第十章 压杆稳定
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第10章压杆稳定学习目标:1.了解失稳的概念、压杆稳定条件及其实用计算;2.理解压杆的临界应力总图;3.掌握用欧拉公司计算压杆的临界荷载与临界应力。
对承受轴向压力的细长杆,杆内的应力在没有达到材料的许用应力时,就可能在任意外界的扰动下发生突然弯曲甚至导致破坏,致使杆件或由之组成的结构丧失正常功能,此时杆件的破坏不是由于强度不够引起的,这类问题就是压杆稳定问题。
本章主要从压杆稳定的基本概念、不同支撑条件下的临界力、欧拉公式的适用条件以及提高压杆稳定性的措施方面加以介绍。
第一节压杆稳定的概念在研究受压直杆时,往往认为破坏原因是由于强度不够造成的,即当横截面上的正应力达到材料的极限应力时,杆才会发生破坏。
实验表明对于粗而短的压杆是正确的;但对于细长的压杆,情况并非如此。
细长压杆的破坏并不是由于强度不够,而是由于杆件丧失了保持直线平衡状态的稳定性造成的。
这类破坏称为压杆丧失稳定性破坏,简称失稳。
一、问题的提出工程结构中的压杆如果失稳,往往会引起严重的事故。
例如1907年加拿大魁北克圣劳伦斯河上长达548m的大铁桥,在施工时由于两根压杆失稳而引起倒塌,造成数十人死亡。
1909年,汉堡一个大型储气罐由于其支架中的一根压杆失稳而引起的倒塌。
这种细长压杆突然破坏,就其性质而言,与强度问题完全不同,杆件招致丧失稳定破坏的压力比招致强度不足破坏的压力要少得多,同时其失稳破坏是突然性,必须防范在先。
因而,对细长压杆必须进行稳定性的计算。
二、平衡状态的稳定性压杆受压后,杆件仍保持平衡的情况称为平衡状态。
压杆受压失稳后,其变形仍保持在弹性范围内的称为弹性稳定问题。
如图110-所示,两端铰支的细长压杆,当受到轴向压力时,如果是所用材料、几何形状等无缺陷的理想直杆,则杆受力后仍将保持直线形状。
当轴向压力较小时,如果给杆一个侧向干扰使其稍微弯曲,则当干扰去掉后,杆仍会恢复原来的直线形状,说明压杆处于稳定的平衡状态(如图)-所示)。
第十章 压杆稳定
学时分配:共6学时
主要内容:两端铰支细长压杆的临界压力,杆端约束的影响,压杆的长度系数μ,临界应力欧拉公式的适用范围;临界应力总图、直线型经验公式λσb a cr -=,使用安全系数
法进行压杆稳定校核。
$10.1压杆稳定的概念
1.压杆稳定
若处于平衡的构件,当受到一微小的干扰力后,构件偏离原平衡位置,而干扰力解除以后,又能恢复到原平衡状态时,这种平衡称为稳定平衡。
2.临界压力
当轴向压力大于一定数值时,杆件有一微小弯曲,一侧加一微小干扰且有一变形。
任一微小挠力去除后,杆件不能恢复到原直线平衡位置,则称原平衡位置是不稳定的,此压力的极限值为临界压力。
由稳定平衡过渡到不稳定平衡的压力 的临界值称为临界压力(或临界力),用
τ
c P 表示。
3.曲屈
受压杆在某一平衡位置受任意微小挠动,转变到其它平衡位置的过程叫屈曲或失稳。
$10.2细长压杆临界压力的欧拉公式
1.两端铰支压杆的临界力
选取如图所示坐标系xOy 。
距原点为x 的任意截面的挠度为v 。
于是有
Pv M -=
2.挠曲线近似微分方程:
将其代入弹性挠曲线近似微分方程,则得
()Pv x M EIv -==''
令 EI P k =
2
则有
0'2''=+v k v
该微分方程的通解为
kx B kx A v cos sin +=
c r c r
式中A 、B ——积分常数,可由边界条件确定 压杆为球铰支座提供的边界条件为
0=x 和l x =时,0=v
将其代入通解式,可解得
0=B ,0sin =kl A
上式中,若A=0,则0=v ;即压杆各处挠度均为零,杆仍然保持直线状态,这与压杆处于微小弯曲的前提相矛盾。
因此,只有
0sin =kl
满足条件的kl 值为
πn kl =),2,1,0(Λ=n
则有
l n k π=
于是,压力P 为
2222
l EI
n EI k P π=
=
1=n 得到杆件保持微小弯曲压力-临界压力τc P 于是可得临界压力为
2
2l EI P c πτ= 此式是由瑞士科学家欧拉(L. Euler )于1744年提出的,故也称为两端铰支细长压杆的
欧拉公式。
此公式的应用条件:理想压杆;线弹性范围内;两端为球铰支座。
$10.3其他条件下压杆的临界压力
欧拉公式的普遍形式为
22)(l EI P cr μπ=
式中μ称为长度系数,它表示杆端约束对临界压力影响,随杆端约束而异。
l μ表示把压杆折算成相当于两端铰支压杆时的长度,称为相当长度。
两端铰支,1=μ;一端固定另一端自由2=μ;两端固定,2
1=μ;一端固定令一
端铰支,7.0=μ。
例:试由一端固定,一端简支的细长压杆的挠曲线的微分方程,导出临界压力。
解:
由挠曲线的微分方程可得
EI x l R v EI P EI
M dx v d )
(22-+-==
方程的通解为
()x l EIk R
kx C kx C v -+
+=2
21sin cos 固定支座的边界条件是
0=x 时,0=v ,
0=dx dv
l x =时,0=v ,
0=dx
dv
边界条件带入上面各式得
0,0sin cos ,02
22121=-=+=+
EIk
R kC kl C kl C l EIk R C 解得
kl kl =tan
作出正切曲线,与从坐标画出的45º斜直线相交,交点的横坐标为
()22
/493.4l EI P cr =
弯矩为零的C 点的横坐标l k
x c 3.0352
.1≈=
$10.4 压杆的稳定校核
1.压杆的许用压力
[]st
cr n P P =
[]P 为许可压力;st n 为工作安全系数。
2.压杆的稳定条件
[]P P ≤
例 平面磨床液压传动装置示意图。
活塞直径mm D 65=,油压MPa p 2.1=。
活塞杆长度mm l 1250=,材料为35钢,MPa P 220=σ,GPa E 210=,6=τs n 。
试确定活塞杆的直径。
解:
(1)轴向压力
()N p D P 3980102.110654
4
62
32=⨯⨯⨯=
=
-π
π
(2)临界压力
N P n P st cr 2390039806=⨯==
(3)确定活塞杆直径
由()
N l EI
P cr 239002
2==μπ得出m d 025.0≈ (4)计算活塞杆柔度
2004
025
.025
.11=⨯=
=
i
l
μλ
对35号钢,9710220102106
9
221=⨯⨯⨯==
πσπλP E 因为1λλ〉,满足欧拉公式的条件。
活塞杆。