Прикладная механика: Рабочая программа

1 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра теоретической и прикладной механики

ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА Рабочая программа

Факультет технологии веществ и материалов Направления и специальности подготовки дипломированного специалиста: 651300 – металлургия 110400 – литейное производство черных и цветных металлов (специализация: 110409 – литейное производство и экономика металлургии) 654900 – химическая технология неорганических веществ и материалов 250200 – химическая технология неорганических веществ 655000 – химическая технология органических веществ и топлива 250100 – химическая технология органических веществ 656600 – защита окружающей среды 330200 – инженерная защита окружающей среды Направления подготовки бакалавра: 550500 – металлургия 550800 – химическая технология и биотехнология 553500 – защита окружающей среды

Санкт-Петербург 2005

2 Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 531.8.075.8 Прикладная механика: Рабочая программа. – СПб: Изд-во СЗТУ, 2005. – 16 с. Рабочая программа разработана в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированных специалистов: 651300 – «Металлургия» (специальность 110400 – «Литейное производство черных и цветных металлов», специализация 110409 – «Литейное производство и экономика металлургии»); 654900 – «Химическая технология неорганических веществ и материалов» (специальность 250200 – «Химическая технология неорганических веществ»); 655000 – «Химическая технология органических веществ и топлива» (специальность 250100 – «Химическая технология органических веществ»); 656600 – «Защита окружающей среды» (специальность 330200 – «Инженерная защита окружающей среды») и направлениям подготовки бакалавра: 550500, 550800, 553500. Методический сборник содержит рабочую программу, вопросы для самопроверки, тематический план лекций и практических занятий, перечень литературы. Рассмотрено на заседании кафедры теоретической и прикладной механики 6 июня 2005 г., одобрено методической комиссией факультета системного анализа и естественных наук 13 июня 2005 г.

Рецензенты: кафедра теоретической и прикладной механики СЗТУ (заведующий кафедрой В.В. Гурецкий, д-р техн. наук, проф.); Ю.А. Семенов, доц. кафедры теории механизмов и машин СанктПетербургского государственного технического университета. Составители: К.У. Кутыев, канд.техн. наук, доц.; О.А. Румянцев, канд.техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2005

3 Предисловие Прикладная механика – наука об изучении принципов структурного, кинематического, динамического анализа и синтеза механизмов, построении расчетных моделей и алгоритмов расчета элементов конструкций на прочность и жесткость, конструировании типовых передачных механизмов и соединений деталей. Прикладная механика базируется на физико-математической подготовке студентов по математике, физике, теоретической механике, инженерной графике и является основой специальных курсов по проектированию машин. 1. Содержание дисциплины 1.1.

Рабочая программа

(объем дисциплины 100 часов) Введение Роль прикладной механики в развитии комплексной механизации и автоматизации производственных процессов. Роль отечественных ученых в формировании и развитии механики. Содержание и задачи курса. Его место в синтезе общенаучных, общетехнических и специальных дисциплин. Раздел 1. Теоретические основы расчетов механизмов 1.1.

Структура механизмов

[1], c.7. . .17; [2], c.18. . .49; [4], c.10. . .21 Определение понятий «звено», «кинематическая пара», «механизм», «машина», «автоматическая линия». Звенья: ведущие и ведомые, входные и выходные. Классификация кинематических пар. Кинематические схемы основных видов механизмов: рычажных, фрикционных, с гибкими связями, кулачковых, зубчатых. Определение степени подвижности плоских и пространствен-

4 ных механизмов по структурным формулам. Избыточные связи. Метод инверсии. Последовательные и параллельные соединения механизмов. Вопросы для самопроверки 1. Что называется механизмом? Для чего предназначены механизмы? 2. Дайте определение звена. Какое звено называется ведущим, а какое ведомым? 3. Что называется кинематической парой? 4. Как классифицируют кинематические пары? 5. По каким признакам определяют класс кинематической пары? 6. Что называется кинематической цепью? 7. Что представляет собой кинематическая схема механизма? 8. В чем состоит метод инверсии механизмов? 9. Изобразите кинематические схемы механизмов, полученных методом инверсии из четырехзвенной кинематической цепи. 10. Напишите структурную формулу для определения степени подвижности плоского механизма. 1.2.

Кинематика механизмов

[2], c.59. . .72, 75. . .89, 109. . .118, 126. . .136; [4], c.21. . .31; [1], c.203. . .212 Методы кинематического анализа. Кинематическое исследование механизмов аналитическим методом. Определение положения точек звеньев способом преобразования координат. Функция положения и закон движения звена механизма. Кинематический анализ плоских механизмов путем построения планов скоростей и ускорений. Кинематический синтез механизмов. Вопросы для самопроверки 1. Назовите основные методы кинематического анализа механизмов, перечислите их основные особенности, преимущества и недостатки.

5 2. Что представляет собой функция положения звена механизма? Как она определяется? 3. Как определяются скорости и ускорения точек звеньев механизма с помощью планов? 4. Как определяются скорости и ускорения точек звеньев с использованием графического дифференцирования? 1.3.

Основы динамики механизмов

[1], c.320. . .343; [2], c.139. . .173, 180. . .185, 201. . .243; [4], c.31. . .49 Силы, действующие на звенья механизмов. Силы трения в кинематических парах. Общий КПД последовательно и параллельно соединенных механизмов. Приведение сил и моментов сил к одному звену. Приведение масс и моментов инерций к одному звену. Уравнения движения механизма в энергетической и дифференциальной формах. Режимы движения. Неравномерность движения. Понятие о регулировании движения. Уравновешивание и балансировка звеньев механизма. Колебания в механизмах и машинах. Вопросы для самопроверки 1. Перечислите силы, действующие на звенья механизмов. 2. Как определяют общий КПД последовательно и параллельно соединенных механизмов? 3. С какой целью осуществляют приведение сил и моментов сил к одному звену? Напишите формулу приведения. 4. Как определяют приведенный момент инерции и приведенную массу звеньев механизма? 5. Напишите уравнение движения механизма в форме интеграла энергии. 6. Объясните причины неравномерного вращения звеньев механизма. Каково назначение маховика?

6 Раздел 2. Основы расчета элементов конструкций на прочность и жесткость 2.1. Основные понятия. Общие принципы расчета элементов конструкций [1], c.27. . .35; [3], c.3. . .25 Простейшие элементы конструкций: стержень, пластина, оболочка, массив. Основные допущения о свойствах реальных материалов конструкций. Внешние и внутренние силы. Метод сечений. Напряжения нормальные и касательные. Допускаемые напряжения и условие прочности. Вопросы для самопроверки 1. Сформулируйте основные допущения, принимаемые при расчетах реальных конструкций. 2. В чем заключается метод сечений? 3. Дайте определения нормального и касательного напряжений. 4. В чем заключается условие прочности в общем виде? 5. Дайте определения упругой и пластичной деформации. 2.2. Растяжение и сжатие. Сдвиг [1], c.35. . .50, 52. . .54; [3], c.23. . .35, 46. . .73, 78. . .87 Напряжения при растяжении и сжатии в поперечных и наклонных сечениях. Продольные деформации. Закон Гука. Модуль прочности. Коэффициент Пуассона. Механические характеристики материалов при растяжении и сжатии. Пределы пропорциональности, упругости, текучести, прочности. Сдвиг. Напряжения и деформации при чистом сдвиге. Закон Гука при сдвиге. Модуль сдвига. Закон парности касательных напряжений. Вопросы для самопроверки 1. Как определяют напряжения в поперечных сечениях стержня при растяжении и сжатии?

7 2. В чем состоит сущность закона Гука при растяжении и сжатии? 3. Как определяют продольные деформации при растяжении и сжатии? 4. Как определяется коэффициент Пуассона? 5. Как определяют напряжения в наклонных сечениях при растяжении и сжатии? 6. Как определяются пределы пропорциональности, упругости, текучести, прочности? 7. Что представляет собой чистый сдвиг? 8. Как определяют напряжения при сдвиге? 9. Как формулируется закон Гука при сдвиге? 10. Что называется модулем сдвига? 2.3. Кручение [1], c.55. . .59; [3], c.87. . .114 Кручение цилиндрического стержня. Эпюры крутящих моментов. Определение напряжений в поперечных сечениях стержня при кручении. Условие прочности. Деформации при кручении. Эпюры напряжений и углов закручивания. Рациональная форма поперечного сечения стержня при кручении. Вопросы для самопроверки 1. Как определяется крутящий момент в поперечном сечении цилиндрического стержня? 2. Как определяются напряжения при кручении? 3. Постройте эпюру распределения напряжений в поперечном сечении цилиндрического стержня при кручении. 4. От чего зависит угол закручивания стержня? 5. Какова рациональная форма поперечного сечения стержня при кручении?

8 2.4. Изгиб стержней [1], c.67. . .85; [4], c.123. . .181 Плоский, чистый и поперечный изгибы. Определение поперечных сил и изгибающих моментов, построение эпюр. Геометрические характеристики сечений. Напряжения при чистом изгибе. Расчет прочности стержня при изгибе. Приближенное дифференциальное уравнение оси изогнутого стержня. Расчет на жесткость стержня при изгибе. Вопросы для самопроверки 1. Что представляет собой чистый и поперечный изгибы? 2. Как определяются поперечные силы и изгибающие моменты в сечениях стержня? 3. Каковы правила знаков для поперечной силы и изгибающего момента? 4. Что называется моментом инерции и осевым моментом сопротивления сечения стержня? 5. Как определяются нормальные напряжения в любой точке поперечного сечения стержня? 6. Напишите приближенное дифференциальное уравнение оси изогнутого стержня. 7. Как определяются прогибы и углы поворота сечений изогнутого стержня? 2.5. Устойчивость сжатых стержней [1], c.90. . .92; [3], c.242. . .261 Понятие устойчивости. Критическая нагрузка. Устойчивость сжатых стержней. Формула Эйлера. Влияние способов закрепления стержня на устойчивость. Вопросы для самопроверки 1. В чем заключается потеря устойчивости сжатого стержня?

9 2. Под влиянием каких факторов происходит потеря устойчивости? 3. Дайте определение критической силы. 4. Приведите формулы Эйлера для критической силы и критического напряжения. 5. Как влияет способ закрепления концов сжатого стержня на значение критической силы? 2.6. Напряженное и деформированное состояние при сложном сопротивлении [1], c.59. . .67, 85. . .90; [3], c.202. . .237 Напряженное состояние в точке. Пространственное и плоское напряженное состояние. Главные напряжения и главные площадки. Гипотезы прочности. Гипотеза наибольших касательных напряжений. Сложное сопротивление. Изгиб с растяжением. Кручение с изгибом, растяжением. Вопросы для самопроверки 1. Что представляют собой главные площадки и главные напряжения? 2. Каково назначение гипотез прочности? 3. Напишите расчетную формулу эквивалентного напряжения по третьей гипотезе прочности для стержня, испытывающего кручение и изгиб. 2.7. Местные и контактные напряжения. Прочность материалов при переменных напряжениях [1], c.94. . .102; [3], c.73. . .78, 119. . .120, 279. . .294 Концентрация напряжений в зависимости от формы деталей. Коэффициент концентрации. Контактные напряжения. Усталостная прочность материала. Кривые усталости и предел выносливости. Повышение предела выносливости конструктивными и технологическими мероприятиями.

10 Вопросы для самопроверки 1. Какие факторы вызывают концентрацию напряжений? 2. Что называется эффективным коэффициентом концентрации напряжений? 3. Что понимают под усталостным разрушением материала? 4. Дайте определение предела выносливости. 5. Каким образом определяется предел выносливости при симметричном цикле нагружения? 6. Какие факторы влияют на значение предела выносливости? Раздел 3. Основы проектирования и расчеты деталей, узлов, механизмов и машин 3.1. Общие вопросы проектирования [1], c.4. . .7, 17. . .24, 110. . .122; [5], c.4. . .22 Этапы проектирования и конструирования механизмов и машин. Требования к конструкциям механизмов химического оборудования. Понятие о системах автоматизированного проектирования (САПР). Конструктивные материалы, их физико-механические свойства. Основы взаимозаменяемости и стандартизации. Допуски и посадки, размерные цепи. Вопросы для самопроверки 1. Перечислите основные требования, предъявляемые к конструкциям механизмов химического оборудования. 2. Чем характеризуется надежность работы механизмов и машин? 3. Какие физико-химические и технологические свойства учитываются при выборе материала для деталей механизмов? 4. Чем обуславливается выбор вида сопряжения, квалитета, шероховатости поверхности соединяемых деталей? 5. Какие задачи ставятся при автоматизации проектных работ?

11 3.2. Соединения деталей машин [1], c.198. . .201, 278. . .314; [4], c.84. . .92 Типа соединений и области их применения. Резьбовые соединения. Основные виды и конструкции резьбовых соединений. Шпоночные соединения. Виды шпонок. Расчет на прочность шпоночных соединений. Сварные соединения, виды сварных швов. Вопросы для самопроверки 1. Назовите виды сварных соединений. 2. Как рассчитывают прочность шпоночных соединений? 3. Укажите виды сварных швов. 3.3. Механические передачи [1], c.122. . .182, 192. . .198; [4], c.21. . .45 Назначение и классификация зубчатых передач. Основная теорема зацепления. Основы теории эквивалентного зацепления. Прямозубые и косозубые передачи и их основные геометрические параметры. Силы, действующие в зацеплении колес. Расчет зубьев на контактную и изгибную прочностью. Особенности расчета конических и червячных передач на прочность. Планетарные зубчатые передачи. Кинематика и особенности силового расчета. Основные виды фрикционные передач. Расчет кинематических и геометрических параметров. Определение усилий в передаче. Передачи с гибкими связями (ременные и цепные). Достоинства и недостатки передач с гибкими связями. Конструкции зубчатых, фрикционных, ременных и цепных передач. Вопросы для самопроверки 1. Перечислите основные виды зубчатых передач. 2. Сформулируйте основную теорему зацепления.

12 3. Что такое эвольвентное зацепление? 4. Перечислите основные параметры эвольвентного зацепления. 5. Какие силы действуют в зацеплении цилиндрических зубчатых передач? 6. Как производится расчет на изгибную и контактную прочность? 7. Как определяются силы, действующие в зацеплении конических передач? 8. Какие силы действуют в зацеплении червячной передачи и как их определяют? 9. Какие механизмы называются планетарными? 10. Поясните особенности кинематики планетарной передачи. 11. Как определяются передаточные отношения в цилиндрических и конических фрикционных передачах? 12. Каковы достоинства и недостатки передач с гибкими связями? 3.4. Валы. Опоры. Муфты [1], c.232. . .273; [4], c.47. . .70 Валы и оси, их конструкции и назначения. Материалы осей и валов. Расчетные схемы. Расчет на прочность и жесткость. Подшипники качения. Основные типы и конструкции. Выбор сопряжений для установки подшипников на вал и в корпус. Подбор подшипников по статической и динамической грузоподъемности. Подшипники скольжения. Типы подшипников скольжения. Критерии работоспособности. Конструкции опорных узлов в оборудовании химического машиностроения. Смазка подшипников от загрязнения и удерживания смазки. Муфты, их классификация. Конструкции и область применения. Выбор типа муфты и ее расчет. Вопросы для самопроверки 1. Какие силы действуют на вал зубчатого редуктора? 2. Как производит расчет валов на прочность?

13 3. Как классифицируют подшипники качения в зависимости от формы тел качения и направления воспринимающей нагрузки? 4. Укажите типы подшипников скольжения. 5. Дайте сравнительную характеристику подшипников скольжения и качения. 6. Поясните методику подбора подшипников качения. 7. Перечислите основные типы муфт и укажите их применение в механизмах химического оборудования. 8. По каким основным параметрам подбирают муфты? 3.5. Корпусные детали, уплотнительные устройства [1], c.273. . .277; [5], c.74. . .82 Корпусные и несущие детали механизмов. Требования, предъявляемые к корпусным деталям. Конструктивные особенности деталей в зависимости от их назначения. Вопросы для самопроверки 1. Каковы конструктивные особенности корпусных деталей различного назначения? 2. Перечислите требования, предъявляемые к корпусным и несущим деталям. 3. Изобразите конструкции герметических уплотнений. 4. Каково назначение уплотнительных устройств подвижных деталей? 5. Назовите способы уплотнения валов зубчатых редукторов.

14 1.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (16 часов) Темы лекций

Объем, ч

Введение. Структура механизмов. Кинематика механизмов. Динамика механизмов. Расчет элементов конструкций на прочность и жесткость при растяжении, сдвиге кручении, изгибе. 5. Расчет элементов конструкций при сложном напряженном состоянии. 6. Расчет и проектирование зубчатых цилиндрических передач. 7. Расчет и проектирование конических, червячных и планетарных передач.

2 2 2

1. 2. 3. 4.

4 2 2 2

1.3. Перечень тем практических занятий (8часов) Темы лекций 1. Структурный анализ. Определение степени подвижности механизмов. Определение функции положения выходного звена. 2. Приведение масс и моментов инерции к одному звену. Уравновешивание вращающихся звеньев. 3. Построение эпюр крутящихся моментов, поперечных сил и изгибающих моментов. 4. Расчет зубьев колес на контактную и изгибную прочность

Объем, ч 2 2 2 2

1.4. Перечень лабораторных занятий (8 часов) Темы лекций 1. Составление кинематических схем и структурный анализ механизмов. 2. Определение основных механических характеристик материалов. 3. Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона стали при растяжении 4. Анализ конструкции зубчатого и цилиндрического редуктора

Объем, ч 2 2 2 2

15 1.5. Тематика курсового проекта Курсовой проект предусматривает решение комплексной задачи, включающей структурное, кинематическое, динамическое исследование машинного агрегата; расчет и проектирование редуктора. Задание на курсовой проект и методические указания к его выполнению изложены в брошюре «Прикладная механика: Методические указания к выполнению курсового проекта». – СПб.: СЗТУ, 20001. – 38 с. 2. Библиографический список Основной: 1.Иосилевич Г.В. и др. Прикладная механика. – М.: Высш. школа. 1989. – 576 с. 2. Теория механизмов и машин. Под ред. Фролова К.В. – М.: Высш. школа. 1987. – 496 с. 3. Степин П.А. Сопротивление материалов. . – М.: Высш. школа. 1988. – 355 с. 4. Недоступ А.П., Рогачев В.М. Прикладная механика: Основы машин и механизмов. – СПб.: СЗПИ. 1993. – 96 с. Дополнительный: 5. Иванов А.И., Рогачев В.М. Прикладная механика: Конструкции и условия работы деталей машин. – СПб.: СЗПИ. 1993. 6. Ковалев Н.А. Прикладная механика. – М.: Высш. школа. 1982. – 488 с.

16 Содержание Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1. Содержание дисциплины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1. Рабочая программа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Раздел 1. Теоретические основы расчета механизмов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Раздел 2. Основы расчета элементов конструкций на прочность и жесткость. . .6 Раздел 3. Основы проектирования и расчеты деталей узлов механизмов и машин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения. . .14 1.3. Перечень тем практических занятий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 1.4. Перечень лабораторных занятий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5. Тематика курсового проекта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 2. Библиографический список. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Редактор М.Ю. Комарова

Сводный темплан 2005 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953. П.005641.11.03

______________________________________________________________ Подписано в печать Б.Кн. – журн.

2004 П.л. Тираж

Б.л. Заказ

Формат 60 Х 84 1/16 РТП РИО СЗТУ

______________________________________________________________ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации университетов России 191186, Санкт-Петербург, Миллионная, 5