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化工机械基础试题及答案


2003.6 《化工机械基础》试题答案(48 学时)
一、名词解释(10 分) 1、无力矩理论:在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用,该情况下的应力状态和承受 内压的薄膜相似,又称薄膜理论。 2、法兰的公称压力:以 16MnR 在 200℃时的力学性能为基础,其最大操作压力即为具有该 尺寸法兰的公称压力。 3、泊松比:弹性阶段杆件的横向应变与轴向应变之比的绝对值,称为

横向变形系数或泊松 比。是一无量纲的量,其数值随材料而异,也是通过试验测定的。

??

?? ?

4、同素异构转变:在固态下晶体构造随温度发生变化的现象,称同素异构转变。 0 5、热脆:硫以 FeS 的形态存在于钢中,FeS 和 Fe 形成低熔点(985 C)化合物,而钢材的热 0 0 加工温度一般在 1150 C-1200 C 以上,当钢材热加工时由于 FeS 化合物的过早熔化而导 致工件开裂,称为“热脆” 。 二.作图题(共 10 分) 根据受力图画出剪力图和弯矩图(10 分)

三、问答题(共 26 分) 1. Q235-A●F 代表 普通碳素钢 (钢种) ,其中 Q 为 屈服强度的头一个拼音字母 ,235 为 屈服强度值 , A 表示 质量等级 , F 表示 沸腾钢 ; 0Cr18Ni9 代表 铬镍不锈钢 (钢 种) ,18 表示 含铬 18% , 9 表示 含镍 9% ;ZL7 代表 铸铝 (钢种) ; H80 代表 黄 铜 (钢种) ,80 表示平均含铜 80% 。 (5 分)

2.埋弧自动焊的优缺点是什么?不锈钢焊接采用何种方法及其特点是什么?(5 分) 埋弧自动焊的优点:1)生产效率高;2)焊缝质量高;3)劳动条件好 缺点:不及手工电弧焊灵活,工件边缘准备和装配质量要求高、费工时,必须严格控制 焊接规范。 不锈钢焊接可采用氩弧焊,用氩气为保护介质,是惰性气体,既不与金属起化学反应也 不溶于液态金属,可避免焊接缺陷,获得高质量的焊缝。 3.什么是外压容器的失稳?简述外压容器侧向失稳的形式并说明如何通过失稳形势判断外 压容器的类型?(8 分) 容器强度足够,却突然失去原有的形状,筒壁被压瘪或发生褶皱,筒壁的圆环截面一瞬 间变成了曲波形,这种现象称为弹性失稳。其实质是容器筒壁内的应力状态有单纯的压应力 平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。 侧向失稳时壳体断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形, 产生的波形数 n=2 时, 为长圆筒; n>2 时,为短圆筒;如只发生强度破坏,无失稳则为刚性筒。 4、下列容器属一、二、三类容器的哪一类?(8 分) (1) 直径为 2000mm,设计压力为 10Mpa 的废热锅炉 (2) 设计压力为 0.6Mpa 的氟化氢气体储罐 (3) 设计压力为 1.0Mpa 的搪玻璃压力容器 (4) p 为 4Mpa 的剧毒介质容器 (1) 为三类容器; (2)为二类容器; (3)为二类容器; (4)为三类容器。 四、计算题(共 54 分) 1、 一个低合金钢内压反应釜,内径 Di ? 1000 ,工 mm,工作压力 2.0 MPa (装有安全阀) 作温度 300 C ,釜体采用单面手工电弧焊(有垫板) ,全部无损探伤,内部介质有轻微 腐蚀性,试设计反应釜筒体壁厚,并校核水压试验强度。 ( ?? ? ? 144MPa
t
0

?? ? ? 170MPa
钢板厚度 负偏差 6~7 0.6

? s ? 345MPa , ? T ?


pT ?Di ? ? e ? (10 分) ? 0.9?? s ) 2? e
36~40 1.1 42~50 1.2 52~60 1.3

钢板负偏差 Cl (mm) 8~25 0.8 26~30 0.9 32~34 1

解:设壁厚 11mm , C1 ? 0.8mm, C2 ? 1mm

?d ?

2?? ? ? ? p
t

pDi

?C ?

2 ? 1.05? 1000 ? 1.8 ? 9.97mm 2 ? 144? 0.9 ? 2 ? 1.05

圆整为规格钢板,取 ? n ? 10mm厚。

p ?D ? ? e ? ? 水压试验校核: ? T ? T i 2? e

1.25 ? 2 ? 1.05 ?

170 ?1000? 8.2? 144 ? 190.5MPa 2 ? 8.2

0.9?? s ? 0.9 ? 0.9 ? 345 ? 279.5MPa , ? T ? 0.9?? s ,所以水压试验时强度足够。
2、 低碳钢外压圆筒,外径 D0 ? 1040 mm,测量壁厚为 20 mm ,内部介质无腐蚀性,钢板 负偏差 C1 ? 0.8mm,筒体长 5000 mm ,两侧为椭圆封头,凸面高度 300 mm ,求该筒 体的许用外压。 (弹性模量为 2 ? 10 MPa ) (6 分)
5

解: Lcr ? 1.17 ? 1040

1040 ? 8955 m m 属短圆筒, 19.2
2.5

? 19.2 ? ? ? pcr 5 ? 1040? ? 1.6MPa pcr ? 2.59 ? 2 ? 10 ? 4.80M P a , ? p ? ? m ? 5200? ? ? ? 1040?
3、 截面直杆如图,已知: A1 ? 2cm , A2 ? 4cm ,
2 2

A3 ? 6cm2 , E ? 200GN / m 2 ,求出各截面的轴
力,画出轴力图,并求杆的总伸长。 (10 分) 解:

?L ? ?

P1 L1 P2 L2 P3 L3 ? ? EA1 EA2 EA3

? 20 ? 1.0 ? 103 20 ? 1.5 ? 103 ? 200? 109 ? 2 ? 10? 4 200? 109 ? 4 ? 10? 4 ? 50 ? 1.2 ? 103 ? 200? 109 ? 6 ? 10? 4 ? ?6.25 ? 10? 4 m ? ?0.625m m

4 、 已 知 E ? 200GPa , 梁 的 直 径 为 50mm , M ? 2kN .m , a ? 0.2m , L ? 0.3m ,求危险横截面上最大正应力,并求悬 臂梁的挠曲线方程和自由端的挠度和转角。 (12 分) 解:

? max ?

M max ? y max 2 ? 103 ? 0.05 / 2 ? ? 163MPa ? JZ 4 0.05 64

1 EJ Z f ?? ? ?M ,积分: EJ Z f ? ? ?Mx ? D , EJ Z f ? ? Mx 2 ? Dx ? F 2

边界条件: x ? 0 时, f ? 0, f ? ? 0 ,解得: F ? 0, D ? 0 悬臂梁的挠曲线方程为: f ?
?M 2 x ? ?1.63? 10?2 x 2 , ( 0 ? x ? a ) 2 EJ Z

f ?

?M 2 Ma Ma a a ? ?x ? a ? ?? ( x ? ) ? ?6.52 ? 10?3 ( x ? 0.1) , a ? x ? l 2 EJ Z EJ Z EJ Z 2 Ma ? ?6.52 ? 10?3 rad EJ Z Ma a ( L ? ) ? ?1.30 ? 10?3 m EJ Z 2

自由端的转角: ? B ? ? C ? ?

自由端的挠度: f B ? f C ? ? C ( L ? a) ? ?

5、如图所示,扭矩 M n ? 2kN.m ,轴向力 P ? 100 kN ,作用在直径 D ? 50 mm 的钢轴上 若 ?? ? ? 170MPa ,求圆轴外圆周的危险点 A 处(1)主应力的大小; (2)主平面位置; (3)最大剪应力; (4)分别用第三、第四强度理论计算该点的相当应力。 (12 分)

解: ? x ? ?

P ? ?50.93MPa , ? y ? 0 A
2

? xy ?

?

Mn D
3

? ?81.49MPa

16

? max ? x ? ? y ?? x ?? y ? ? ? ? ? min 2 2 ?
tg 2? 0 ? ? 2? xy

59.92M P a ? 2 ? ? ? ? xy ? ? 110.84M P a ?

? x ?? y

? ?3.2

? 0 ? ?36.320 或53.680

因为 ? x ? ? y , ? 0 max ? 450 ,所以 ? 0 max ? 53.680

? 1 ? 59.92MPa
? max ? ?1 ?? 3
2

?2 ? 0

? 3 ? ?110.84MPa

? 85.38MPa

? r 3 ? ? 1 ? ? 3 ? 170.8MPa ? ?? ?
?4 ?
1 ?? 1 ? ? 2 ?2 ? ?? 2 ? ? 3 ?2 ? ?? 3 ? ? 1 ?2 ? 150.1MPa ? ?? ? 2

?

?

6、一设备法兰的操作温度为 2800C,工作压力为 0.4MPa,当材料为 Q235-A 和 15MnVR 时 应分别按何种公称压力级别确定法兰的几何尺寸。 (4 分)

解:Q235-A 应按公称压力 1.0MPa 级别确定法兰的几何尺寸。 15MnVR 应按公称压力 0.6MPa 级别确定法兰的几何尺寸。


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