力學(xué)在工程中的應(yīng)用VIP

1、無力學(xué)在工程中的應(yīng)用力學(xué)在工程中的應(yīng)用作者：孟澤林作者：孟澤林（學(xué)號：（學(xué)號：1310994103213109941032班級：班級：1313 級電氣類十班）級電氣類十班）摘要摘要力學(xué)在工程中的應(yīng)用十分廣泛，它是機(jī)械工程，土木工程，食品工程等的重要基礎(chǔ)之一，大到機(jī)械中的各種機(jī)器力學(xué)在工程中的應(yīng)用十分廣泛，它是機(jī)械工程，土木工程，食品工程等的重要基礎(chǔ)之一，大到機(jī)械中的各種機(jī)器，建筑中的各個結(jié)構(gòu)，小到汽車中的零部件，各種物件都要符合它的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求才能夠安全、正常工作，所以建筑中的各個結(jié)構(gòu)，小到汽車中的零部件，各種物件都要符合它的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求才能夠安全、正常工作，所以力學(xué)就顯得

2、尤為重要。作為當(dāng)代的大學(xué)生，了解力學(xué)在工程中的廣泛應(yīng)用是非常有必要的。文章將就力學(xué)在工程中的一些力學(xué)就顯得尤為重要。作為當(dāng)代的大學(xué)生，了解力學(xué)在工程中的廣泛應(yīng)用是非常有必要的。文章將就力學(xué)在工程中的一些典型應(yīng)用做簡單的的介紹，來提高對力學(xué)的理解和認(rèn)識。典型應(yīng)用做簡單的的介紹，來提高對力學(xué)的理解和認(rèn)識。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞力學(xué)應(yīng)用力學(xué)應(yīng)用材料力學(xué)材料力學(xué)計算流體力學(xué)計算流體力學(xué)引言引言無論是生產(chǎn)還是生活中無論是生產(chǎn)還是生活中，隨處都可以看見物理力學(xué)的應(yīng)用隨處都可以看見物理力學(xué)的應(yīng)用。寫這篇文章的目的就是能使大學(xué)生更加寫這篇文章的目的就是能使大學(xué)生更加深入和具體地了解力學(xué)在工程中的應(yīng)用，深入和具體地了解力

3、學(xué)在工程中的應(yīng)用，2.12.1 材料力學(xué)在工程中的應(yīng)用材料力學(xué)在工程中的應(yīng)用11機(jī)械常用的連接件，如鉚釘、鍵、銷釘、螺栓等的變形屬于剪切變形，在設(shè)計時應(yīng)主要考慮其剪切應(yīng)力。汽車的傳動軸、轉(zhuǎn)向軸、水輪機(jī)的主軸等發(fā)生的變形屬于扭轉(zhuǎn)變形?；疖囕S、起重機(jī)大梁的變形均屬于彎曲變形。有些桿件在設(shè)計時必須同時考慮幾個方面的變形，如車床主軸工作時同時發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲及壓縮三種基本變形；鉆床立柱同時發(fā)生拉伸與彎曲兩種變形。利用材料力學(xué)中卸載與在加載規(guī)律得出冷作硬化現(xiàn)象，工程中常利用其原理以提高材料的承載能力，例如建筑用的鋼筋與起重的鏈條，但冷作硬化使材料變硬、變脆，是加工發(fā)生困難，且易產(chǎn)生裂紋，這時應(yīng)采用退火處理

4、，部分或全部地材料的冷作硬化效應(yīng)。工程設(shè)計中要特別注意減少構(gòu)件的應(yīng)力集中。 在工程中，靜不定結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，如桁架結(jié)構(gòu)。靜不定問題的另一重要特征是，溫度的變化以及制造誤差也會在靜不定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力，這些應(yīng)力稱為熱應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力。為了避免出現(xiàn)過高的熱應(yīng)力，蒸汽管道中有時設(shè)置伸縮節(jié)，鋼軌在兩段接頭之間預(yù)留一定量的縫隙等等，以削弱熱膨脹所受的限制，降低溫度應(yīng)力。在工程中實際中，常利用預(yù)應(yīng)力進(jìn)行某些構(gòu)件的裝配，例如將輪圈套裝在輪轂上，或提高某些構(gòu)件承載能力，例如預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。螺旋彈簧是工程中常用的機(jī)械零件，多用于緩沖裝置、控制機(jī)構(gòu)及儀表中，如車輛上的緩沖彈簧，發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣閥與高壓容器安全閥中的控制

5、彈簧，彈簧稱中的測力彈簧等。很多結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在工作時，對于彎曲變形都有一定的要求。一類是要求構(gòu)件的位移不得超過一定的數(shù)值。例如行車大量在起吊重物時，若其彎曲變形過大，則小車行駛時就要發(fā)生振動；若傳動軸的彎曲變形過大，不僅會使齒輪很好地嚙合，還會使軸頸與軸承產(chǎn)生不均勻的磨損；輸送管道的彎曲變形過大，會影響管道內(nèi)物料的正常輸送，還會出現(xiàn)積液、沉淀和法蘭結(jié)合不密等現(xiàn)象；造紙機(jī)的軋輥，若彎曲變形過大，會生產(chǎn)出來的紙張薄厚不均勻，稱為廢品。另一類是要求構(gòu)件能產(chǎn)生足夠大的變形。例如車輛鋼板彈簧，變形大可減緩車輛所受到的沖擊；又如繼電器中的簧片，為了有效地接通和斷開電源，在電磁力作用下必須保證觸電處有足夠大的

6、位移。2.22.2 計算流體力學(xué)在化學(xué)工程中的應(yīng)用計算流體力學(xué)在化學(xué)工程中的應(yīng)用22計算流體力學(xué) ( CFD) 是流體力學(xué)的一個分支 ,用于求解固定幾何形狀空間內(nèi)的流體的動量、熱量和質(zhì)量方程以及相關(guān)的其他方程 , 并通過計算機(jī)模擬獲得某種流體在特定條件下的有關(guān)數(shù)據(jù)。CFD 最早運(yùn)用于汽車制造業(yè)、航天事業(yè)及核工業(yè) ,解決空氣動力學(xué)中的流體力學(xué)問題。 CFD 計算相對于實驗研究 ,具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優(yōu)點 ,從而使 CFD 成為研究各種流體現(xiàn)象 ,設(shè)計、操作和研究各種流動系統(tǒng)和流動過程的有利工具。 20 世紀(jì) 60 年代末 ,CFD 技術(shù)已經(jīng)在流體力學(xué)各相關(guān)行業(yè)得

7、到了廣泛的應(yīng)用 , 化學(xué)工程的模擬計算始于 20 世紀(jì) 90 年代后期 , 如今 CFD 已經(jīng)成為研究化工領(lǐng)域中流體流動和傳質(zhì)的重要工具。CFD 可以用于各種化工裝置的模擬、分析及預(yù)測 ,如無模擬攪拌槽混合設(shè)備的設(shè)計、放大 ; 可以預(yù)測流體流動過程中的傳質(zhì)、傳熱 , 如模擬加熱器中的傳熱效果 ,蒸餾塔中的兩相傳質(zhì)流動狀態(tài) ; 可以描述化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)速率 ,進(jìn)行反應(yīng)器模擬 ,如模擬出燃燒反應(yīng)器、生化反應(yīng)器中的反應(yīng)速率 ; 還可有效模擬分離、過濾及干燥等設(shè)備及裝置內(nèi)流體的流動。CFD 基本原理及常用工具 CFD 是以動量、能量、質(zhì)量守恒方程為基礎(chǔ) , 用數(shù)值計算方法直接求解流動主控方程( Navi

8、er 2 Stokes方程) 以發(fā)現(xiàn)各種流動現(xiàn)象規(guī)律。CFD 計算方法主要有 3 種 : 差分法、有限元法、有限體積法。CFD 是多領(lǐng)域交叉的學(xué)科 , 涉及計算機(jī)科學(xué)、流體力學(xué)、偏微分方程的數(shù)學(xué)理論、計算幾何學(xué)、數(shù)值分析等學(xué)科。 CFD 模擬的目的是作出預(yù)測和獲得信息 , 以達(dá)到對流體流動的更好控制。理論的預(yù)測出自數(shù)學(xué)模型的結(jié)果 ,而不是出自一個實際的物理模型的結(jié)果。數(shù)學(xué)模型主要是由一組微分方程組成 , 這些方程的解就是 CFD 模擬的結(jié)果。CFD 軟件是用來進(jìn)行流場分析、計算、預(yù)測的專用工具 ,對大多數(shù)人來說 ,不必要掌握流體力學(xué)微分方程的求解以及對計算流體力學(xué)的深入研究 , 但在工作中又需

9、要對某些具體的流動過程進(jìn)行分析、計算和研究 ,由此計算準(zhǔn)確、界面友好、使用簡單 ,又能解決問題的大型商業(yè) CFD 軟件應(yīng)運(yùn)而生。CFD 軟件一般包括 3 個主要部分 : 前處理器、解算器、后處理器。常見的 CFD 軟件有 : FLUENT、 PHOENICS、CFX、 STAR - CD 、 FIDAP 等。其中 FLUENT 由美國 FLUENT 公司于 1983 年推出的 ,于 1998 年進(jìn)入中國市場 ,據(jù)報道在同類軟件中 , 其世界市場占有率為 40 % ,是目前功能最全面、適用性最廣、應(yīng)用最廣的軟件之一。計算采用有限體積方法 , 包含有結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 2 個版本。速度與壓力耦和

10、采用同位網(wǎng)格上的 SIMPLEC 算法。對流項差分格式納入了一階迎風(fēng)、中心差分及 QUICK 等格式。它的湍流模型包括 k - 模型、 Reynolds 應(yīng)力模型、 LES 模型、相變模型、離散相模型、多相模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)等。在攪拌槽中的應(yīng)用攪拌槽由于其內(nèi)部流動的復(fù)雜性 , 攪拌混合目前尚未形成完善的理論體系 , 對攪拌槽等混合設(shè)備的放大設(shè)計 ,經(jīng)驗成分往往多于理論計算。在工業(yè)實際中 ,特別是快速反應(yīng)體系或高黏度非牛頓物系 ,工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器存在不同程度的非均勻性 , 隨著規(guī)模的增大 ,這種不均勻性更加嚴(yán)重 ,經(jīng)驗放大設(shè)計方法的可靠性受到前所未有的挑戰(zhàn) , 因此對攪拌槽內(nèi)部流場有必要進(jìn)行更深

11、入的研究。 自從 Harvey 等用計算機(jī)對攪拌槽內(nèi)的流場進(jìn)行二維模擬以來 ,近年來利用 CFD 的方法研究攪拌槽內(nèi)的流場發(fā)展很快 ,利用這種方法不僅可以節(jié)省大量的研究經(jīng)費 ,而且還可以獲得通過實驗手段所不能得到的數(shù)據(jù)。Sun 等利用 CFD 的 k - Ap 湍流模型對攪拌槽中的氣液兩相流動進(jìn)行了三維模擬 , 通過與實驗結(jié)果比較發(fā)現(xiàn) ,CFD 數(shù)值模擬能很好地預(yù)測攪拌器上部的氣體分布 , 但是對攪拌器底部的區(qū)域的模擬效果不好。 Javed 等利用 CFD 軟件 Fluent 對有 6片擋板 Rushton 型渦輪的攪拌槽湍流混合進(jìn)行了三維的時間相關(guān)的數(shù)值預(yù)測并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較 ,結(jié)果表明

12、攪拌葉輪上下區(qū)域的平均速域的計算值和實驗數(shù)據(jù)一致 , 但是湍動能的計算值和實驗結(jié)果還有一定的差別。 Wang 等以歐拉- 歐拉方法為基礎(chǔ) ,采用 k -湍流模型對攪拌槽中液- 液- 固三相體系各相的流場分布進(jìn)行了 CFD 數(shù)值模擬 , 結(jié)果表明固體顆粒對液液兩相分布有很大的影響 , 液相分布與實驗結(jié)果吻合較好 , 固相分布結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)還存在一些差異 , 但是隨在葉輪轉(zhuǎn)速的增加也趨向一致。網(wǎng)格的選擇和離散方法對 CFD 模擬攪拌槽流場分布的精確度有重要影響。 Deglon 等 5 以旋轉(zhuǎn)葉輪多參考系模型和標(biāo)準(zhǔn) k -湍流模型為基礎(chǔ) ,通過CFD 模擬攪拌槽的流場研究了網(wǎng)格的選擇和離散方法對模擬

13、攪拌槽湍流流場分布精確度的影響 , 得到這樣的結(jié)論 : 選擇合適的網(wǎng)格和離散方法對流場和平均速度的模擬精度影響不大 , 而對各種力和湍動能模擬精度影響很大 , 需要選擇好的網(wǎng)格和高階矩離散方法。 Bujalski 等 6 用多重參照系法模擬了帶有 2 個渦輪槳的攪拌式反應(yīng)器中示蹤子的分布情況 ,再以此計算了混合時間 ,該方法能準(zhǔn)確模擬速度域 ,并且在示蹤子懸浮情況的模擬上比滑動網(wǎng)格法得到的結(jié)果更接近實驗數(shù)據(jù)。CFD 和數(shù)字粒子圖像測速儀 (DPIV) 相結(jié)合 , 可以更深入地研究攪拌裝置。DPIV 測量數(shù)據(jù)可以驗證 CFD 計算結(jié)果 , 并且使用 DPIV 測定特定點的速度也可作為 CFD 計

14、算的邊界條件。此外多普勒激光測速儀 (LDV) 與 CFD 結(jié)合 ,也被用于研究攪拌。雖然 CFD 已成為攪拌混合過程研究中不可缺少的工無具 ,但有些方面仍存在缺陷 ,如攪拌槳附近流動情況特別是湍動能和湍動能耗散率的模擬還不盡人意,這主要是由湍流模型本身的缺陷引起的 ,可以通過修正湍流模型和進(jìn)一步改進(jìn)模型來彌補(bǔ)這方面的缺陷。在換熱器中的應(yīng)用：換熱設(shè)備在化學(xué)工程中被廣泛使用 ,詳細(xì)、準(zhǔn)確地預(yù)測殼程的流動、傳熱特性對設(shè)計經(jīng)濟(jì)和可靠的換熱器以及評價現(xiàn)有管殼式換熱器的性能對工業(yè)應(yīng)用十分重要。針對管殼式換熱器幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜 , 流動和傳熱的影響因素很多等特點 , 運(yùn)用 CFD 對管殼式換熱器的殼側(cè)流場進(jìn)行

15、計算機(jī)模擬 , 可以對其他方法難以掌握的殼側(cè)瞬態(tài)的溫度場和速度場有所了解 ,利于換熱器的機(jī)理分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。國外學(xué)者對換熱器內(nèi)流體流動的 CFD 模擬進(jìn)行了一些研究。熊智強(qiáng)等利用 CFD 技術(shù)對管殼式換熱器弓形折流板附近流場進(jìn)行了數(shù)值模擬 , 發(fā)現(xiàn)在弓形折流板背面 ,有部分區(qū)域的流速較低 ,一定程度上存在著流動死區(qū) ,采用在弓形折流板上開孔的方法后 ,CFD 計算結(jié)果顯示其傳熱效率提高了 514 % ,殼側(cè)壓降減小了 713 % 。鄧斌等應(yīng)用體積多孔度、表面滲透度和分布阻力方法建立了適用于準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)的 N- S修正控制方程。用改進(jìn)的 k - 模型考慮管束對湍流的產(chǎn)生和耗散的影響 , 用壁面函數(shù)法處理殼壁和折流板的壁面效應(yīng) , 對一管殼式換熱器的殼側(cè)湍流流動與換熱進(jìn)行了三維計算流體力學(xué)數(shù)值模擬 , 證明了該方法能更有效地模擬管殼式換熱器殼側(cè)的流動特性 ,壓降實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果符合較好。夏永放等應(yīng)用 CFD 和數(shù)值傳熱學(xué)方法 , 對間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)流體流動與熱質(zhì)交換過程三維數(shù)值模擬 , 采用交錯網(wǎng)格離散化非線性控制方程組 , 編制了三維 SIMPLE 算法程序 ,計算出間