為強度設計的依據。 物體的形狀可以用它各部分的長度和角度表示。因此，物體受外載后的變形也可以歸結為長度的改變和角度的改變。例如，求物體內某點P的變形，可在P點沿坐標軸x、y、z正方向取三個微小線段PA、PB、PC，如圖1-l所示。物體變形后，PA、PB、PC的長度以及它們之間的直角一般將改變。各線段的每單位長度的伸長或縮短稱為正應變，用字母表示；各線段之間的直角改變以弧度為單位，稱為剪應變，用字母表示。在正應變上加一個坐標角碼表示伸縮的方向，如表示x方向的線段PA的正應變；在剪應變上加兩個坐標角碼，表示兩方向線段之間的直角改變，如表示y與z兩方向的線段即PB與PC之間的直角改變。正應變以伸長為正，縮短為負；剪應變以直角變小為正，變大為負。這些規定和正應力、剪應力的符號規定是相對應的。 物體內任一點的位移用它在x、y、z三軸上的投影、、表示。沿坐標軸正方向為正，反之為負。這三個投影稱為該點的位移分量。 一般而論，彈性體內任意一點的體力分量、面力分量、應力分量、應變分量和位移分量隨著該點的位置而變，因而都是位置坐標的函數。彈性力學所研究的絕大多數是靜不定問題，必須綜合應用平衡(應力、體力、面力之間的關系)、幾何(應變、位移、邊界位移之間的關系)和物理(應力、應變之間的關系)三個方面的方程才能得到問題的解答。 1.1.3彈性力學的基本方程 1.平衡微分方程 在物體內任意一點P處割取一個微小的正六面體，如圖1-2所示。六面體垂直于坐標軸，沿x、y、z方向的長度分別為dx、dy、dz。因為應力分量是x、y、z坐標的函數，所以作用在小單元體三對面上的應力分量是不同的。 在垂直x軸的兩個面上應力分別為 在垂直y軸的兩個面上的應力分別為 在垂直z軸的兩個面上的應力分別為 因為正六面體是微小的，各面上所受的應力可以認為是均勻分布，其合力作用在對應面的中心。正六面體上的外力為體力，沿x、y、z軸的分量為X、Y、Z。體力X、Y、Z也可以認為是均勻分布的，其合力作用在體積中心。正六面體的受力情況如圖1-2所示。 由圖1-2所示的正六面體可列出三個靜力平衡方程： 沿x軸的力的平衡方程 化簡后，兩邊同除以，得。同理，由得，由得，即(1-1) 式(1-1)即為物體的平衡方程。對于這一微正六面體的力矩平衡條件，同樣可以導出剪應力互等定律(1-2) 2.幾何方程 當物體變形后的各點位移分量確定后，各微元體的應變分量也相應地確定了。所以位移分量與應變分量之間有著密切的關系，而這種關系純屬幾何方面的。在1.2節將給出平面問題幾何方程的推導，這里直接給出空間問題的幾何方程：(1-3) 式(1-3)給出了六個應變分量和三個位移分量之間的關系。 3.物理方程 在完全彈性的各向同性體內，應變分量與應力分量之間的關系式也就是物理方程，可以由在材料力學中已經得到的廣義胡克定律給出：(1-4) 式中，E為彈性模量；G為剪切彈性模量；為泊松比。這三個彈性常量之間有如下關系：(1-5) 以上導出的3個平衡微分方程[式(1-1)]、6個幾何方程[式(1-3)]和6個物理方程[式(1-4)]為彈性力學空間問題的15個基本方程。這15個基本方程中包含15個未知量：6個應力分量，6個應變分量，3個位移分量u、v、w。基本方程數目和未知函數的數目相等，在適當的邊界條件下是能得到解答的。 1.2彈性力學的平面問題 1.2.1平面應力和平面應變 任何彈性體都是空間物體，一般的外力都是空間力系。因此，任何一個實際的彈性力學問題都是空間問題。但是如果所考察的彈性體具有某種特殊的形狀，承受的是某種特殊的外力，就可以把空間問題簡化為平面問題。這樣處理可以大大減少分析和計算的工作量，且仍能滿足工程上的精度要求。 平面問題可分為平面應力問題和平面應變問題。當彈性體的一個方向尺寸很小，如薄板，在板的邊緣有平行于板面并沿板厚均勻分布的力作用，如圖1-3所示，圖中S為板厚。對于這類問題，由于兩個板面上無外載作用，因而兩個板面上的應力分量為零： 又因為板很薄，外力不沿厚度變化，應力沿著板厚度是連續分布的，所以在整個板內的所有點都有。六個應力分量只剩下平行于xoy面的三個應力分量，即，而且它們只是坐標x、y的函數，與z無關。這類問題稱為平面應力問題。 當彈性體的一個方向尺寸很大，如很長的柱形體，在柱形體的表面上有平行于橫截面而不沿長度變化的外力，如圖1-4(a)所示。若柱形體無限長，則柱形體任一點的應力分量、應變分量和位移分量都不沿z方向變化，而只是x、y的函數。此外，由于在z方向柱形體的結構型式和受力都相同，因此任一橫截面都可以看作是對稱面[圖1-4(b)]，而對稱面在z方向的位移必須為零，所以柱形體內任一點都只有x、y方向的位移u、v。由于對稱，這樣六個應力分量剩下四個，即和。這類問題稱為平面應變問題。 1.2.2平面問題的基本方程 1.平衡方程 對于平面應力問題。 對于平面應變問題，在z方向還作用有正應力，但是自成平衡的。 由式(1-1)，得平面問題中的平衡微分方程為(1-6) 兩個微分方程包含三個未知量，所以是靜不定問題，必須考慮變形關系，才能解出未知量。 2.幾何方程 現在推導平面問題中應變分量和位移分量間的關系式。在圖1-3所示薄板和圖1-4(b)所
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