《化工设备机械基础》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程代码：MECH4314

课程名称：化工设备机械基础

课程英文名称：Fundamental Chemical process Equipment

课程所属单位：机械工程学院 过程装备与控制工程系

课程面向专业：化学工程与工艺专业

课程类型：专业必修课

先修课程：工程制图、金工实习、化工原理

学分：2.0

总学时：32 （其中理论学时：32 实验学时：0)

二、课程性质与目标

本课程是化学工程与工艺专业一门综合性的、理论与实用并重的专业必修课，对于培养化工专业学生在化工企业生产管理、工艺设计、项目开发、技术改进等场景中，综合运用专业知识和技能解决的复杂化学工程问题具有重要作用。在进入本课程学习前，学生应初步了解机械加工过程，具备化工工艺原理等基础知识、工程绘图等基础技能；通过本课程的学习，使学生能掌握一定的化工机械方面的基础知识，熟悉涉及压力容器设计、制造、材料使用和监察管理的有关标准和法规，并具备对一般化工设备进行结构分析和设计的初步能力，为今后从事化工工艺过程研究、设计和生产管理奠定必要的基础，并为后续化学工程类课程的学习及课程设计实践提供必要的设备设计基础知识及设计技能。

本课程的主要课程目标为：

1. 理解压力容器设计的基本要求；熟悉化工容器常用金属材料；能够对实际使用场合下的内外压薄壁容器进行分析，确定可行性设计方案，并进行机械设计和校核计算；能选用合适的容器零部件，并进行校核计算；在设计过程中体现创新意识。（支撑毕业要求指标点3.2）

2. 了解世界各国压力容器标准规范；了解我国压力容器规范和标准的发展历史；熟悉我国涉及压力容器设计、制造、材料使用和监察管理的有关标准和法规；重点理解TSG21《固定式压力容器安全技术监察规程》和GB150《固定式压力容器》对化工设备设计的影响及意义。（支撑毕业要求指标点6.1）

3. 理解压力容器的标准化设计；能够从选材、结构、制造、操作、安装、维护、检修等方面，确定安全环保、经济合理的设计方案。（支撑毕业要求指标点11.1）

   表1 课程目标和毕业要求指标点对应关系

三、课程教学内容与要求

第一篇 工程力学基础

第一章 物体的受力分析和静力平衡方程

1. 教学内容：

2. 静力学基本概念

3. 约束和约束反力

4. 分离体与受力图

5. 力的投影、合力投影定理

6. 力矩、力偶

7. 力的平移、平面力系的简化、合力矩定理

8. 平面力系的平衡方程

9. 教学要求：掌握力及力偶的基本性质；确定约束反力方向；对构件进行受力分析，正确画出受力图；利用平面力系的平衡方程求解未知外力。

10. 教学重点：正确画出构件受力图并求解未知外力。

11. 教学难点：约束反力方向的判定。

    第二章 轴向拉伸、压缩和剪切

12. 教学内容：

1. 轴向拉伸和压缩的概念与实例

2. 轴向拉伸和压缩时横截面上的内力和应力

3. 拉（压）杆的变形 虎克定理

4. 材料拉（压）时的力学性能

5. 拉（压）杆的强度计算

6. 应力集中概念

7. 剪切与挤压的实用计算

8. 教学要求：掌握杆件拉（压）时的内力、应力分析；常用材料拉伸时的

   曲线图；拉（压）杆的强度计算；剪切强度计算；了解应力集中概念。

9. 教学重点：杆件拉（压）时的轴力计算及轴力图；拉（压）杆的强度计算。

10. 教学难点：截面法求解内力。

    第三章 扭转

1. 教学内容：

2. 扭转的概念与实例

3. 外力偶矩和扭矩的计算 扭矩图

4. 纯剪切

5. 圆轴扭转时的应力 强度条件

6. 圆轴扭转时的变形 刚度条件

1. 教学要求：掌握扭矩的计算、扭矩图的画法，剪应力的计算；圆轴扭转时的强度计算；了解扭转时的变形。

2. 教学重点：圆轴扭转时的内力计算及强度计算。

3. 教学难点：扭矩图的正确绘制。

   第四章 弯曲

4. 教学内容：

1. 弯曲的概念和实例

2. 剪力和弯矩、剪力图和弯矩图

3. 弯曲时的正应力和强度计算

4. 弯曲变形

5. 提高梁弯曲强度和刚度的措施

6. 教学要求：掌握弯曲时的弯矩图、剪力图；弯曲应力及强度计算；了解弯曲变形的求解。

7. 教学重点：弯曲时的内力计算及强度计算。

8. 教学难点：弯矩图的正确绘制。

   第五章 应力状态分析 强度理论 组合变形

1. 教学内容：

2. 应力状态的概念

3. 平面应力状态分析

4. 三向应力状态简介 广义虎克定律

5. 强度理论简介

6. 组合变形时的强度计算

1. 教学要求：了解点的应力状态、复杂应力状态及广义虎克定律概念；了解强度理论的运用范围。

2. 教学重点：平面应力状态下，三个主应力的确定。

3. 教学难点：主应力单元体及三个主应力。

   第六章 疲劳

4. 教学内容：

1. 交变应力的概念

2. 疲劳的概念

3. 持久极限

4. 提高构件疲劳强度的措施

5. 教学要求：掌握交变应力及其循环特性，了解疲劳破坏、持久极限及其影响因素。

6. 教学重点：交变应力及材料的持久极限。

7. 教学难点：交变应力的循环特性。

   第二篇 化工设备设计基础

   第七章 概述

1. 教学内容：

2. 容器的结构和分类

3. 容器机械设计的基本要求

4. 容器的标准化设计

5. 化工容器常用金属材料的基本性能

1. 教学要求：了解容器的结构和分类，掌握容器零部件标准化的基本参数，了解常用金属材料的性能。

2. 教学重点：容器的分类；容器的标准化参数。

3. 教学难点：容器零部件标准化的基本参数。

   第八章 内压薄壁容器设计基础

4. 教学内容：

1. 回转壳体的几何特性

2. 回转壳体薄膜应力分析

3. 典型回转壳体的应力分析

4. 内压圆筒边缘应力的概念

5. 教学要求：掌握回转壳体概念及薄膜应力分析；典型回转壳体的应力分析；内压圆筒边缘应力概念、特点及处理。

6. 教学重点：典型回转薄壳的薄膜应力分析。

7. 教学难点：薄膜理论。

   第九章 内压薄壁圆筒和球壳设计

1. 教学内容：

2. 概述

3. 内压薄壁圆筒和球壳强度计算

4. 容器的压力试验

1. 教学要求：掌握内压薄壁圆筒及球壳的设计过程；了解压力试验的要求与试验方法。

2. 教学重点：内压薄壁圆筒及球壳的强度计算。

3. 教学难点：设计参数的确定。

   第十章 内压容器封头的设计

4. 教学内容：

1. 凸形封头

2. 锥形封头

3. 平板封头

4. 封头的结构特性及选择

5. 教学要求：掌握封头的设计过程；封头的结构及选择

6. 教学重点：内压封头的强度计算。

7. 教学难点：椭圆形封头的结构与设计。

   第十一章 外压容器设计基础

1. 教学内容：

2. 概述

3. 临界压力

4. 外压容器设计方法及要求

5. 外压球壳与凸形封头的设计

6. 加强圈的作用与结构

1. 教学要求：了解外压容器的失效形式；掌握临界压力的计算；掌握外压容器设计方法与要求；了解外压球壳与凸形封头的设计；了解加强圈的作用及结构。

2. 教学重点：外压圆筒形容器的图算法。

3. 教学难点：两个算图的应用。

   第十二章 容器零部件

4. 教学内容：

1. 法兰联接

2. 容器支座

3. 容器的开孔补强

4. 容器附件

5. 教学要求：掌握法兰联接原理、法兰结构、密封面形式、法兰标准及选用；了解容器支座形式、标准及选用；了解容器开孔补强的设计原则与补强结构；了解容器附件形式。

6. 教学重点：压力容器标准法兰的选用。

7. 教学难点：法兰公称压力的确定。

   四、学时分配

   本课程总学时数32学时，其分配如下：

   表2 学时分配表

五、教学环节与教学要求：

（一）课堂讲授

完善多媒体教学手段

（二）作业和习题课

每章结束后会布置一定的题量对所学知识进行练习和总结。根据每章内容不同，题量有差别，平均每章题量在3-5小题；在习题完成和批改后及时进行习题课。

（三）讨论与答疑

此环节一般在课前和课后进行。

表3课程目标及其实现方法

六、课程考核评价：

本课程采用课程考试与过程评价相结合的考核办法。

过程评价包括课程作业和课堂表现。课程作业以习题为主，结合指导阅读任务；课堂表现（包括课堂提问/课堂讨论等形式）要求学生围绕教师所提出的问题/讨论题进行课堂回答、演讲。过程评价占总评成绩30%，课程考试占总评成绩70%，课程目标对应观测点/考核方式及分值分布如表4所示。

表4课程目标对应的考核内容及考核方式

期末考试采用百分制，考核标准见各年度试卷评分标准；过程评价标准见下表：

表5过程评价标准

七、教材与主要参考书：

教材：

赵军，张有忱等编. 化工设备机械基础（第三版）. 北京：化学工业出版社，2016.8

主要参考书：

1.董大勤．化工设备机械基础．北京：化学工业出版社，2012.

2.喻健良．化工设备机械基础．大连：大连理工大学出版社，2009.

3.潘永亮．化工设备机械基础．北京：科学出版社，2007.

4.全国压力容器标准化技术委员会．GB150《固定式压力容器》．

5.全国压力容器标准化技术委员会．GB151《管壳式换热器》．

八、课程目标达成度评价

课程目标达成度从学生个体达成情况和课程整体达成情况两方面评价，前者将作为评判学生是否达到毕业要求以及能否通过课程考核的依据；后者作为课程实施质量的评价及持续改进措施的依据。当参加课程考核的学生班级数为2个班时，样本集为所有学生；当参加课程考核的学生班级为3个班及以上时，样本集通过间隔采样获取（按照所有学生学号序列间隔采样）。学生个体达成度统计表和课程整体达成度统计表如表6和表7所示。

表6学生个体对课程目标的达成度统计表

备注：*期望值根据各年度考核覆盖面、难度、预期区分度等因素调整，但不低于所对应课程目标观测点全分值的60%；课程考试采用百分制，各观测点得分值×40%后输入本表格。

表7 课程整体目标达成度评价及持续改进

备注：*课程分目标达成度计算方法为，样本中与课程目标对应观测点的平均得分/课程目标对应观测点的总分值。

执笔人：邢红丽

时间：2020年1月