清华大学 材料力学第9章-压杆稳定

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材料力学第九章压杆稳定

材料力学第九章压杆稳定

明显的弯曲变形,丧失了承载能力.
(Buckling of Columns)
构件的承载能力
① 强度 ② 刚度 ③ 稳定性
工程中有些构件 具有足够的强度、刚 度,却不一定能安全可 靠地工作.
(Buckling of Columns) 二、工程实例(Example problem)
(Buckling of Columns)
w
x
sin kl 0 y
B
讨论: 若
A 0, w 0
则必须 sin kl 0 kl nπ(n 0,1,2,)
(Buckling of Columns)
k2 F kl nπ(n 0,1,2,) EI
F
n2π l
2 2
EI
(n 0,1,2,)
令 n = 1, 得
Fcr
2 EI l2
E π σp
206109 100 200 106
当 <1 但大于某一数值 2的压杆不能应用欧拉公式,此
时需用经验公式.
(Buckling of Columns) 三. 常用的经验公式 ( The experimental formula)
直线公式 或 令
σcr a b s
a s
b
σmax
FN max A
[σ]
例如:一长为300mm的钢板尺,横截面尺寸为 20mm 1
mm.钢的许用应力为[]=196MPa.按强度条件计算得钢板尺所
能承受的轴向压力为 [F] = A[] = 3.92 kN
实际上,其承载能力并不取决于轴向压缩的抗压强度,而是
与受压时变弯有关.当加的轴向压力达到40N时,钢板尺就突然发
支承情况 两端铰支 一端固定,另一端铰支 两端固定 一端固定,另一端自由

材料力学第9章 压杆稳定

材料力学第9章 压杆稳定

第9章 压杆稳定 图9-6
第9章 压杆稳定
9.2.3 两端非铰支细长压杆的临界载荷 1.一端固定一端自由的细长压杆的临界载荷 图9-7所示为一端固定、一端自由的长为l的细长压杆。
当轴向压力F=Fcr时,该杆的挠曲轴与长为2l的两端铰支细 长压杆的挠曲轴的一半完全相同。因此,如果二杆各截面的 弯曲刚度相同,则临界载荷也相同。所以,一端固定一端自 由、长为l的细长压杆的临界载荷为
第9章 压杆稳定
9.2.2 大挠度理论与实际压杆 式(9-1)与式(9-2)是对于理想压杆根据小挠度挠
曲轴近似微分方程得到的。如果采用大挠度挠曲轴的微分方
程 ddx1xM ExI进行理论分析,则轴向压力F与压杆最
大挠度wmax之间存在着如图9-6中的曲线AB所示的确定关 系,其中A点为曲线的极值点,相应之载荷Fcr即为上述欧拉 临界载荷。
Fcr
2 EI
2l 2
(9-3)
第9章 压杆稳定
图9-7
第9章 压杆稳定
2.两端固定的细长压杆的临界载荷 图9-8所示为两端固定的长为l的细长压杆,当轴向压 力F=Fcr时,该杆的挠曲轴如图9-8(a)所示,在离两固定端 各l/4处的截面A、B存在拐点,A、B截面的弯矩均为零。因 此,长为l/2的AB段的两端仅承受轴向压力Fcr(见图9-8 (b)),受力情况与长为l/2的两端铰支压杆相同。所以,两 端固定的压杆的临界载荷为
Fcr
2EI
0.5l 2
(9-4)
第9章 压杆稳定
图9-8
第9章 压杆稳定
3.一端固定一端铰支的细长压杆的临界载荷 图9-9所示为一端固定一端铰支的长为l的细长压杆, 在微弯临界状态,其拐点与铰支端之间的正弦半波曲线长为

材料力学 第九章 压杆稳定

材料力学 第九章 压杆稳定
cr s p
cr s cr a b
cr
小柔度杆 中柔度杆
O
π2 E
2
大柔度杆
2
1

l
i
大柔度杆—发生弹性失稳 中柔度杆—发生非弹性失稳 小柔度杆—不发生失稳,而发生强度失效
Fuzhou University
杆类型
大柔度杆
定义
1
临界力
π EI Fcr ( l ) 2
n 0,1, 2

n 1
π 2 EI Fcr 2 l
细长压杆的临界载荷的欧 拉公式 (两端铰支)
Fuzhou University
材料力学课件
w A sin kx B co s kx
kl n , n 0,1, 2
F x l w F x
取 n 1
π 2 EI Fcr 2 l
2
临界应力
cr π2E性质Fra bibliotek2
稳定 稳定 强度
中柔度杆 2 1 Fcr A(a b ) 小柔度杆
cr a b
2
Fcr A s
cr s

l
i
1 π
i
E
I A
1.0, 0.5, 0.7, 2.0
a s 2 b
Fcr
Fcr
π 2 EI
2l
2
π 2 EI
0.7l
2
π 2 EI Fcr 2 (l )
欧拉公式的普遍形式
Fuzhou University
材料力学课件 讨论:

π 2 EI Fcr ( l )2

材料力学第九章 压杆稳定

材料力学第九章 压杆稳定

02
创新研究方法与手段
积极探索新的实验技术和数值模拟方法,提高压杆稳定研究的精度和可
靠性。
03
拓展应用领域
将压杆稳定研究成果应用于更多领域,解决实际工程问题,推动科学技
术进步。
THANKS
感谢观看
稳定性取决于压杆的初始弯曲程度、压力的大小 和杆件的材料特性。
当压杆受到微小扰动时,如果能够恢复到原来的 平衡状态,则称其为稳定;反之,则为不稳定。
压杆的临界载荷
临界载荷是指使压杆由稳定平衡 状态转变为不稳定平衡状态的载
荷。
当压杆所受压力小于临界载荷时, 压杆保持稳定平衡状态;当压力 大于临界载荷时,压杆将失去稳
相应措施进行解决。
建筑结构中的压杆问题
02
高层建筑、大跨度结构等建筑中的梁、柱等部件可能发生失稳,
需要加强设计和施工控制。
压力容器中的压杆问题
03
压力容器中的管道、支撑部件等可能发生失稳,需要采取相应
的预防和应对措施。
05
压杆稳定的未来发展与展望
压杆稳定研究的新趋势
跨学科交叉研究
压杆稳定与材料科学、计算科学、工程结构等领域相互渗透,形 成多学科交叉的研究趋势。
工程中常见的压杆问题
1 2
细长杆失稳
细长杆在压力作用下容易发生弯曲,导致失稳。
短粗杆失稳
短粗杆在压力作用下可能发生局部屈曲,导致失 稳。
3
弹性失稳
材料在压力作用下发生弹性变形,当压力超过某 一临界值时,杆件发生失稳。
解决压杆失稳的方法与措施
加强材料质量
选择优质材料,提高材料的弹 性模量和抗拉强度,以增强压
材料力学第九章 压杆稳 定
• 引言 • 压杆稳定的基本理论 • 压杆稳定的实验研究 • 压杆稳定的工程应用 • 压杆稳定的未来发展与展望

材料力学 第九章 压杆稳定分析

材料力学 第九章 压杆稳定分析

我国建筑业常用:
cr
s
1
c
2
对于A3钢、A5钢和16锰钢: 0.43,c
2E 0.56 S
c 时,由此式求临界应力 。
②s< 时:
cr s
几点重要说明:
1. 所有稳定问题(包括后续内容)均需首先计算λ以界定压 杆的属性。
2. 对一般金属材料,作如下约定:
A. λp≈100;λs≈60。故:
i
二、压杆的分类
1、大柔度杆:
cr
2E 2
P
2E P
P
100
满足 P 的杆称为大柔度杆(或 细长杆),其临界力用 欧拉公式求。
P 的杆为中小柔度杆,其 临界力不能用欧拉公式 求。
2、中柔度杆─λP>λ≥λS,即: P<≤S
直线型经验公式: cr ab
crab s
a s
b
s
60
支承情况
两端铰支
一端固定 另端铰支
两端固定
一端固定 另端自由
两端固定但可沿 横向相对移动
Pcr
Pcr
Pcr
Pcr
Pcr

l l 0.7l l 0.5l
l 2l l 0.5l
稳 时
B
B
B

D

线 形
C
C

A
A
A
C— 挠曲 C、D— 挠
线拐点 曲线拐点
C— 挠曲线拐点
临界力Pcr 欧拉公式
Pc
r
2
l
EI
工程实例
目录
一、稳定平衡与不稳定平衡 : 1. 不稳定平衡
2. 稳定平衡
3. 稳定平衡和不稳定平衡

材料力学:第九章 压杆稳定问题

材料力学:第九章 压杆稳定问题
绞),I 应取最小的形心主惯矩,得到直杆的
实际临界力
若杆端在不同方向的约束情况不同, I 应取挠 曲时横截面对其中性轴的惯性矩。即,此时要 综合分析杆在各个方向发生失稳时的临界压力, 得到直杆的实际临界力(最小值)。
求解临界压力的方法:
1. 假设直梁在外载荷作用下有一个初始的弯曲变形
2. 通过受力分析得到梁截面处的弯矩,并带入挠曲线 的微分方程
P
采用挠曲线近似微分方程得
B
到的d —P曲线。
Pcr A
B'
可见,采用挠曲线近
似微分方程得到的d —P曲
线在压杆微弯的平衡形态
d
下,呈现随遇平衡的假象。
大挠度理论、小挠度理论、实际压杆
欧拉公式
在两端绞支等截面细长中心受压直杆
的临界压力公式中
2EI
Pcr l 2
形心主惯矩I的选取准则为
若杆端在各个方向的约束情况相同(如球形
P
压杆稳定性的概念
当P较小时,P
Q
P
当P较大时,
P Q
稳定的平衡态
P
撤去横向力Q 稳定的


P定

P P
临界压力
Pcr


撤去横向力Q 不稳定的
定 的
P

不稳定的平衡态
压杆稳定性的概念
压杆稳定性的工程实例
细长中心受压直杆临界 力的欧拉公式
细长中心受压直杆临界力的欧拉公式
压杆的线(性)弹性稳定性问题
利用边界条件
得 w D,
xl
Dcos kl 0
若解1
D0
表明压杆未发生失稳
w(x) Asin kx B cos kx D

《材料力学》第9章压杆稳定习题解[整理]

《材料力学》第9章压杆稳定习题解[整理]

第九章 压杆稳定 习题解[习题9-1] 在§9-2中已对两端球形铰支的等截面细长压杆,按图a 所示坐标系及挠度曲线形状,导出了临界应力公式。

试分析当分别取图b,c,d 所示坐标系及挠曲22l EIP cr π=线形状时,压杆在作用下的挠曲线微分方程是否与图a 情况下的相同,由此所得公cr F cr F 式又是否相同。

解: 挠曲线微分方程与坐标系的y 轴正向规定有关,与挠曲线的位置无关。

因为(b )图与(a )图具有相同的坐标系,所以它们的挠曲线微分方程相同,都是。

(c )、(d)的坐标系相同,它们具有相同的挠曲线微分方程:)("x M EIw -=,显然,这微分方程与(a )的微分方程不同。

)("x M EIw =临界力只与压杆的抗弯刚度、长度与两端的支承情况有关,与坐标系的选取、挠曲线的位置等因素无关。

因此,以上四种情形的临界力具有相同的公式,即:。

22l EIP cr π=[习题9-2] 图示各杆材料和截面均相同,试问杆能承受的压力哪根最大,哪根最小(图f 所示杆在中间支承处不能转动)?解:压杆能承受的临界压力为:。

由这公式可知,对于材料和截面相同的压22).(l EI P cr μπ=杆,它们能承受的压力与 原压相的相当长度的平方成反比,其中,为与约束情况有l μμ关的长度系数。

(a )ml 551=⨯=μ(b )ml 9.477.0=⨯=μ(c )ml 5.495.0=⨯=μ(d )ml 422=⨯=μ(e )ml 881=⨯=μ(f )(下段);(上段)m l 5.357.0=⨯=μm l 5.255.0=⨯=μ故图e 所示杆最小,图f 所示杆最大。

cr F cr F[习题9-3] 图a,b 所示的两细长杆均与基础刚性连接,但第一根杆(图a )的基础放在弹性地基上,第二根杆(图b )的基础放在刚性地基上。

试问两杆的临界力是否均为2min2).2(l EI P cr π=为什么并由此判断压杆长因数是否可能大于2。

《材料力学》第九章 压杆稳定

《材料力学》第九章 压杆稳定

精确的挠曲线微分方程, 间确定的关系: 采用精确的挠曲线微分方程 可以得出F与 间确定的关系 采用精确的挠曲线微分方程,可以得出 与δ间确定的关系:
δ =
2 2l
π
F 1 F − 1 1 − − 1 F cr 2 F cr
精确解的F与 的关系如 所示。 在临界点 附近较为平坦, 的关系如AC所示 在临界点A附近较为平坦 精确解的 与δ的关系如 所示。AC在临界点 附近较为平坦, 且于直线AB相切 随着压力逐渐减小趋近于F 相切。 中点挠度δ趋 且于直线 相切。随着压力逐渐减小趋近于 cr时,中点挠度 趋 近于零。可见F 正是压杆直线平衡和曲线平衡的分界点。 近于零。可见 cr正是压杆直线平衡和曲线平衡的分界点。 注意现象:曲线AC在为临界点 附近较为平坦, 在为临界点A附近较为平坦 注意现象:曲线 在为临界点 附近较为平坦,当F略高于 略高于 Fcr时,挠度 急剧增加。如F=1.152Fcr时,δ=0.297l≈0.30l。这样 挠度δ急剧增加 急剧增加。 。 大的变形,除了比例极限很高的金属丝可以实现外, 大的变形,除了比例极限很高的金属丝可以实现外,实际压杆一 般不能承受,在达到如此大的变形之前, 般不能承受,在达到如此大的变形之前,杆件早已发生塑性变形 甚至折断。工程中常见的压杆一般都是小变形的,所以, 甚至折断。工程中常见的压杆一般都是小变形的,所以,在小挠 度的情况下,由欧拉公式确定的临界力是有实际意义的。 度的情况下,由欧拉公式确定的临界力是有实际意义的。 以上讨论是对理想压杆 理想压杆——认为压杆轴线是理想直线,压力 认为压杆轴线是理想直线, 以上讨论是对理想压杆 认为压杆轴线是理想直线 作用线与轴线重合,材料是均匀的。实际压杆是有缺陷的, 作用线与轴线重合,材料是均匀的。实际压杆是有缺陷的,这些 缺陷相当于压力有一个偏心距,使压杆很早就出现弯曲变形。 缺陷相当于压力有一个偏心距,使压杆很早就出现弯曲变形。所 实验结果略如曲线OF示 折线OAB可看作是它的极限情况, 可看作是它的极限情况, 以,实验结果略如曲线 示,折线 可看作是它的极限情况 说明理想压杆作为实际压杆的分析模型有实际意义。 说明理想压杆作为实际压杆的分析模型有实际意义。
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FPcr
π 2 EI
l 2
TSINGHUA UNIVERSITY
cr
FPcr A
p
其中σcr称为临界应力(critical stress); σp为 材料的比例极限。
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第9章 压杆的稳定问题
临界应力与临界应力总图
对于某一压杆,当分叉载荷FP尚未算出时,不能判 断压杆横截面上的应力是否处于弹性范围;当临界 载荷算出后,如果压杆横截面上的应力超过弹性范 围,则还需采用超过比例极限的临界载荷计算公式。 这些都会给计算带来不便。
压杆也会发生屈曲。这时,压杆在直线平衡构形下横截面上 的正应力已经超过材料的比例极限,截面上某些部分已进入 塑性状态。这种屈曲称为非弹性屈曲。这类压杆称为中长杆。
粗短杆——长细比小于极限值s时,压杆不会发生屈
曲,但将会发生屈服。这类压杆称为粗短杆。
用长细比表示的细长杆临界应力公式
π 2 EI
cr
FPcr A
l 2 π 2 E
A
2
长细比是综合反映压杆长度、约束条件、截面尺寸和截面
形状对压杆分叉载荷影响的量,用表示,由下式确定:
= l
i
i I A
从上述二式可以看出,长细比反映了压杆长度、支承条 件以及压杆横截面几何尺寸对压杆承载能力的综合影响。
FP FP>FPcr :在扰动作用下, FPP 直线平衡构形转变为弯曲平
衡构形,扰动除去后, 不能恢复到直线平衡构形, 则称原来的直线平衡构形 是不稳定的。
刚性曲面
第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
平衡路径及其分叉
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第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
FP<FPcr : 直线平衡构形
FP>FPcr :
弯曲平衡构形 (在扰动作用下)
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第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
判别弹性平衡稳定性的静力学准则 (statical criterion for elastic stability)
FFPP FP
FP<FPcr :在扰动作用下,
π 2 EI
FPcr l 2
其中l为不同压杆屈(a)曲后挠曲线(b)上正弦半波(c)的长度,称(d)为 有效长度(effective length); 为反映不同支承影响的系
数,称为长度系数(coefficient of 1ength)。
FPcr
π 2 EI
l 2
第9章 压杆的稳定问题
不同刚性支承对压杆临界载荷的影响
压杆稳定的基本概念 两端铰支压杆的临界载荷 欧拉公式 不同刚性支承对压杆临界载荷的影响 临界应力与临界应力总图 压杆稳定性设计的安全因数法 结论与讨论
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第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
压杆稳定的基本概念
判别弹性平衡稳定性的静力学准则 平衡路径及其分叉 细长压杆临界点平衡的稳定性
第9章 压杆的稳定问题
临界应力与临界应力总图
临界应力与长细比的概念 三类不同压杆的不同失效形式 三类压杆的临界应力公式 临界应力总图与P、s值的确定
第9章 压杆的稳定问题
临界应力与临界应力总图
临界应力与长细比的概念
欧拉公式只有在弹性范围内才是适用的。 这就要求在分叉载荷即临界载荷作用下, 压杆在直线平衡构形时,其横截面上的正 应力小于或等于材料的比例极限,即
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屈曲位移
FP
FP
压杆从直线平衡构形到
弯曲平衡构形的转变过
程,称为“屈曲”。由
于屈曲,压杆产生侧向
Δ
位移,称为屈曲位移。
第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
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FFPP FP
=0
平衡路径及其分叉
FFFPPP
分叉点
FP
FP>FPcr
第9章 压杆的稳定问题
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两端铰支压杆的临界载荷 欧拉(Euler)公式
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第9章 压杆的稳定问题
FP
两端铰支压杆的临界载荷欧拉公式
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分叉点
FPcr
FP
平衡路径
平衡路径
Δ O
从平衡路径可以看出,当 Δ0时FPFPcr。这表明, 当FP无限接近分叉载荷 FPcr时,在直线平衡构形 附近无穷小的邻域内,存 在微弯的平衡构形。根据 这一平衡构形,由平衡条 件和小挠度微分方程,以 及端部约束条件,即可确 定临界载荷。
第9章 压杆的稳定问题
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压杆稳定的基本概念
平衡路径及其分叉
当压缩载荷大于一定的数值时,在任意 微小的外界扰动下,压杆都要由直线的
分叉点
FP
平衡构形转变为弯曲的平衡构形,这一
过程称为屈曲(buckling)或失稳 (lost stability)。对于细长压杆,由 于屈曲过程中出现平衡路径的分叉,所
(临界点)
F´P
FPcr
平衡路径
Δ FP<FPcr
Δ O
第9章 压杆的稳定问题
FP
压杆稳定的基本概念
FP
平衡路径及其分叉
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=0
FP
平衡路径 平衡路径的分叉点:
分叉点
平衡路径开始出现分叉
的那一点。
FPcr
平衡路径
Δ O
分叉载荷(临界载荷):
分叉点对应的载荷,用FPcr 表示。
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第9章 压杆的稳定问题
由于设计上的原因,加拿大魁北克大桥 在实际承载重 量远低于设计承载重量的情形下发生两次坍塌事故。
第一次,1907年8月29日,死亡人数75人 第二次,1916年9月11日,死亡人数不详
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第9章 压杆的稳定问题
FPcr
平衡路径
以又称为分叉屈曲(bifurcation buckling)。
Δ O
稳定的平衡构形与不稳定的平衡构形之间的分界点称为 临界点(critical point)。对于细长压杆,因为从临界点 开始,平衡路径出现分叉,故又称为分叉点。临界点所 对应的载荷称为临界载荷(critical load)或分叉载荷 (bifurcation load),用FPcr表示。
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(a)
两端铰支
(a=()b1).0
一端自由, 一端铰支,
一(端b((c)a固)) 定 一端(c(固)(db)定)
两端固定
=(d0().c5)
(
=2.0
=0.7
第9章 压杆的稳定问题
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临界应力与临界应力总图
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能否在计算临界载荷之前,预先判断哪一类压杆将 发生弹性屈曲?哪一类压杆将发生超过比例极限的 非弹性屈曲?哪一类不发生屈曲而只有强度问题? 回答当然是肯定的。为了说明这一问题,需要引进 长细比(slenderness)的概念。
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第9章 压杆的稳定问题
临界应力与临界应力总图
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第9章 压杆的稳定问题
临界应力与临界应力总图
三类不同压杆的不同失效形式
细长杆——长细比大于或等于某个极限值p时,压杆将发
生弹性屈曲。这时,压杆在直线平衡构形下横截面上的正 应力不超过材料的比例极限,这类压杆称为细长杆。
长中杆——长细比小于p,但大于或等于另一个极限值s时,
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第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
工程构件稳定性实验
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第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
工程构件 稳定性实验
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第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
压杆稳定性实验
第9章 压杆的稳定问题
直线平衡构形转变为弯曲平
衡构形,扰动除去后,
能够恢复到直线平衡构形,
则称原来的直线平衡构形
是稳定的。
刚性曲面
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第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
判别弹性平衡稳定性的静力学准则 (statical criterion for elastic stability)
材料力学
(9)
清华大学出版社
2020年4月16日
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材料力学 基础篇之九
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第9章 压杆的稳定问题
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下一章
第9章 压杆的稳定问题
压杆
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第9章 压杆的稳定问题
压杆
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第9章 压杆的稳定问题
0 A+1 B 0 sinkl A coskl B 0
根据线性代数知识,上述方程中,常数A、B不全为零
的条件是他们的系数行列式等于零:
01 0
sinkl coskl
sinkl 0
第9章 压杆的稳定问题
两端铰支压杆的临界载荷欧拉公式
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sinkl 0 kl nπ, n 1,2,,
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