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第1篇 工程力学基础3

第1章 引言3

1.1构件3

1.2强度、刚度与稳定性3

1.3基本变形形式4

第2章 轴向拉伸与压缩5

2.1拉伸与压缩的基本概念5

2.2物体的内力 截面法6

2.2.1内力的概念6

2.2.2截面法求内力6

2.3拉伸与压缩时的应力分析8

2.3.1应力的概念8

2.3.2轴向拉压时横截面上的应力9

2.4拉伸与压缩变形 胡克定律11

2.4.1纵向变形11

2.4.2横向变形12

2.4.3胡克定律12

2.5轴向拉伸与压缩时的强度计算14

2.5.1许用应力与安全系数14

2.5.2轴向拉伸与压缩时的强度条件15

2.6热应力的概念18

2.7应力集中的概念19

习题20

第3章 剪切与圆轴扭转23

3.1剪切与挤压23

3.1.1剪切23

3.1.2挤压25

3.1.3剪切与挤压的强度计算26

3.1.4剪应变与剪切胡克定律简介30

3.2扭转31

3.2.1扭转的基本概念31

3.2.2扭转时外力的计算32

3.2.3扭转时内力的计算33

3.3圆轴扭转时的应力及强度条件37

3.3.1剪应变分布规律37

3.3.2剪应力分布规律38

3.3.3以静力平衡求剪应力39

3.3.4截面的几何性质、强度条件40

3.4圆轴扭转时的变形及刚度条件42

3.4.1圆轴扭转时的变形分析42

3.4.2圆轴扭转时的刚度条件42

习题48

第4章 梁的弯曲52

4.1基本概念52

4.2弯曲时的内力分析54

4.2.1弯曲内力54

4.2.2剪力和弯矩符号规则55

4.3弯矩图56

4.4弯曲时的应力和强度计算61

4.4.1平面假设与变形的几何关系61

4.4.2物理方程与应力分布63

4.4.3静力平衡方程63

4.4.4弯曲正应力公式适用范围的讨论64

4.5截面几何性质65

4.5.1常用截面的几何性质66

4.5.2组合截面的几何性质67

4.6弯曲正应力的强度条件69

4.7梁的优化设计73

4.7.1支承的合理安排73

4.7.2载荷的合理布置74

4.7.3截面形状的合理设计75

4.8梁的弯曲变形77

4.8.1梁的弹性曲线、挠度和转角77

4.8.2弹性曲线的近似微分方程78

4.8.3用叠加法求梁的变形82

4.8.4梁的刚度校核 提高抗弯刚度的措施82

习题83

第5章 强度理论与组合变形88

5.1强度理论简介88

5.2组合变形的概念89

5.3拉伸（压缩）与弯曲组合变形90

5.4扭转与弯曲组合变形94

5.4.1扭转与弯曲组合变形时的应力分析95

5.4.2扭转与弯曲时的强度计算95

习题98

第6章 压杆稳定101

6.1工程中的稳定性问题101

6.2两端球铰支细长压杆的临界力103

6.3杆端不同约束条件下细长压杆的临界力104

6.4压杆临界应力与欧拉公式的适用范围107

6.4.1临界应力和柔度107

6.4.2欧拉公式的适用范围108

6.4.3中柔度压杆的临界应力公式108

6.5压杆稳定性校核110

6.5.1压杆稳定性安全准则110

6.5.2压杆稳定性校核的安全系数法111

6.6工程中提高压杆稳定性的措施112

6.7其他构件稳定问题简介113

习题115

第2篇 化工设备材料119

第7章 材料基础知识119

7.1钢材生产基本知识119

7.1.1炼钢炉119

7.1.2炉外精炼120

7.1.3脱氧工艺120

7.1.4几个基本术语121

7.1.5钢材分类121

7.1.6钢铁牌号及表示方法123

7.1.7钢材的热处理124

7.2材料的性能126

7.2.1力学性能126

7.2.2物理性能131

7.2.3化学性能132

7.2.4工艺性能133

第8章 化工设备材料及其选择135

8.1碳钢135

8.2低合金钢及化工设备用特种钢136

8.2.1合金元素对钢性能的影响136

8.2.2低合金钢138

8.2.3锅炉和压力容器用钢板138

8.2.4不锈耐酸钢139

8.2.5耐热钢141

8.2.6低温用钢141

8.2.7钢材的品种和规格142

8.2.8化工设备用钢的选材原则143

8.3有色金属材料145

8.3.1铝及其合金145

8.3.2铜及其合金146

8.3.3铅及其合金146

8.3.4钛及其合金147

8.4非金属材料147

8.4.1无机非金属材料147

8.4.2有机非金属材料148

第9章 化工设备的腐蚀及防腐措施150

9.1金属的腐蚀150

9.1.1金属腐蚀的评定方法150

9.1.2化学腐蚀151

9.1.3电化学腐蚀153

9.2晶间腐蚀和应力腐蚀154

9.3金属腐蚀破坏的形式156

9.4金属设备的防腐措施156

习题157

第3篇 化工容器设计163

第10章 容器设计的基本知识163

10.1容器的分类与结构163

10.1.1容器的分类163

10.1.2容器的结构166

10.2容器零部件的标准化166

10.2.1标准化的意义166

10.2.2标准化的基本参数167

10.3压力容器的安全监察168

10.3.1我国压力容器的基本状况168

10.3.2我国压力容器安全监察体制169

10.4现行压力容器安全监察法规、规范介绍170

10.5压力容器建造标准规范174

10.5.1压力容器建造标准的基本内容174

10.5.2压力容器标准化体系175

10.6压力容器国内外标准简介176

10.6.1各国主要压力容器标准的性质和地位176

10.6.2各国压力容器分类的原则176

10.6.3各国主要标准的压力适用范围177

10.6.4在标准中及时体现先进技术的应用177

10.6.5我国主要压力容器建造标准简介178

10.7《钢制压力容器》简介179

10.7.1适用范围179

10.7.2不适用范围179

10.7.3超出标准规定范围的设计问题180

10.8设计载荷条件180

10.9 压力容器设计寿命181

10.10 容器机械设计的基本要求182

习题183

第11章 内压薄壁容器的应力分析185

11.1回转壳体的应力分析——薄膜应力理论185

11.1.1薄壁容器及其应力特点185

11.1.2基本概念与基本假设186

11.1.3经向应力计算公式——区域平衡方程式187

11.1.4环向应力计算公式——微体平衡方程式189

11.1.5轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围191

11.2薄膜理论的应用191

11.2.1受气体内压的圆筒形壳体191

11.2.2受气体内压的球形壳体192

11.2.3受气体内压的椭球壳体（椭圆形封头）193

11.2.4受气体内压的锥形壳体195

11.2.5受气体内压的碟形壳体（碟形封头）196

11.2.6例题199

11.3内压圆筒边缘应力200

11.3.1边缘应力的概念200

11.3.2边缘应力的特点201

11.3.3对边缘应力的处理202

习题203

第12章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计206

12.1强度设计的基本知识206

12.1.1关于弹性失效的设计准则206

12.1.2强度理论及其相应的强度条件207

12.2内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计208

12.2.1强度计算公式208

12.2.2设计参数的确定210

12.2.3容器的厚度和最小厚度219

12.2.4压力试验及其强度校核220

12.2.5例题225

12.3内压圆筒封头的设计227

12.3.1半球形封头228

12.3.2椭圆形封头228

12.3.3碟形封头229

12.3.4球冠形封头230

12.3.5锥形封头232

12.3.6平板封头237

12.3.7例题241

12.3.8封头的选择243

习题246

第13章 外压圆筒与封头的设计249

13.1概述249

13.1.1外压容器的失稳249

13.1.2容器失稳型式的分类249

13.2临界压力250

13.2.1临界压力的概念250

13.2.2影响临界压力的因素250

13.2.3弹性失稳的理论计算方法252

13.2.4长圆筒、短圆筒和刚性圆筒253

13.2.5临界压力的理论计算254

13.2.6临界长度255

13.3外压圆筒的工程设计255

13.3.1设计准则255

13.3.2外压圆筒壁厚设计的图算法256

13.3.3外压容器的试压264

13.3.4例题264

13.4轴向受压圆筒失稳计算265

13.5外压球壳与凸形封头的设计266

13.5.1外压球壳和球形封头的设计266

13.5.2凸面受压封头的设计267

13.5.3例题267

13.6外压圆筒加强圈的设计268

13.6.1加强圈的作用与结构268

13.6.2加强圈的间距269

13.6.3加强圈的尺寸设计269

13.6.4加强圈与圆筒间的连接270

13.6.5例题271

习题272

第14章 容器零部件275

14.1法兰连接275

14.1.1法兰连接结构与密封原理275

14.1.2法兰的结构与分类276

14.1.3影响法兰密封的因素278

14.1.4法兰标准及选用285

14.2容器支座296

14.2.1卧式容器支座296

14.2.2立式容器支座303

14.3容器的开孔补强304

14.3.1开孔应力集中现象及其原因304

14.3.2开孔补强设计原则、形式与结构306

14.3.3等面积补强设计方法309

14.3.4例题315

14.4容器附件316

14.4.1接管316

14.4.2凸缘316

14.4.3手孔与人孔317

14.4.4视镜318

14.5容器设计举例318

14.5.1罐体壁厚设计318

14.5.2封头厚度设计319

14.5.3鞍座319

14.5.4人孔320

14.5.5人孔补强322

14.5.6接管322

14.5.7设备总装配图323

习题325

第4篇 典型化工设备的机械设计331

第15章 管壳式换热器的机械设计331

15.1概述331

15.1.1换热器的类型331

15.1.2换热器的选型332

15.2管壳式换热器334

15.2.1基本类型334

15.2.2总体设计336

15.3管壳式换热器的主要部件与结构设计337

15.3.1管板337

15.3.2管束338

15.3.3管子与管板的连接340

15.3.4管箱342

15.3.5管板与壳体的连接343

15.3.6管板与管箱的连接344

15.3.7管束分程345

15.3.8折流板和支承板346

15.3.9 拉杆和定距管348

15.3.10 进、出口接管349

15.3.11 防冲和导流349

15.3.12 排液口和排气口350

15.3.13 支座350

15.4管板的计算与校核350

15.4.1基本假设350

15.4.2影响管板应力的因素351

15.4.3计算与校核352

15.5温差应力及膨胀节设置352

15.5.1温差引起的应力计算352

15.5.2管子拉脱力计算及校核353

15.5.3温差应力的补偿354

15.5.4膨胀节结构及设置355

15.6热管及热管换热器357

15.6.1热管357

15.6.2热管换热器359

第16章 塔设备设计363

16.1概述363

16.1.1塔设备的作用和类型363

16.1.2塔类型选择363

16.1.3对塔设备的要求364

16.2板式塔364

16.2.1设计内容364

16.2.2总体结构及分类365

16.2.3塔盘结构365

16.3填料塔377

16.3.1设计内容377

16.3.2总体结构378

16.3.3填料类型及选用378

16.3.4液体的分布装置和再分布装置382

16.3.5填料的支承装置387

16.3.6填料压板和床层限制板388

16.4辅装置及附件389

16.4.1裙座389

16.4.2除沫器390

16.4.3接管391

16.4.4吊柱395

16.5塔设备的机械设计396

16.5.1塔体的机械设计396

16.5.2裙座的机械设计407

16.6塔体与裙座的机械设计举例415

习题421

附录422

附录1 常用金属材料的物理性能422

附录2 优质碳素结构钢的钢号和化学成分（GB 711—88）423

附录3 碳素结构钢的钢号、化学成分及力学性能424

附录4 锅炉和压力容器用钢板（GB 713—2008）425

附录5 螺栓、螺母材料组合及适用温度范围427

附录6 钢板、钢管、锻件和螺栓的许用应力428

附录7 图13-6和图13-8～图13-15数据表（GB 150—1998）438

附录8 长颈法兰的最大允许工作压力（JB/T 4700—2000）444

附录9 甲型、乙型平焊法兰和长颈法兰螺柱材料的选用445

附录10 甲型平焊法兰、乙型平焊法兰尺寸系列448

附录11 管法兰标准（HG 20592—97）451

附录12 双鞍式支座标准（JB/T 4712—92）462

附录13 耳式支座标准（JB/T 4725—92）472

附录14 裙座上开设检查孔处的断面模数及面积474

附录15 裙座标准系列尺寸475

参考文献478