材料力学第9章-压杆稳定

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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
平衡路径及其分叉
压杆稳定的基本概念
当压缩载荷大于一定的数值时,在任意 分叉点 微小的外界扰动下,压杆都要由直线的 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, 所以又称为分叉屈曲(bifurcation buckling)。
B0
w =Asinkx + Bcoskx
得到屈曲位移函数
wxAsinnπ x
l
其中A为未定常数。这表明屈曲位移是不确定的量。这与
开始推导公式时假设压杆处于任意微弯状态是一致的。
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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
屈曲模态与屈曲阶数
π 2n2EI FPcr l2
n=1
精品课n件=2
=0
平衡路径及其分叉
FFFPPP
分叉点
FP
FP>FPcr
(临界点)
Δ
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F´P
FPcr
平衡路径
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
=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):
cr
cr s
s
A
cr ab
p
B
cr
π2E 2
O
s
p
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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
根据临界应力总图中所示之关系,可以确定区 分不同材料三类压杆的长细比极限值。
cr
cr s (粗短杆)
令细长杆的临界应力等于材料
的比例极限(图中的B点),有
s
A
cr ab (中长杆)
高压输电线路保持相间距离的受压构件
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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
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工程构件 稳定性实验
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
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第9章 压杆的稳定问题
脚手架中的压杆
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第9章 压杆的稳定问题
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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
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
F P cr
π2EI
l 2
cr
FPcr A
p
其中σcr称为临界应力(critical stress); σp为材料的比例极限。
(注:变形后的状态):
FP
Hale Waihona Puke Baidu
M (x) = FP w (x)
M(x) -EId2w dx2
d2w k2w 0 dx2
k 2 FP EI
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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
d2w k2w 0 k 2 FP
dx2
EI
微分方程的解
w =Asinkx + Bcoskx
边界条件
w ( 0 ) = 0 , w( l ) = 0
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。
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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
三类压杆的临界应力公式
π2EI
对于细长杆,临界应力为
cr
FPcr A
l 2 A
π2E
2
对于中长杆,由于发生了塑性变形,
理论计算比较复杂,工程中大多采 用直线经验公式计算其临界应力:
FPcr
FP
平衡路径
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 loa精d)品课,件 用FPcr表示。
cr ab
其中a和b为与材料有关的常数,单位为MPa。
对于粗短杆,因为不发生屈曲,而只发生 屈服(韧性材料),故其临界应力即为材料 的屈服应力:
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cr s
第9章 压杆的稳定问题
临界应力与临界应力总图
根据三种压杆的临界应力表达式,在坐标系中可以 作出关系曲线,称为临界应力总图(figures of critical stresses)
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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
用长细比表示的细长杆临界应力公式
π 2EI
cr
FPcr A
l 2
A
π 2E
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。
F P cr
π2EI
l2
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)。 精品课件
F P cr
π2EI
l2
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
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
sinkl 0 klnπ, n1,2,,
k 2 FP EI
由此得到临界载荷(Euler公式)
FP cr
π
2n2EI l2
最小临界载荷
FP cr π
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2 EI l2
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
0A+1B0 sinklAcosklB0
第9章 压杆的稳定问题
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
分叉点
FPcr
FP
平衡路径
平衡路径
Δ
O
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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。
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
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第9章 压杆的稳定问题
刚性球
弹性平衡稳定性的静力学准则
刚体的平衡稳定性
刚性曲面
刚性曲面
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刚性平面
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
p
B
cr
π2E 2
(细长杆)
cr
π2E
2
p
由此得到
O s
p
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P
π 2E P
第9章 压杆的稳定问题
临界应力与临界应力总图
根据临界应力总图中所示之关系,可以确定 区分不同材料三类压杆的长细比极限值。
cr
cr s (粗短杆)
若令中长杆的临界应力等于
屈服强度(图中的A点),得到
s
A
cr ab (中长杆)
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
假设压力略大于临界力,在外界扰动下压杆处
于微弯状态。考察微弯状态下局部压杆的平衡
FP
(注:变形后的状态) :
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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
假设压力略大于临界力,在外界扰动下压杆处
于微弯状态。考察微弯状态下局部压杆的平衡
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
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
FP
FP
平衡构形——压杆的两种平衡构形
(equilibrium
configuration)
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 stFFFaPPPbilit直Fy)P线<F平Pc衡r 构:在形扰转动变作为用弯下曲,平
“ Such failures can be catastrophic and lead to a large loss of life as well as major economic loss”.
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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。
(a)
两端铰支
(a()=b)1.0
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
=(d(0)c.)5
(
=2.0
=0.7
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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
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
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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,
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。
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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
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。
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第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
FFPP FP
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 stFaPbilitFyP)>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
材料力学 基础篇之九
上一章
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
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第9章 压杆的稳定问题
桁架中的压杆
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第9章 压杆的稳定问题 液压缸顶杆
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第9章 压杆的稳定问题
压杆稳定的基本概念
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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
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。
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。
p
B
cr
π2E 2
(细长杆)
c rabs
由此得到
O s
p
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s=a-bs
第9章 压杆的稳定问题
临界应力与临界应力总图
例题
FP
两根直径均为d的压杆,
FP
材 料 都 是 Q235 钢 , 但 二 者长度和约束条件各不
相同。试;
1. 分析: 哪一根压杆 的临界载荷比较大?
n=3
n=4
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
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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
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:
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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
微分方程的解
w =Asinkx + Bcoskx
边界条件
w ( 0 ) = 0 , w( l ) = 0
0A+1B0 sinklAcosklB0
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
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