材料力学 第十章 压杆稳定问题

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材料力学10压杆稳定_1欧拉公式

材料力学10压杆稳定_1欧拉公式

◆ 本例中,三杆截面面积基本相等,但由于其形状不同, Imin 不
同,致使临界力相差很大。最合理的截面形状为圆环形。
14
[例3] 图示各杆均为圆形截面细长压杆。已知各杆的材料及直径相 等。问哪个杆先失稳? 解:由于各杆的材料及 截面均相同,故只需比
1.3 a F F F
较其相当长度 l 即可
a
杆A: 2 l 2a
F
F
2 1
0.7
压杆两端固定可轴向移动:
0.5
6
上述弹性压杆临界力的计算公式称为欧拉公式
Fc r
π 2 EI
l
2
说明: 1)欧拉公式的适用范围:线弹性( ≤ p)
2)在压杆沿各个方向约束性质相同的情况下(即各个方向上 的 相等),I 应取最小值 3) l 称为压杆的相当长度
2
2000年10月25日上午10 时,南 京电视台演播中心由于脚手架 失稳使屋顶模板倒塌,导致死 6 人,伤 34 人。
3
2010年1月3日,通往昆明新机场的一座在建桥梁施工时因 支撑结构中的压杆失稳而坍塌,共导致 40 余人死伤。
4
二、压杆的临界力 使压杆由稳定向失稳转化的轴向压力的界限值称为压杆的临界力, 记作 Fcr 。即当 F < Fcr : 压杆稳定 F ≥ Fcr : 压杆失稳 亦可将压杆的临界力 Fcr 理解为使压杆失稳的最小轴向压力
hb3 1 Iy 90 403 48 108 m 4 12 12
根据欧拉公式,此压杆的临界力
Fcr
π 2 EI y l
2
23.8 kN
11
[例2] 一端固定,一端自由的中心细长压杆。已知杆长 l = 1m , 材 料的弹性模量 E = 200 GPa。当分别采用图示三种截面时,试计算 其临界力。

材料力学10压杆稳定_2经验公式

材料力学10压杆稳定_2经验公式
其中,直线公式适用的柔度的界限值 s = (a-s) / b,为材料常数
这类杆称为中长杆(或中柔度杆),亦即直线公式适用于中长杆 (或中柔度杆)
说明: 当 ≤ s,称为粗短杆,则应按强度问题处理。
三、临界应力总图
压杆的临界应力 cr 可视作压杆柔度 的分段函数,即
π2E 2
cr
查表得 a = 461 MPa、b = 2.567 MPa
临界应力 临界力
cr a b 461 2.567 64.7 294.9 MPa Fcr cr A 162.7 kN
3)由于连杆在 x-y、x-z 两个平面内的柔度 z = 64.7、y = 57.4 比

π 2 EI min
0.7l 2
870 kN
2)两端固定但可沿轴向相对移动
长度因数 = 0.5, 立柱柔度
3600
zz
s


l
imin

0.5 3600 24
75 p
此时,立柱为中柔度杆,应用直线公式计算其临界力
由表 10-2 查得 a = 304 MPa,b = 1.12 MPa
临界应力 临界力
cr a b 304 1.12 75 220 MPa Fcr cr A 220 48.541 1068 kN
[例2] 图示连杆,已知材料为优质碳钢,弹性模量 E = 210×109 GPa, 屈服极限 s = 306 MPa。试确定该连杆的临界力Fcr ,并说明横截面的 设计是否合理。
解: 由于连杆在两 个方向上的约束情 况不同,故应分别 计算连杆在两个纵 向对称平面内的柔 度,柔度大的那个 平面即为失稳平面
1)计算柔度 在 x-y 平面(弯曲中性轴为 z 轴): 两端铰支

《材料力学压杆稳定》课件

《材料力学压杆稳定》课件

05
压杆稳定性设计原则与实例
压杆稳定性设计原则
压杆稳定性是指压杆在受到外力作用 时,能够保持其原有平衡状态的能力 。
压杆稳定性设计原则是确保压杆在使 用过程中能够承受外力作用,避免发 生失稳和破坏的关键。
设计压杆时,应遵循以下原则:选择 合适的材料、确定合理的截面尺寸、 优化压杆长度和形状、避免过大的偏 心载荷等。
本课程介绍了多种稳定性分析方法,包括欧拉公式法、经验公式法、能量法等。通过这些 方法的学习和应用,我们能够根据不同情况选择合适的分析方法,对杆件进行准确的稳定 性评估。
实际应用与案例分析
本课程结合实际工程案例,对压杆稳定问题进行了深入的探讨和分析。通过这些案例的学 习,我们了解了压杆稳定问题在实际工程中的重要性和应用价值,提高了解决实际问题的 能力。
不同截面形状的压杆,其临界载荷和失稳形态 存在差异。
支撑条件
支撑刚度、支撑方式等对压杆的稳定性有重要 影响。

提高压杆稳定性的措施
选择合适的材料
选择具有高弹性模量和合适泊松 比的材料,以提高压杆的稳定性

优化截面形状与尺寸
通过改变截面形状或增加壁厚等 方法,提高压杆的稳定性。
改善支撑条件
采用具有足够刚度的支撑,并合 理布置支撑位置,以提高压杆的
的比率。
03
压杆稳定性的定义与分类
压杆稳定性的定义
压杆稳定性是指压杆在受到轴向 压力时,保持其平衡状态而不发
生弯曲或屈曲变形的能力。
压杆稳定性问题主要关注的是压 杆在轴向压力作用下,是否能够 保持直线形状而不发生弯曲变形

压杆的稳定性取决于其自身的力 学特性和外部作用力的大小和分
布。
压杆稳定性的分类

材料力学-10-压杆的稳定问题

材料力学-10-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:
0
1
sinkl coskl
0
sinkl 0
第10章 压杆的稳定问题
两端铰支压杆的临界载荷欧拉公式
sinkl 0
FP k EI
第10章 压杆的稳定问题
临界应力与临界应力总图 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 A
其中,I为压杆横截面的惯性半径,由下式确定:
i
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。
不同刚性支承条件下的压杆,由静力学平衡方法得到的平衡 微分方程和边界条件都可能各不相同,确定临界载荷的表达式亦 因此而异,但基本分析方法和分析过程却是相同的。对于细长杆, 这些公式可以写成通用形式:
FPcr
π 2 EI
l
2
这一表达式称为欧拉公式。其中l为不同压杆屈曲后挠曲线上正弦 半波的长度,称为有效长度(effective length); 为反映不同支承 影响的系数,称为长度系数(coefficient of 1ength),可由屈曲后 的正弦半波长度与两端铰支压杆初始屈曲时的正弦半波长度的比 值确定。
第10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
前面已经提到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

材料力学之压杆稳定

材料力学之压杆稳定

25
解: 图 (a) 中, AD 杆受压
N AD
2EI
2 P1
2
2a
1 2EI
P1 22
a2
图 (b) 中, AB , BD 杆受压
N AB
NBD
P2
2EI a2
2EI
P2 a 2
26
例: 长方形截面细长压杆, b/h=1/2 ; 如果将 b 改为 h 后
仍为细长杆, 临界力 Pcr 是原来的多少倍?
解: (1).
Pcr
2EI ( l)2
2E d4
64
( l)2
1 16
(2).
2E I正
Pcr正 ( l)2 Pcr圆 2 E I 圆
I正 I圆
a4
12
d4
d
4
2
2
12
d4
3
( l)2
64
64
28
例: 三种不同截面形状的细长压杆如图所示。 试: 标出压杆失稳时各截面将绕哪根形心主惯性轴转动。
解:
2E Ib
Pcr b Pcr a
( l)2 2EIa
( l)2
Ib Ia
h4
12 hb 3
h b
3
8
12
27
例: 圆截面的细长压杆, 材料、杆长和杆端约束保持
不变, 若将压杆的直径缩小一半, 则其临界力为 原压杆的_116_; 若将压杆的横截面改变为面积相同 的正方形截面, 则其临界力为原压杆的__3 倍。
工程上要求 Pmax< Pcr
与压杆的材料、截面形式、 长度、及杆端约束有关1。8
§10-2 细长压杆的临界压力欧拉公式
一. 两端铰支细长压杆的临界压力 设: 理想的中心受压细长杆, 在最小抗弯平面内失稳。

压杆·稳定性

压杆·稳定性

=
2 ,因为 h>b ,则 I y
=
hb3 12
< bh3 12
=
Iz ,由式(10.3)得
Pcr
=
π 2 EI (μl)2
=
π2
× (200 ×103
MPa) × ( 1 × 40 mm × (20 12
(2 ×1000 mm)2
mm)3 ) ≈13200
N
= 13.2
kN
10.2.2 临界应力
当压杆受临界压力作用而维持其不稳定直线平衡时,横截面上的压应力仍然可按轴向压
10.3.2 临界应力经验公式与临界应力总图
在工程实际中,常见压杆的柔度λ 往往小于 λp ,即 λ<λp ,这样的压杆横截面上的应力 已超过材料的比例极限,属于弹塑性稳定问题。这类压杆的临界应力可通过解析方法求得, 但通常采用经验公式进行计算。常见的经验公式有直线公式与抛物线公式等,这里仅介绍直 线公式。把临界应力 σcr 与柔度λ 表示为下列直线关系称为直线公式。
式中,λ 称为压杆的柔度或长细比,为无量纲量,它综合反映了压杆的长度、约束形式及截 面几何性质对临界应力的影响。于是,式(10.4)中的临界应力可以改写为
·219·
材料力学
σ cr
=
π2E λ2
式(10.6)是欧拉公式(10.3)的另一种表达形式,两者并无实质性差别。
(10.6)
10.3 欧拉公式的适用范围·临界应力总图·直线公式
2
≤σ
p

λ≥π E σp
(10.7)

于是条件式(10.7),可以写成
λP = π
E σp
(10.8)
λ ≥ λp
(10.9)

第十章 材料力学压杆稳定

第十章 材料力学压杆稳定
2
y
即 : 189.325.612.74(1.52a/2) 时合理
a4.32 cm
求临界力:

L 0.76
i Iz 2A1

0.76 396.610 212.74104
8
106.5
2 E 220010 9 p 99.3 6 P 20010
2 EI
(2l ) 2
=1
0.7
=0.5
=2
2l
l
例1钢质细长杆,两端铰支,长l=1.5m,横截面是矩形截面, h=50 mm,b=30 mm,材料是A3钢,弹性模量E=200GPa; 求临界力和临界应力。 解:
(1)由于杆截面是矩形,杆在不同方向发生弯曲的难易程度不同, 如下图
因为 Iy<Iz,所以在各个方向上发生弯曲时约束条件相同的情况下, 压杆最易在xz平面内发生弯曲;
三、其它支承情况下,压杆临界力的欧拉公式
2 EI min Pcr ( L) 2
压杆临界力欧拉公式的一般形式
—长度系数(或约束系数)。
1.一端固定一端自由的细长压杆,它相当于两端铰支长为2l的 压杆的挠曲线的一半部分;
2 EI 2 EI
4l
2
Pcr
2l
2

P l l
2.二端固定的细长压杆,其中间部分(0.5l) 相当于两端铰支长为 0.5l的压杆;
②挠曲线近似微分方程: M P y y EI EI P y y y k 2 y0 EI P 2 其中 :k EI
y
P x
M
P
③微分方程的解: ④确定积分常数:
y Asin xBcosx y(0) y( L)0
A0B0 即 : AsinkLBcoskL0

材料力学第十章 压杆稳定性问题2

材料力学第十章 压杆稳定性问题2
在求Pcr 及 cr的基础上,进行稳定性校核。 的基础上 进行稳定性校核
Pcr P Pcr nst
nst 为稳定安全系数, 为稳定安全系数 一般大于强度安全系数 般大于强度安全系数。 由于初曲率、载荷偏差、材料不均匀、有钉子孔 等 都会降低 Pcr 。而且柔度越大,影响越大。 等,都会降低 而且柔度越大 影响越大
S
cr
max
若 P ,图中CD段选欧拉公式 若 S P ,图中 图中BC段选经验公式 若 S ,图中AB段按强度计算,即 cr
何斌
s
Page 13
Q235钢制成的矩形截面杆,两端约束以及所承受的载 荷如图示 荷如图示((a)为正视图(b)为俯视图),在AB两处为销钉 为 视图 为俯视图 在 两处为销钉 连接。若已知L=2300mm,b=40mm,h=60mm。材料的弹性模 量E=205GPa。试求此杆的临界载荷。 正视图平面弯曲截面z绕轴 正视图平面弯曲截面z 转动;俯视图平面弯曲截 面绕y 面绕 y轴转动。 轴转动 正视图:
2 对中长杆由于 cr与 P , s b 有关 2. 强度越高, cr也越高 3 对短粗杆:强度问题 3. 对短粗杆 强度问题
何斌
P

时才适用
2E P 2
2E P
E
P
P
欧拉公式适用于 P
Page 6
材料力学
第十章 压杆稳定问题
10.4 临界应力和长细比 细长杆 中长杆和短粗杆 细长杆、中长杆和短粗杆
1.细长杆: ① P 的压杆称为细长杆。 的压杆称为细长杆 ② 此类压杆只发生了弹性失稳 ③ 稳定计算:欧拉公式 稳定计算 欧拉公式
何斌
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由杆,B处内力偶
MB Fcraq1 , q1
由梁,B处转角
MB Fcr a
q2

MBl 3EI
q1 B
MB MBl Fcra 3EI
3EI Fcr al
q2 C
l
Page21
第十章 压杆稳定问题
作业
10-2b,4,5,8
Page22
第十章 压杆稳定问题
§10-3 两端非铰支细长压杆的临界载荷
稳定平衡
b. F k l
临界(随遇)平衡
c. F k l
不稳定平衡
Fcr kl 临界载荷
F
k l
F 驱动力矩 k l 恢复力矩
Page 5
第十章 压杆稳定问题
(3)受压弹性杆受微干扰
F Fcr 稳定平衡 压杆在微弯位置不能平衡,要恢复直线
F >Fcr 不稳定平衡 压杆微弯位置不能平衡,要继续弯曲,导致失稳
(

w)
令 k2 F
EI
d 2w dx2

k
2w

k
2
l
l
FM w
x
F B
F

B F
Page24
第十章 压杆稳定问题
d 2w dx2

k2w

k 2
F
w

通解:
A
x
B
w Asinkx Bcoskx
l
考虑位移边界条件:
x 0, w 0,
B
x 0, q dw 0
Page31
第十章 压杆稳定问题
二、类比法确定临界载荷
l
F
1. 一端固支一端自由:
观察:受力与变形与两端 铰支压杆左半部分相同
F
F
l
l
类比:一端固支一端自由长l的压杆的临界载荷等于 长2l的对应铰支压杆的临界载荷。
2 EI 2 EI
Fcr (2l )2 4l 2
与解析法结果相同
Page32

2 EI z
l2
其中=0.5 ~1, Iy<Ix
需要判断,杆件总沿临界载荷最小的方向失稳
z
a
Iy

hb3 12
bh3 Iz 12
Page20
第十章 压杆稳定问题
习题10-3:AB刚性杆,BC弹性 梁,弯曲刚度EI,求Fcr
FF A
解:考虑梁杆结构的临界平
a
衡,B为刚性接头,在B处
q1 q2
F
EI
l
解: (1)分析失稳曲线特征: 两端转角为零,B端水平 位移不为零。
(2)类比长为2l 的两端固支杆
Page36
例: 试用类比法求临界载荷
第十章 压杆稳定问题
F
l
F
l
解:(1)分析失稳曲线特征:两端转角为零,B端水平 位移不为零。
(2)分析临界失稳的变形,类比长为2l 的两端固支杆
2 EI 2EI
4.4932 EI 2EI
Fcr
l2
(0.7l)2
思考讨论题:
力学模型(有条件的随遇平衡)、
数学方程(微分方程)、有条件的
随遇平衡的数学表达(齐次方程的 非零解)之间的对应关系。
FR F
x
l
Page30
第十章 压杆稳定问题
上一讲回顾
1.弹性平衡稳定性的概念 受压杆件保持初始直线平衡状态 的能力称为压杆的稳定性;弹性体保持初始平衡状态的能力 称为弹性平衡的稳定性。
A 问题的提出:强度条件是否适用于下列拉压杆?
F
FF
F
短粗杆
F
F
F
F
细长杆
Page 2
第十章 压杆稳定问题 工程实例:石桥、钢桥与稳定问题
左图:隋朝建成 的赵州桥
右图: Tacoma 海峡 大桥1940年破坏
Euler(1707-1783)首先从理论上研究了压杆稳定问题(Euler理论)
Page 3
Page18
第十章 压杆稳定问题
例:确定图示压杆的临界载荷(h>b)
y
O
z
xF
l
F
h
解:临界载荷
Fcr

2 EI
l2
b
y
1. 当两端的约束是球形铰。
I

Iy
2
Iz

Iy
2
Iz
cos 2a

I yz sin 2a
z
a
Iz

bh3 12
Iy

hb3 12
压杆在x-z平面内失稳
Fcr
Asin kl 0
•存在非零解的条件: sin kl 0
Page13
第十章 压杆稳定问题
•临界载荷欧拉公式
F
F
sin kl 0
kl n
k n
l
注意到: F k 2 , EI
F

n2 2EI
l2
设: n=1
2 EI
Fcr l 2
(n 1, 2 )
Page14
由对A的力矩平衡
解析法确定临界载荷:铰支-固支压杆 类比法确定临界载荷 相当长度与长度因素 例题
Page23
第十章 压杆稳定问题
一、解析法确定临界载荷
1. 固支-自由压杆
根据微弯临界平衡状态 建立微分方程
A
M(x) F( w)
d2w M(x)
dx2 EI
A
d 2w dx 2

F EI
第十章 压杆稳定问题
•刚体与变形体的稳定性
(1)刚性面上,刚性球受微干扰
F F
FR
FR
W
a. 合力FR指向平衡位置
W
b. FR为0
W
c. FR偏离平衡位置
稳定平衡
临界(随遇)平衡
不稳定平衡
Page 4
第十章 压杆稳定问题
(2)刚杆-弹簧系统受微干扰
刚杆-弹簧系统稳定性演示
a. F k l
d 2w dx 2

F EI
w

FR EI
(l

x)
x
M ( x) FR
Fw
lx
FR F
FR
F
通解:
w

A sin
kx

B cos
kx

FR EIk 2
(l

x)
(k2 F ) EI
Page27
第十章 压杆稳定问题
通解:
w

A sin
kx

B cos
kx

FR EIk 2
(l

x)
(k2 F ) EI
0 k sin kl
1 0 cos kl
l
EIk 2

1 EIk
2
0
0
Asin kl Bcos kl 0
FR
F x
l
tan kl kl
Page29
第十章 压杆稳定问题
tan kl kl
y1 tan kl y2 kl
( kl)a 4.493
F k2EI
F l 4.493 EI
比较显示了理想压杆小挠度理论的实际意义。
Page17
第十章 压杆稳定问题
例:确定图示压杆的临界载荷(h>b)
y
l
O
xF
z
解:临界载荷
Fcr

2 EI
l2
问题:结构在哪个平面内失稳? 临界载荷等于多少?
1. 当两端的约束是球形铰。
F
h
b
y
z
a
2. 当两端的约束是圆柱形铰,圆柱销轴线沿z轴。
B Fcr
0.7l B Fcr
Fc Br 0.7l
Page33
3. 两端固支压杆:
拐点
l4
l2
第十章 压杆稳定问题
拐点
Fcr l4
Fcr


(l
2 EI / 2)2
Fcr
Fcr
l2
Page34
第十章 压杆稳定问题
三、欧拉公式的统一表达式:
Fcr

2 EI
l2
1
2 EI
Fcr (2l )2
薄壁圆筒轴向受压
Page 8
•风洞颤振试验照片
第十章 压杆稳定问题
左侧为风速低于颤振速度,结构稳定; 右侧为风速等于颤振速度,结构振动发散。
Page 9
•飞机颤振问题研究
第十章 压杆稳定问题
Page10
第十章 压杆稳定问题
§10-2 两端铰支细长压杆的临界载荷
• •














考虑位移边界条件:
x 0, w 0
B
FR l EIk 2
0
x 0, w' 0
Ak
FR EIk 2
0
FR
F x
l
x l, w 0 Asin kl Bcos kl 0
Page28
第十章 压杆稳定问题
B
FR l EIk 2
0
Ak
FR EIk 2
0
•存在非零解的条件:
2
2 EI
Fcr l / 22
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