材料力学教案-压杆稳定
第九章-压杆稳定
第九章压杆的弹性稳定分析与稳定性设计————材料力学教案第九章 压杆的弹性稳定分析与稳定性设计刚体的平衡位形和弹性体的平衡构形都存在稳定与不稳定问题。
本章首先介绍关于弹性体平衡构形稳定性的基本概念。
然后根据微弯的屈曲平衡构形，由平衡条件和小挠度微分方程以及端部约束条件，确定不同刚性支承条件下弹性压杆的临界荷载。
最后介绍两种工程中常用的压杆稳定设计方法。
§9-1弹性体平衡构形稳定性的基本概念1. 弹性稳定性的静力学判别准则结构构件或者机器零件在荷载作用下，在某一位置保持平衡，这一平衡位置称为平衡构形。
例如弹性压杆具有直线平衡构形和弯曲平衡构形两种形式。
当载荷小于一定的数值时，微小外界扰动使其偏离初始平衡构形；外界扰动除去后，构件仍能回复到初始平衡构形，则称初始平衡构形是稳定的；当载荷大于一定的数值时，微小外界扰动使其偏离初始平衡构形；外界扰动除去后，构件不能回复到初始平衡构形，则称初始平衡构形是不稳定的。
此即判别弹性稳定性的静力学准则。
不稳定的平衡构形在任意微小的外界挠动下，都要转变为其它平衡构形或失稳，这种过程称为屈曲或失稳。
通常，屈曲将导致构件失效——称屈曲失效。
由于这种失效具有突发性，常给工程带来灾难性后果。
2. 弹性压杆的平衡构形及分叉屈曲轴向受压的理想细长直杆，当轴向压力小于一定数值时，压杆只有一种稳定的直线平衡构形；当轴向压力大于一定数值时，压杆存在直线或者屈曲的两种可能的平衡构形，而且直线平衡构形在微小侧向干扰力作用下立即会转变成不稳定的屈曲平衡构形，这种现象称为平衡构形分叉。
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，从临界点开始会出现平衡构形分叉现象，所以又称为分叉点。
临界点对应的荷载称为临界载荷或者分叉荷载，用Pcr F 表示。
直线平衡构形式形弯曲平衡构形图9-1a图9-1b§9-2确定分叉载荷的平衡方法1. 两端铰支的压杆考察如图9-2a 所示受压的理想直杆，忽略剪切变形影响及杆的轴向变形。
材料力学-压杆稳定
Pcr
2 EI
l2
此时若杆件横截面不同时 ，取 I I m in ，弯曲发生在抗弯 能力最弱的平面内。称最小刚度平面。 对于其他约束条件，常数 c1, c2 , k 由约束条件确定，经推导得： 两端铰支： 1 微弯曲线为正弦半波形状 2 EI 一端固定一端自由： 2 微弯曲线为半个正弦半波 pcr 2 ( l ) 两端固定： 0.5 一端固定一端铰支： 0.7
n0 p 0
不符合情况
n 1 pcr
2 EI
l2
这就是确定两端铰支压杆临界载荷的 欧拉公式，其临界力称欧拉临界力。它 与抗弯刚度EI成正比，与杆长L2成反比。 这公式只适用于弹性稳定问题
7
此时挠度
n y ( x) c1 sin k x c1 sin x l x y ( x) c1 sin (0 x l ) 正弦半波形 l
10
§13-5
临界应力与柔度、三类不同的压杆
杆件尺寸不同，其失稳的形式也不同。P335 对于“细长”杆：发生弹性失稳的可能性较大。 ---“弹性屈曲” 对于“粗短”杆：发生材料屈服的可能性较大。 ---“屈服” 对于“中长”杆：有可能发生失稳，但其临界应力已超过比例极 限， 局部区域已进入塑性。 ----“弹塑性屈曲” 怎样区分三类不同的压杆？即多长的杆会发生弹性屈曲、屈服 、弹—塑性屈服？下面引入“柔度”概念。 临界应力 cr ： Pcr cr
3
当纵向力P较小时，可看到扰动除去后，杆经若干次振动 而恢复原来的直线形式，即表明此时压杆直线形式的弹性平衡 是稳定的。 当总向力P较大时，可看到扰动除去后，杆不能恢复原来 的直线形式，而且继续弯曲，最后转入新的稳定平衡形式。即 曲线形式或由于弯曲太甚而杆被折断，此表明原来的弹性平衡 不稳定。 这说明：当压力大于一定数值时，压杆存在两种可能的平衡 形式。即直线和弯曲的平衡形式。但直线形式是不稳定的。而 压杆从直线平衡形式到弯曲平衡形式的转变称为“失稳”或“ 弯曲”。 那么当压力多大时，直线平衡形式不稳定（被破坏）？
材料力学之压杆稳定
材料力学之压杆稳定引言材料力学是研究物体内部受力和变形的学科，压杆稳定是其中的一个重要内容。
压杆稳定是指在受到压力作用时，压杆能够保持稳定，不发生失稳或破坏的现象。
本文将介绍压杆稳定的基本原理、稳定条件以及一些常见的失稳形式。
压杆的受力分析在进行压杆稳定分析前，我们首先需要对压杆受力进行分析。
压杆通常是一根长条形材料，两端固定或铰接。
在受到外部压力作用时，压杆会受到内部的压力，这些压力会导致杆件产生变形和应力。
在分析压杆稳定性时，我们主要关注压杆的弯曲和侧向稳定性。
压杆的基本原理压杆的稳定性是由杆件的弯曲和侧向刚度共同决定的。
当压杆弯曲和侧向刚度足够大时，压杆能够保持稳定。
所以，为了提高压杆的稳定性，我们可以采取以下几种措施：1.增加杆件的截面面积，增加抗弯能力；2.增加杆件的高度或长度，增加抗弯刚度；3.增加杆件的横向剛性，增加抗侧向位移能力；4.添加支撑或加固结构，增加整体稳定性。
压杆的稳定条件压杆稳定的基本条件是在承受外部压力时，内部应力不超过材料的极限强度。
当内部应力超过材料的极限强度时，压杆将会发生失稳或破坏。
在实际工程中，我们一般采用压杆的临界压力比来判断压杆的稳定性。
临界压力比是指杆件在失稳前的临界弯曲载荷与临界弯曲载荷之比。
当临界压力比大于1时，压杆是稳定的；当临界压力比小于1时，压杆是不稳定的。
临界压力比的计算可以采用欧拉公式或者Vlasov公式等方法。
这些方法能够给出压杆在不同边界条件下的临界压力比。
在工程实践中，我们可以根据具体问题选择合适的方法来计算临界压力比。
压杆的失稳形式压杆失稳通常有两种形式：弯曲失稳和侧向失稳。
弯曲失稳压杆的弯曲失稳是指杆件在受到外部压力作用时，发生弯曲变形并导致失稳。
在弯曲失稳中，压杆的弯曲形态可以分为四种：1.局部弯曲失稳：杆件出现弯曲局部失稳，形成凸起或凹陷；2.局部弯扭失稳：杆件出现弯曲和扭曲共同失稳；3.全截面失稳：整个杆件截面均发生失稳；4.全体失稳：整个杆件完全失稳并失去稳定性。
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
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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
压杆稳定《材料力学》ch-12课件
实验设备与步骤
实验设备：压杆实验装置、压力表、砝码、各 种不同材料和截面形状的细长杆。
01
1. 准备不同材料和截面形状的细长杆，将 其固定在压杆实验装置上；
03
02
实验步骤
04
2. 在杆的一端施加砝码，逐渐增加压力， 观察压杆在不同压力下的失稳现象；
3. 记录不同条件下（如不同材料、截面形 状、长度、直径等）压杆的失稳载荷；
析。
欧拉公式与临界应力
欧拉公式是计算细长压杆临界应力的公式，其形式为： Pcr = π²EI/L²。
输标02入题
其中，Pcr是临界力，E是弹性模量，I是压杆横截面的 惯性矩，L是压杆长度。
01
03
临界应力是衡量压杆稳定性的重要指标，当压杆所受 应力小于临界应力时，压杆处于稳定状态；当所受应
力大于临界应力时，压杆将发生屈曲失稳。
04
通过欧拉公式可以计算出不同长度和形状的细长压杆 的临界应力。
不同长度压杆的稳定性分析
对于不同长度的压杆，其稳定性分析方法有所不同。
对于细长压杆，可以采用欧拉公式进行计算；对于短粗杆，需要考虑剪切变形和弯 曲变形的影响，可以采用能量法或有限元法进行分析。
在进行稳定性分析时，需要考虑压杆的实际工作条件和载荷情况，以确定合理的分 析方法和参数。
起重机的吊臂、支腿等部位需要承受 较大的压力和弯矩，压杆稳定问题直 接关系到设备的安全性和稳定性。
发动机支架
发动机支架需要承受较大的振动和压 力，压杆稳定问题对于保证发动机的 正常运行至关重要。
其他领域的压杆稳定问题
航空航天
飞机和火箭的结构需要承受较大的气动压力和加速度，压杆稳定问题直接关系到飞行器的安全性和稳定性。
材料力学9 压杆稳定
2.0
# 一端固定，另一端自由
0.7
Fcr
π 2 EI
2l 2
# 一端固定，另一端铰支
Fcr
π 2 EI
0.7l 2
Fcr
π 2 EI
(l)2
欧拉公式的普遍形式
第九章 压杆稳定
Fcr
π 2 EI (l)2
P297
杆端的约束愈强，则 µ值愈小，压杆的临界载荷愈高； 杆端的约束愈弱，则 µ值愈大，压杆的临界载荷愈低。
第九章 压杆稳定
例： 图示各杆材料和截面均相同，试问哪一 根杆能承受 的轴向压力最大， 哪一根杆能承受的轴向压力最小？
P
P
P
a 1.3 a
1.6a
(1)
(2)
(3)
相当长度 (l)1 2a (l)2 1.3a
(l)3 0.7 1.6a 1.12a
l1 l2 l3
第九章 压杆稳定
讨论： 2
第二特征柔度，只与材料性质有关
① 适用范围: s cr a b s s (塑性材料)
a
ss
b
2
Q235 钢 ss 235MPa, a 304MPa, b 1.12MPa
2 60
② 2 1 中柔度杆或中长杆
③ 2 s cr s s
第九章 压杆稳定
讨论：
l
Fcr
π 2 EI
(l)2
长度因数 （反映杆端约束牢固程度）
相当长度
表明某种杆端约束情况下，长度为l 的压杆的稳
定性，与长度为l 的两端铰支压杆的稳定性相当
材料力学-压杆稳定
1．直线型经验公式
对于柔度(λs≤λ<λp)的中柔 度杆（中长压杆），临界应力 与λ的关系采用直线公式：
cr a b 13 8
式(13-8)中的系数a,b可查书中表 13-1。 λ的最低界限：
s
a
s
b
(塑性材料)
b
a
b
b
(脆性材料)
---------(13-9)
图13-3
2．抛物线型经验公式
式中有c1,c2,k三个未知量。根据边界条件：当x=0时， yA=0；代入式(c)得c2=0。式(c)成为
y c1 sinkx (d )
当x=l时，yB=0；代入式(d)后可得 c1 sinkl 0 (e)
要满足式(e)，必然是c1或sinkl等于零，若c1=0，则压杆 上各点的位移都为零，这显然与压杆在微弯状态下保持平衡 的前提不符，故必须是sinkl=0。要满足这一条件的kl值为：
kl 0, ,2 ,L ,n （n为正整数）
由k P n 可得：
EI l
P
n2 2 EI
l2
(
f
)
使压杆可能在微弯状态下保持平衡的最大轴向压力，应
该是式(f) 中n=1时的P值，这就是所求的两端铰支压杆的临
界力Pcr，即
Pcr
2 EI
l2
(13 1)
式(13-1)习惯上称为两端铰支压杆的欧拉公式。当各个 方向的支承情况相同时（如两端为球铰），压杆总是在它的 抗弯能力最小的纵向平面内失稳，所以式(13-1)中的EI是压 杆的最小抗弯刚度，即I应取截面的最小形心主惯性矩Imin。
2
图13-4 对于柔度(λ<λc)的杆件，临界应力与λ的关系采用抛物线公式：
材料力学压杆稳定
压杆丧失(sàngshī)其直线形状的平衡而过渡为曲线形
状平衡
（弯曲平衡）
屈曲(qū压杆从直线平衡到弯曲(wānqū)平衡的转变过程； qǔ)：
屈曲位移： 由于屈曲，压杆产生的侧向位移；
通常，屈曲将使构件失效，并导致相关的结构发生坍塌。由 于这种失效具有突发性，常常带来灾难性后果。
第十九页，共108页。
安全系数(ānquánn xìsFhPcùr )法nst
Fcr是压杆的临界载荷
n st 是稳定安全系数。
P为压杆的工作(gōngzuò)载荷，
由于压杆存在初曲率和载荷(zài hè)偏心等不利因素的影响。
n st 值一般比强度安全系数要大些;
越大， n st 值也越大。
在机械、动力、冶金等工业部门，由于载荷情况复杂，一般都 采用安全系数法进行稳定计算。
两端(liǎnɡ duān)固定
Fcr
D
L
C
Fcr
2EI
(1.0l )2
第三十四页，共108页。
Fcr
2 EI
(0.5l )2
长度系数
一端固定(gùdìng)、一端 自由
Fcr
2EI
( 2.0l )2
两端(liǎnɡ duān)铰支
一端固定、一端铰支
Fcr
2EI
(1.0l )2
Fcr
2EI
实际使用的压杆
轴线的初曲率、压力的偏心、材料的缺陷和不均匀 等因素总是存在的，为非理想受压直杆。
第二十七页，共108页。
４、Euler解、精确解、实验结果(jiē guǒ)的比 较：
F
B
D
E
A F
G
C
精确 (jīngquè)
材料力学-压杆的稳定性
11.5 压杆的稳定计算
一、安全系数法
Fcr F [F ] nst
I A
•临界柔度
s — 屈服极限
2E 1 欧拉公式 (大柔度杆) cr 2 1 2 (中柔度杆) cr a b 直线公式
•临界应力
2
(小柔度杆)
cr s
强度问题
临界应力总图：临界应力与柔度之间的变化关系图。
cr
S P
许可外力 [ P ] 。
a
A
30
0
b
P B
C
D
例题：
11.6 提高压杆稳定性的措施
FPcr
2 EI ( l )2
欧拉公式
FPcr 越大越稳定
1) 减小压杆长度 l 2) 减小长度系数μ（增强约束）
3) 增大截面惯性矩 I（合理选择截面形状）
4) 增大弹性模量 E（合理选择材料）
1) 减小压杆长度 l
（绕哪个轴转动）
对于矩形截面：
y
压杆的稳定性
y
h b z
x h z b
1 3 I z bh , 12
1 3 I y hb 12
hb
Iz Iy
所以该矩形截面压杆应在xz平面内 失稳弯曲；即，绕 y 轴转动。
11.3 其他支座条件下细长压杆的临界压力
对于其他支座条件下细长压杆，求临界压力有两种方法：
材料力学 第9章 压杆稳定
第9章 压杆稳定
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
9.1 概述 9.2 细长压杆的临界力 9.3 压杆的临界应力 9.4 压杆的稳定计算 9.5 提高压杆稳定性的措施
小结
材料力学
9.1 概述
第9章 压杆稳定
在绪论中曾经指出，当作用在细长杆上的轴向压力达到或超过一定 限度时，杆件可能突然变弯，即产生失稳现象。杆件失稳往往产生很 大的变形甚至导致系统破坏。因此，对于轴向受压杆件，除应考虑其 强度与刚度问题外，还应考虑其稳定性问题。
（4）临界状态的压力恰好等于临界力，而所处的微弯状态称为屈曲模态， 临界力的大小与屈曲模态有关。
（5）n=2、3所对应的屈曲模态事实上是不能存在的，除非在拐点处增加 支座。这些结论对后面讨论的不同约束情况一样成立。
材料力学
第9章 压杆稳定
9.2 细长压杆的临界力
9.2.2 一端固定、一端自由细长压杆的临界力
w xl
coskl 0
材料力学
9.2 细长压杆的临界力
9.2.2 一端固定、一端自由细长压杆的临界力
coskl 0
kl nπ k nπ
2
2l
Fcr
n 2 π 2EI (2l ) 2
n 1,3,5,
取最小值，可得该压杆临界力Fcr的欧拉公式为:
Fcr
π2EI (2l ) 2
第9章 压杆稳定
材料力学
第9章 压杆稳定
9.2 细长压杆的临界力
计算临界力归结为计算压杆处于微弯状态临界平衡时的平衡方程 及荷载值。 用静力法计算临界力时应按以下的思路来考虑： （1）细长压杆失稳模态是弯曲，所以弯曲变形必须考虑； （2）假设压杆处在线弹性状态； （3）临界平衡时压杆处于微弯状态，即挠度远小于杆长，于是， 梁近似挠曲线的微分方程仍然适用。 （4）压杆存在纵向对称面，且在纵向对称面内弯曲变形。
材料力学压杆稳定
材料力学压杆稳定材料力学是研究物质在外力作用下的形变和破坏规律的学科。
在材料力学中，压杆是一种常见的结构元素，它能够承受压缩力，用来支撑、传递和稳定结构的荷载。
压杆的稳定性是指在外力作用下，压杆不会发生失稳或破坏。
稳定性的分析对于设计和使用压杆结构具有重要意义，可以保证结构的安全可靠性。
本文将从材料的稳定性理论出发，探讨压杆稳定的原理和影响因素。
压杆的稳定性主要受到两种力的影响：压缩力和弯曲力。
压缩力使得杆件在长轴方向上缩短，而弯曲力使得杆件发生侧向的弯曲变形。
这两种力的作用会引起杆件在截面上的应力分布，当这些应力达到一定的极限时，杆件就会发生失稳或破坏。
为了保证压杆的稳定性，需要考虑以下几个因素：1.杆件的形状和尺寸：杆件的形状和尺寸是影响压杆稳定性的重要因素。
一般来说，杆件的截面形状应当是圆形或类圆形，这样能够均匀地分配应力，在承受压力时能够更好地抵抗失稳。
此外，杆件的直径或截面积也应当足够大，以提高材料的稳定性。
2.材料的性质：材料的性质对杆件的稳定性有着重要的影响。
一般来说，杆件所使用的材料应当具有足够的强度和刚度。
强度可以提供杆件抵抗失稳的能力，而刚度可以减小失稳时的弯曲变形。
此外，材料应当具有足够的韧性，以防止杆件发生断裂。
3.杆件的支撑条件：杆件的支撑条件也会对稳定性产生影响。
一般来说，杆件的两端应当进行良好的支撑，以减小弯曲变形和失稳的发生。
支撑条件可以通过适当的连接方式、支撑点的设置和钢结构的设计来实现。
4.外力的作用：外力的作用是导致杆件发生失稳的主要原因。
外力可以包括静力荷载、动力荷载和温度荷载等。
在设计和使用压杆结构时，需要对外力进行充分的分析和计算，确保结构在外力作用下能够稳定运行。
总之，压杆的稳定性是确保结构安全可靠性的重要因素。
在材料力学中，通过对压杆受力和形变规律的分析，可以找到保证压杆稳定的途径和措施。
合理选择杆件的形状和尺寸，使用适当的材料，提供良好的支撑条件，并进行准确的外力分析和计算，可以有效地提高压杆的稳定性，确保结构的安全运行。
材料力学 第10章 压杆稳定
μ=2
欧拉临界压力公式 :
Fcr
2 EI (l )2
应用欧拉公式时，应注意以下两点：
1、欧拉公式只适用于线弹性范围，即只适用于弹性稳定问题
2、 I 为压杆失稳发生弯曲时，截面对其中性轴的惯性矩。
对于各个方向约束相同的情形(例如球铰约束)，I 取截面的 最小惯性矩，即 I＝Imin；
Fcr
2 EI (l )2
压杆临界压力欧拉公式的一般形式
E——材料的弹性模量；
—长度系数（或约束系数），反映了杆端支承对临界载
荷的影响。
压杆临界力与外
l—压杆的计算长度或相当长度。 力有关吗？？
l—压杆的实际长度。
I—压杆失稳发生弯曲时，截面对其中性轴的惯性矩。
适用条件：1.理想压杆；2.线弹性范围内
第10章 压杆稳定
第10章 压杆稳定
§10.1 §10.2 §10.3 §10.4 §10.5 §10.6
工程中的压杆稳定问题 理解
压杆稳定性概念 掌握
细长压杆临界压力的欧拉公式 掌握
压杆的临界应力 掌握
压杆的稳定性计算
掌握
提高压杆稳定性的措施
了解
关键术语
压杆，稳定性，屈曲，稳定失效，临界压力Fcr， 柔度λ（长细比），计算长度μl
重点 1、细长压杆临界压力的欧拉公式 2、压杆的临界应力 3、压杆临界载荷的欧拉公式的适用条件 4、压杆稳定性设计
难点 1、压杆临界压力的计算 2、压杆稳定性设计
§10.1 工程中的压杆稳定问题
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。
F
30mm
材料力学-压杆稳定
18
例题 9-1
解: 1. 建立压杆挠曲的近似微分方程 根据该压杆失稳后符合杆端约束条件的挠曲线的大致形状 可知，任意x 横截面上的弯矩为
M x Fcrd w
杆的挠曲线近似微分方程则为
EIw M ( x)Fcr d w
将上式改写为
w Fcr w Fcr d
(1)
EI EI
2l 2
p 2E hb3
12
2l 2
p 2Eh4
384l 2
Fcr
2
p 2EI
2l 2
p 2E hh3
12
2l 2
p 2Eh4
48l 2
p 2Eh4
Fcr
2
Fcr
1
48l 2
p 2Eh4
8
384l 2
练习2 由Q235钢加工成的工字型截面杆，两端为柱形铰。
在xy平面内失稳时，杆端约束情况接近于两端铰支，z = 1，
第 9 章 压杆稳定
1
§9–1 压杆稳定的概念
一、引言：
第二章中，轴向拉、压杆的强度条件为
max
FN max A
[ ]
例：一长为300mm的钢板尺，横截面尺寸为 20mm 1mm 。
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
w d sin πx
l
可见此时的挠曲线为半波正弦曲线。
15
需要指出的是，尽管上面得到了A=d，但因 为杆在任意微弯状态下保持平衡时d为不确
定的值，故不能说未知量A已确定。 事实上，在推导任何杆端约束情况的细长中 心压杆欧拉临界力时，挠曲线近似微分方程 的通解中，凡与杆的弯曲程度相关的未知量 总是不确定的。
材料力学-10-压杆的稳定性问题
欢迎来到材料力学-10-压杆的稳定性问题演示文稿。今天，我们将探讨压杆的 定义、分类以及影响其稳定性的因素。
压杆的定义和分类
压杆是一种长而细的结构元素，主要通过压力来支撑负载。根据其截面形状，压杆可以分为圆形、方形 和矩形等不同类型。
欧拉公式简介
欧拉公式是用于计算压杆的临界压力的重要公式。它基于结构的刚度和截面的几何特性，帮助我们预测 压杆在不同加载条件下的稳定性。
实例分析
通过实例分析，我们将深入探讨具体的压杆结构，并分析其稳定性问题。了 解实际案例对于理解压杆稳定性的关键因素至关重要。
结论和要点
在本演示文稿中，我们回顾了压杆的定义和分类，介绍了欧拉公式及其应用，探讨了稳定性分析的关键 因素，并通过实例分析展示了压杆的真实应用。记住这些要点，您将能够更好公式
临界压力计算公式是通过将欧拉公式代入材料的弹性模量和截面的惯性矩，从而得出压杆在理想情况下 可能失稳的临界加载。
压杆的稳定性分析
压杆的稳定性分析涉及到考虑加载条件、几何形状以及材料性质等因素。我们将使用数学模型和工程实 践来评估压杆在给定条件下的稳定性。
缺陷对稳定性的影响
压杆的稳定性可能受到结构缺陷的影响，如划伤、弯曲或异物。我们将研究 这些因素如何改变压杆的临界压力和整体稳定性。
《材料力学》第九章 压杆稳定
第九章 压杆稳定§9—1 概述短粗压杆——[]σσ≤=AF Nmax （保证具有足够的强度） 细长压杆——需考虑稳定性。
一、压杆稳定性的概念：在外力作用下，压杆保持原有直线平衡状态的能力。
二、压杆的稳定平衡与不稳定平衡：三、临界的平衡状态：给干扰力时，在干扰力给定的位置上平衡；无干扰力时，在原有的直线状态上平衡。
（它是稳定与不稳定的转折点）。
压杆的临界压力:Fcr （ 稳定平衡的极限荷载）四、判断压杆稳定的标志——F cr稳定的平衡状态——cr F F 临界的平衡状态——cr F F =不稳定的平衡状态（失稳）——cr F F§9—2 两端铰支细长压杆的临界力假定压力以达到临界值，杆已经处于微弯状态且服从虎克定律，如图，从挠曲线入手，求临界力。
①、弯矩：w F x M cr -=)(②、挠曲线近似微分方程：w F x M w EI cr -=='')( 即，0=+''w EIF w cr令 EIF k cr =202=+''w k w ③、微分方程的解：kx B kx A w cos sin += ④、确定微分方程常数：0)()0(==L w w )sin (.0sin 0,B kx w kL ===→πn Kl =（n=0、1、2、3……）EIF L n k cr==∴π222L EI n F cr π=→临界力 F c r 是微弯下的最小压力，故，只能取n=1 ；且杆将绕惯性矩最小的轴弯曲。
2min2cr F L EI π=∴§9—3 其它支承下细长压杆的临界力2min2)(l EI F cr μπ=——临界力的欧拉公式（μ——长度系数，L ——实际长度，μL ——相当长度） 公式的应用条件：1、理想压杆；2、线弹性范围内；【例】：试由挠曲线近似微分方程，导出下述细长压杆的临界力公式。
解：变形如图，其挠曲线近似微分方程为：0)(m w F x M w EI cr -==''EI F k cr =2:令 crF m k w k w EI 022=+'' kx d kx c w sin cos += 边界条件为：.0,;0,0='==='==w w L x w w x, 2,,00πn kL F m d c cr=-== 为求最小临界力， “ n ”应取除零以外的最小值，即取：π2=kL所以，临界力为：2222)2/(4L EIL EI F cr ππ== （μ=0.5）【例】：求下列细长压杆的临界力。
建筑力学电子教案压杆稳定
cr
Fcr A
从前面的推导可以看到，求压杆临界荷载的欧拉公式
只适用于压杆失稳时仍在线弹性范围内工作的情况。
建筑力学电子教案
因此，可以把临界状态下按直杆算得的横截面上的
正应力 cr 不超过材料的比例极限 p 作为欧拉公式适用
范围的判断条件，即
cr p
（1）
引入 Fcr 的表达式，有
cr
Fc r A
2 EI (l )2 A
（2）
式中 I/A 是一个只与截面形状及尺寸有关的量，通常把它 的方根用 i 表示，即
建筑力学电子教案
i I A
称为截面惯性半径，其量纲为长度的一次方。则（2）式
可表示为 其中
cr
2Ei2 ( l ) 2
2E ( l )2
2E 2
l
i
i
（3）
为压杆的柔度，亦称长细比。是一个无量纲的量。它反
kl 0，π , 2π ，
或即
Fcr l 0，π ， 2π ，
EI
由于
Fcr l 0 EI
意味着临界力
Fcr ＝0，也就是杆根本未
受轴向压力，这不是真实情况。在 kl≠0 的解中，最小解相
应于最小的临界力，这是工程上最关心的临界力。
建筑力学电子教案
由 k l＝ 有
Fcr l π EI
亦即
Fcr l 2 π 2 EI
确定的原因是推导采用了挠曲线近似微分方程。如果采用
挠曲线精确微分方程，则可以解出 Fcr ~ 的关系。
12
建筑力学电子教案
§13-3 不同杆端约束下细长压杆临界力的欧
.
拉公式 · 压杆的长度系数
几种理想支端约束条件下的细长压杆
15-压杆稳定-材料力学
中小柔度杆临界应力计算 (大柔度杆) 欧拉公式
S P (中柔度杆)
cr a b s
当 a s 时，经验直线公式
b
s
a
s
b
s (小柔度杆) cr s
39 目录
§15-3 临界应力与柔度 三类压杆
•压杆柔度
l μ的四种取值情况
c
lBC 1 0.5a 0.5a
B
Pcr AB
2 r C
2 EI
0.5a2
A
故取
Pcr
2 EI
0.7 a2
32 目录
a
例题 4 由A3钢加工成的工字型截面杆，两端为柱形绞。
在xy平面内失稳时，杆端约束情况接近于两端绞 支，z = 1，长度为 l1 。在xz平面内失稳时，杆端约束情况接近 于两端固定 y = 0.6 ，长度为 l2 。求 Pcr。
28 目录
细长压杆失稳
29 目录
易拉罐压缩失稳
30 目录
例题 2： 图示各杆材料和截面均相同，试问哪一 根杆能承受的压力最大， 哪一根的最小？
a 1.3 a
1.6a
P P
(1)
(2)
P (3)
因为 l1 l2 l3
又
Pcr
2EI
l 2
可知
Pcr1 Pcr2 Pcr3
临界应力总图
41 目录
§15-3 压杆的临界应力
l
l i
Fcr cr A
42 目录
§15-4 压杆的安全校核
P [Pw ]
Pcr nst
nst：稳定安全系数
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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
令 i
I A
则
σcr
Fcr A
π2 EI
(l)2 A
π2 E
(l)2
i2
π2 E
(l / i)2
令 l
i
则
σcr
π2E
2
Fcr A σcr
i 为压杆横截面对中性轴的惯性半径.
称为压杆的柔度（长细比），集中地反映了压杆的长度l
和杆端约束条件、截面尺寸和形状等因素对临界应力的影响.
越大，相应的 cr 越小，压杆越容易失稳.
x y
z
即分别用 Iy ，Iz 计算出两个临界压力. 然
后取小的一个作为压杆的临界压力.
(Buckling of Columns)
例题1 已知一内燃机、空气压缩机的连杆为细长压杆.截面形状
为工字钢形，惯性矩Iz=6.5×10 4 mm4,Iy=3.8×10 4 mm4，弹性模
量E=2.1×10 5 MPa.试计算临界力Fcr.
1. 欧拉公式临界应力 (Euler’s critical stress)
压杆受临界力Fcr作用而仍在直线平衡形态下维持不稳定平 衡时，横截面上的压应力可按 = F/A 计算.
按各种支承情况下压杆临界力的欧拉公式算出压杆横截面
上的应力为
σcr
Fcr A
π2 EI
(l )2 A
(Buckling of Columns)
x
1000
880
Fcr
π2 EI
(l )2
3.142
2.1 1011 6.5 108 (1 1)2
134.6kN
y
y
z
xOz面：约束情况为两端固定=0.5，I=Iy，l=0.88m x
F
Fcr
π2 EI
(l )2
3.142
2.1 1011 3.8 108 (0.5 0.88)2
l
880
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
临界力的欧拉公式
Fcr
π2 EI l2
Fcr
π2 EI (0.7l )2
Fcr
π2 EI (0.5l )2
Fcr
π2 EI (2l )2
长度因数 =1 = 0.7 = 0.5 =2
欧拉公式 的统一形式(General Euler Buckling Load Formula)
§9-3 其它支座条件下细长压杆的临界压力 (Euler’s Formula for other end conditions )
(Buckling of Columns)
§9-4 欧拉公式的应用范围•经验公式 (Applicable range for Euler’s formula • the experimental formula ) §9-5 压杆的稳定校核 (Check the stability of columns)
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)
x
F
l
m
m
w
x
y
B
m
y
B
F M(x)=-Fw
m x
(Buckling of Columns)
压杆任一 x 截面沿 y 方向的位移 w f ( x)
该截面的弯矩 M ( x) Fw
杆的挠曲线近似微分方程
EIw'' M ( x) Fw（a) 令 k2 F
EI
m
y
B
得 w'' k 2w 0
§9-6 提高压杆稳定性的措施 (The measures to enhance the columns stability)
(Buckling of Columns)
§9–1 压杆稳定的概念 (The basic concepts of columns)
一、引言 (Introduction)
第二章中，轴向拉、压杆的强度条件为
F Fcr —稳定平衡状态 F Fcr —临界平衡状态 F Fcr —不稳定平衡状态
关键
确定压杆的临界力 Fcr
临界状态
稳 定 平 衡
对应的
过
度
不 稳 定 平 衡
压力
临界压力: Fcr
(Buckling of Columns) 五、稳定问题与强度问题的区别(Distinguish between stable problem and strength problem)
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
半波正弦曲线的一段长度.
(Buckling of Columns)
（2）横截面对某一形心主惯性轴的惯性矩 I 若杆端在各个方向的约束情况相同（如球形铰等），则 I
应取最小的形心主惯性矩.
取 Iy ，Iz 中小的一个计算临界力. 若杆端在各个方向的约束情况不同（如柱 形铰），应分别计算杆在不同方向失稳时的临 界压力. I 为其相应中性轴的惯性矩.
Fcr
π2 EI
(l )2
（ 为压杆的长度因数）
(Buckling of Columns)
Fcr
π2 EI
(l )2
为长度因数 l 为相当长度
5.讨论（Discussion)
（1）相当长度 l 的物理意义
压杆失稳时，挠曲线上两拐点间的长度就是压杆的相当长
度 l . l是各种支承条件下，细长压杆失稳时，挠曲线中相当于
研究压杆稳定性问题尤为重要
(Buckling of Columns) 四、压杆稳定的基本概念 (The basic concepts of columns)
1.平衡的稳定性（Stability of equilibrium ）
随遇平衡
(Buckling of Columns)
2.弹性压杆的稳定性 (Stability of Equilibrium applies to elastic compressive members)
(Buckling of Columns)
第九章 压杆稳定 （Buckling of Columns ）
§9-1 压杆稳定的概念 (The basic concepts of columns)
§9-2 两端铰支细长压杆的临界压力 (The Critical Load for a straight, uniform, axially loaded, pin-ended columns)
若压杆在不同平面内失稳时的支承约束条件不同，应分别
计算在各平面内失稳时的柔度，并按较大者计算压杆的临界应
力 cr 。
(Buckling of Columns) 二、 欧拉公式的应用范围
(Applicable range for Euler’s formula)
只有在 cr ≤ p 的范围内，才可以用欧拉公式计算压杆的
Fcr
Fcr
Fcr
Fcr
l
Fcr
2 EI l2
欧拉公式
l
2l
Fcr
2 EI (2l )2
Fcr
π2 EI
(l )2
l/4 l/2 ll l/4
0.7l l
0.3l
Fcr
2 EI (l / 2)2
2 EI Fcr (0.7l)2
l—相当长度
—长度因数
(Buckling of Columns)
表9-1 各种支承约束条件下等截面细长压杆临界力的欧拉公式wxsFra bibliotekn 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
406.4kN
所以连杆的临界压力为134.6kN.
zF
(Buckling of Columns)
§9-4 欧拉公式的应用范围•经验公式 (Applicable range for Euler’s formula
• the experimental formula )
一、临界应力 (Critical stress)
(Buckling of Columns)
案例2 1995年6月29日下午，韩国汉城三丰百货大楼，由于盲 目扩建，加层，致使大楼四五层立柱不堪重负而产生失稳破坏 使大楼倒塌，死502人，伤930人，失踪113人.
(Buckling of Columns)