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工程力學(xué)第7章壓桿穩(wěn)定第7章壓桿穩(wěn)定第7章壓桿穩(wěn)定7.1壓桿穩(wěn)定的概念7.2細(xì)長壓桿臨界力的歐拉公式7.3壓桿的臨界應(yīng)力臨界應(yīng)力總圖
7.4壓桿的穩(wěn)定設(shè)計7.5提高壓桿承載能力的主要措施7.1壓桿穩(wěn)定的概念第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念構(gòu)件的承載能力①強度②剛度③穩(wěn)定性引例1第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念第7章壓桿穩(wěn)定引例2
壓桿穩(wěn)定性的概念軸向拉、壓桿的強度條件為例:長為600mm的鋼板尺,橫截面尺寸為32mm1mm。鋼的許用應(yīng)力為[]=196MPa。按強度條件計算得鋼尺所能承受的軸向壓力為[F]=A[]=6880N實際上,當(dāng)壓力不到
15N
時,鋼板尺就被壓彎??梢姡摪宄叩某休d能力并不取決軸向壓縮的抗壓剛度,而是與
受壓時變彎
有關(guān)。第7章壓桿穩(wěn)定引例3max
≤
[]1mm32mm
壓桿穩(wěn)定性的概念壓桿在實際工作過程中,不可避免地存在與設(shè)計不相符的工作狀態(tài),例如:壓桿在制作時其軸線存在初彎曲;作用在壓桿上的外力作用線不可能毫無偏差的與桿軸線相重合;壓桿材料的存在不均勻性。第7章壓桿穩(wěn)定上述因素都不可避免地引起外加壓力的偏心作用。受偏心壓力作用的桿件,不論偏心距多么小,壓桿的次要變形——彎曲變形將隨壓力的增大而加速增長,并轉(zhuǎn)化為主要變形,從而導(dǎo)致壓桿喪失承載能力。
壓桿穩(wěn)定性的概念由于影響壓桿穩(wěn)定性的因素很多,我們不可能在建立力學(xué)模型時將所有的因素都考慮進(jìn)去。本章中壓桿穩(wěn)定性的研究對象不是實際壓桿,而是理想壓桿。理想壓桿:
桿的材料均勻,軸線為直線,外力的作用線與壓桿軸線重合,不存初彎曲、初應(yīng)力和初偏心。研究方法:
當(dāng)壓桿承受軸向壓力后,假想地在桿上施加一微小的橫向力,使桿發(fā)生彎曲變形,然后撤去橫向力,通過理論或?qū)嶒炗懻搲簵U的受力和變形特征,研究其承載能力。第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念第7章壓桿穩(wěn)定穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡
壓桿穩(wěn)定性的概念第7章壓桿穩(wěn)定穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡
壓桿穩(wěn)定性的概念不穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念壓桿的穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡第7章壓桿穩(wěn)定穩(wěn)定平衡
壓桿穩(wěn)定性的概念壓桿的穩(wěn)定性:壓桿保持初始直線平衡狀態(tài)的能力。壓桿的失穩(wěn):壓桿喪失直線形狀的平衡狀態(tài)。
①當(dāng)FP小于某一臨界值FPcr,撤去橫向力后,桿的軸線將恢復(fù)其原來的直線平衡形態(tài),壓桿在直線形態(tài)下的平衡是穩(wěn)定平衡狀態(tài)。(a)FP<FPcrFPFQ第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念壓桿的穩(wěn)定性:壓桿保持初始直線平衡狀態(tài)的能力。壓桿的失穩(wěn):壓桿喪失直線形狀的平衡狀態(tài)。
②當(dāng)FP等于某一臨界值FPcr,撤去橫向力后,桿的軸線將保持微彎的平衡形態(tài),壓桿在直線形態(tài)下的平衡是臨界平衡狀態(tài)。FP=FPcRFP(b)FQ第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念壓桿的穩(wěn)定性:壓桿保持初始直線平衡狀態(tài)的能力。壓桿的失穩(wěn):壓桿喪失直線形狀的平衡狀態(tài)。
③當(dāng)FP大于某一臨界值FPcr,撤去橫向力后,桿的軸線會繼續(xù)變彎,不能再保持平衡形態(tài),壓桿失穩(wěn)。(c)FP>FPcRFPFQ第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念FP=FPcRFP(b)FQ(a)FP<FPcRFPFQ(c)FP>FPcRFPFQ穩(wěn)定平衡狀態(tài)臨界平衡狀態(tài)不穩(wěn)定平衡狀態(tài)失穩(wěn)第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念第7章壓桿穩(wěn)定壓桿
壓桿穩(wěn)定性的概念壓桿第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念桁架中的壓桿液壓缸頂桿第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念高壓輸電線路保持相間距離的受壓構(gòu)件第7章壓桿穩(wěn)定
壓桿穩(wěn)定性的概念壓桿的穩(wěn)定性試驗第7章壓桿穩(wěn)定7.2細(xì)長壓桿臨界力的歐拉公式第7章壓桿穩(wěn)定細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式簡化:1、剪切變形的影響忽略不計;2、不考慮桿的軸向變形。
兩端鉸支的細(xì)長理想壓桿的臨界力第7章壓桿穩(wěn)定細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式由邊界條件確定常數(shù)A、B的值δ撓曲線中點的撓度δ第7章壓桿穩(wěn)定細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式歐拉公式第7章壓桿穩(wěn)定細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式L
L
L
L
第7章壓桿穩(wěn)定不同桿端約束下細(xì)長理想壓桿的臨界力細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式驗證:長為600mm的鋼板尺,橫截面尺寸為
32mm1mm。利用歐拉公式計算前面鋼板尺的臨界力。
第7章壓桿穩(wěn)定不同桿端約束下細(xì)長理想壓桿的臨界力1mm32mm第7章壓桿穩(wěn)定7.3壓桿的臨界應(yīng)力臨界應(yīng)力總圖細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式1、壓桿的臨界應(yīng)力公式壓桿受臨界力FPcr作用而仍在直線平衡形態(tài)下維持不穩(wěn)定的平衡時,橫截面上的壓應(yīng)力可按=FPcr/A
計算。壓桿橫截面上的應(yīng)力為為壓桿橫截面對中性軸的慣性半徑柔度第7章壓桿穩(wěn)定臨界應(yīng)力-歐拉公式細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式2、臨界應(yīng)力-歐拉公式的適用范圍1、壓桿的臨界應(yīng)力公式大柔度桿或細(xì)長桿不能用歐拉公式第7章壓桿穩(wěn)定臨界應(yīng)力-歐拉公式細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式3、柔度-長細(xì)比稱為壓桿的柔度(長細(xì)比)。集中地反映了壓桿的長度,桿端約束,截面尺寸和形狀對臨界應(yīng)力的影響。越大,相應(yīng)的cr越小,壓桿越容易失穩(wěn)。若壓桿在不同平面內(nèi)失穩(wěn)時的支承約束條件不同,應(yīng)分別計算在各平面內(nèi)失穩(wěn)時的柔度,并按柔度較大者計算壓桿的臨界應(yīng)力cr。為壓桿橫截面對中性軸的慣性半徑第7章壓桿穩(wěn)定臨界應(yīng)力-歐拉公式細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式1.
大柔度桿或細(xì)長桿壓桿將發(fā)生彈性屈曲,壓桿在直線平衡形式下橫截面上的正應(yīng)力不超過材料的比例極限。根據(jù)柔度的大小可將壓桿分為三類:第7章壓桿穩(wěn)定臨界應(yīng)力-歐拉公式細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式2.
中長桿壓桿亦發(fā)生屈曲,壓桿在橫截面上的正應(yīng)力已超過材料的比例極限,截面上某些部分已進(jìn)入塑性狀態(tài),為非彈性屈曲。經(jīng)驗公式第7章壓桿穩(wěn)定臨界應(yīng)力-歐拉公式細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式臨界應(yīng)力總圖細(xì)長桿中長桿粗短桿3.
粗短桿壓桿不會發(fā)生屈曲,但將會發(fā)生屈服。第7章壓桿穩(wěn)定臨界應(yīng)力-歐拉公式細(xì)長壓桿臨界力歐拉公式②A3鋼(P
=123)③16錳
鋼(
P=102)常見材料的中長桿的經(jīng)驗公式第7章壓桿穩(wěn)定臨界應(yīng)力-歐拉公式①Q(mào)235鋼,a=304,b=1.12,λs=62,λP=1007.4壓桿的穩(wěn)定設(shè)計第7章壓桿穩(wěn)定壓桿的穩(wěn)定設(shè)計為了保證壓桿具有足夠的穩(wěn)定性,設(shè)計中,必須使桿件所承受的實際壓縮載荷(又稱為工作載荷)小于桿件的臨界載荷,并且具有一定的安全裕度。壓桿的穩(wěn)定性設(shè)計一般采用安全系數(shù)法與穩(wěn)定系數(shù)法。本書只介紹安全系數(shù)法。采用安全系數(shù)法時,穩(wěn)定性安全條件一般可表示為
nwnst
安全系數(shù)法與穩(wěn)定性安全條件
第7章壓桿穩(wěn)定壓桿的穩(wěn)定設(shè)計安全系數(shù)法nwnst工作安全系數(shù)臨界應(yīng)力工作應(yīng)力nst規(guī)定安全系數(shù)第7章壓桿穩(wěn)定
安全系數(shù)法與穩(wěn)定性安全條件
壓桿的穩(wěn)定設(shè)計穩(wěn)定性設(shè)計(stabilitydesign)一般包括:確定許用載荷當(dāng)壓桿的材料、約束以及幾何尺寸已知時,根據(jù)三類不同壓桿的臨界應(yīng)力公式,確定壓桿的許用載荷。穩(wěn)定性安全校核當(dāng)外加載荷、桿件各部分尺寸、約束以及材料性能均為已知時,驗證壓桿是否滿足穩(wěn)定性設(shè)計準(zhǔn)則。選擇截面尺寸當(dāng)外加載荷、約束以及材料性能均為已知時,根據(jù)三類不同壓桿的臨界應(yīng)力公式,選擇壓桿的截面尺寸。第7章壓桿穩(wěn)定穩(wěn)定性設(shè)計三類問題壓桿的穩(wěn)定設(shè)計
★根據(jù)材料的彈性模量與比例極限E、σP,計算或查表得到p
和s
,再根據(jù)桿長l、截面的慣性矩I和面積A,以及兩端的支承條件μ,計算壓桿的實際長細(xì)比λ。
★
然后比較壓桿的實際長細(xì)比值與極限值,判斷屬于哪一類壓桿,選擇合適的臨界應(yīng)力公式,確定臨界應(yīng)力。
★
最后,根據(jù)壓桿的穩(wěn)定性安全條件,進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計。
★
對于一個系統(tǒng),應(yīng)用平衡方程求出壓桿所受的軸力,或軸力與外力的關(guān)系。第7章壓桿穩(wěn)定穩(wěn)定性設(shè)計過程
壓桿的穩(wěn)定設(shè)計圖示理想壓桿,直徑均為d=160mm,材料為Q235鋼,E=206GPa時,但二者長度和約束條件不相同,試計算二桿的臨界荷載。1.
計算柔度,判斷壓桿類型第7章壓桿穩(wěn)定【例7-1】【解】大柔度桿壓桿的穩(wěn)定設(shè)計2.
計算各桿的臨界荷載第7章壓桿穩(wěn)定均為細(xì)長壓桿,用歐拉公式計算壓桿的穩(wěn)定設(shè)計【例7-2】【解】FaABa\2C故取已知:圖示壓桿EI,且桿在B支承處能轉(zhuǎn)動。求:臨界壓力第7章壓桿穩(wěn)定壓桿的穩(wěn)定設(shè)計兩桿均為細(xì)長桿組成的桿件系統(tǒng)如圖所示,若桿件在ABC面內(nèi)因失穩(wěn)而引起破壞,試求載荷F為最大值時的θ角(設(shè)0<θ<π/2)。設(shè)AB桿和BC桿材料截面均相同。1.節(jié)點B的平衡第7章壓桿穩(wěn)定【例7-3】【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計2.兩桿分別達(dá)到臨界力時F可達(dá)最大值第7章壓桿穩(wěn)定
Q235鋼制成的矩形截面桿,兩端約束以及所承受的載荷如圖示(a為正視圖,b為俯視圖),在AB兩處為銷釘連接。若已知l=2300mm,b=40mm,h=60mm。材料的彈性模量E=205GPa。試求此桿的臨界力和臨界應(yīng)力。壓桿的穩(wěn)定設(shè)計正視圖平面彎曲截面z繞軸轉(zhuǎn)動;俯視圖平面彎曲截面繞y軸轉(zhuǎn)動。第7章壓桿穩(wěn)定【例7-4】【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計正視圖:第7章壓桿穩(wěn)定【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計俯視圖:第7章壓桿穩(wěn)定【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計第7章壓桿穩(wěn)定【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計對于單個10號槽鋼,形心在C1點。z0yy1zC1aF6m兩根槽鋼圖示組合之后,第7章壓桿穩(wěn)定立柱由兩根10號槽鋼組成,下端固定,上端為球鉸支座,①試問a=?時,立柱臨界壓力最大,值為多少?②若壓桿的穩(wěn)定安全系數(shù)是nst=2.5,求壓桿的許可荷載。已知,中長桿經(jīng)驗公式為?!纠?-5】【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計z0yy1zC1aF6m,截面布置最合理,且臨界壓力最大。第7章壓桿穩(wěn)定【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計大柔度桿,由歐拉公式求臨界力。壓桿的許可荷載第7章壓桿穩(wěn)定【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計第7章壓桿穩(wěn)定【例7-6】【解】已知:兩端鉸支壓桿,由兩根∠125×125×12等邊角鋼組成,l=2.4m,鉚釘孔直徑d=30mm,F(xiàn)P=500kN,材料為A3鋼,[σ]=160MPa,nst=2.5。試校核壓桿是否安全?對有局部削弱的壓桿①進(jìn)行穩(wěn)定計算不考慮削弱面。②對削弱面進(jìn)行強度計算。FPl=2.4mxyzdyy1A1壓桿的穩(wěn)定設(shè)計第7章壓桿穩(wěn)定【解】FPl=2.4mxyzdyy1A11、
壓桿穩(wěn)定性校核A=2A1Iy=2Iy1查表i=i1=iy=3.83cm,A1=28.9×10-4m2查表,λp=100,λs=62,為中柔度桿。σcr=a–bλ=304-1.12λ=234MPa壓桿穩(wěn)定性滿足要求。壓桿的穩(wěn)定設(shè)計第7章壓桿穩(wěn)定FPl=2.4mxyzdyy1A12、強度校核A凈=2A1-2d×1.2=56.6cm2強度也滿足要求,壓桿安全。對有局部削弱的壓桿①進(jìn)行穩(wěn)定計算不考慮削弱面。②對削弱面進(jìn)行強度計算。已知拖架D處承受載荷F=10kN。AB桿外徑D=50mm,內(nèi)徑d=40mm,材料Q235鋼,E=210GPa,λp=100,[nst]=3。校核AB桿的穩(wěn)定性。壓桿的穩(wěn)定設(shè)計取CD梁為研究對象第7章壓桿穩(wěn)定【例7-7】【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計AB桿AB為大柔度桿AB桿滿足穩(wěn)定性要求。第7章壓桿穩(wěn)定【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計已知:圖所示的結(jié)構(gòu)中,梁AB為No.l4普通熱軋工字鋼,CD為圓截面直桿,其直徑為d=20mm,二者材料均為Q235鋼。結(jié)構(gòu)受力如圖中所示,A、C、D三處均為球鉸約束。若已知FP=25kN,l1=1.25m,l2=0.55m,s=235MPa。強度安全因數(shù)ns=1.45,穩(wěn)定安全系數(shù)[n]st=1.8。校核:
此結(jié)構(gòu)是否安全。第7章壓桿穩(wěn)定【例7-8】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計
在給定的結(jié)構(gòu)中共有兩個構(gòu)件:梁AB,承受拉伸與彎曲的組合作用,屬于強度問題;桿CD承受壓縮載荷,屬于穩(wěn)定問題?,F(xiàn)分別校核如下:
1、大梁AB的強度校核第7章壓桿穩(wěn)定【解】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計由型鋼表查得No.14普通熱軋工字鋼的Wz=102103mm3;A=21.5102mm2,由此得到梁內(nèi)最大應(yīng)力1、大梁AB的強度校核第7章壓桿穩(wěn)定壓桿的穩(wěn)定設(shè)計Q235鋼的許用應(yīng)力
max略大于[],但(max-[])100%/[]=0.7%<5%,工程上仍認(rèn)為是安全的。
1、大梁AB的強度校核第7章壓桿穩(wěn)定壓桿的穩(wěn)定設(shè)計2、
校核壓桿CD的穩(wěn)定性
由平衡方程求得壓桿CD的軸向壓力
因為是圓截面桿,故慣性半徑
第7章壓桿穩(wěn)定壓桿的穩(wěn)定設(shè)計因為兩端為球鉸約束=1.0,所以
壓桿CD為細(xì)長桿,故需采用歐拉公式計算其臨界應(yīng)力。2、
校核壓桿CD的穩(wěn)定性
第7章壓桿穩(wěn)定壓桿的穩(wěn)定設(shè)計壓桿CD為細(xì)長桿,采用歐拉公式計算其臨界應(yīng)力2、
校核壓桿CD的穩(wěn)定性
第7章壓桿穩(wěn)定壓桿的穩(wěn)定設(shè)計于是,壓桿的工作安全因數(shù)
所以,壓桿的穩(wěn)定性是安全的。上述兩項計算結(jié)果表明,整個結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性都是安全的。第7章壓桿穩(wěn)定2、
校核壓桿CD的穩(wěn)定性
結(jié)構(gòu)用低碳鋼A5制成,求:[F]。已知:E=205GPa,s=275MPa,cr=338-1.12,p=90,s=50,n=2,nst=3;AB梁為N016工字鋼,BC桿為圓形截面d=60mm。壓桿的穩(wěn)定設(shè)計【解】
一次超靜定問題ABC1m1mF1m1.
由變形協(xié)調(diào)條件列補充方程求BC桿的軸力第7章壓桿穩(wěn)定【例7-9】壓桿的穩(wěn)定設(shè)計2.
BC桿的穩(wěn)定性方面(s<p)中柔度桿cr=338-1.12=338-1.12×66.6=258MPaABC1m1mF1m第7章壓桿穩(wěn)定壓桿的穩(wěn)定設(shè)計ABC1m1mF1m3.
AB桿的強度方面第7章壓桿穩(wěn)定0.312F0.376F+-最后,7.5提高壓桿承載能力的主要措施第7章壓桿穩(wěn)定提高壓桿承載能力的措施影響壓桿承載能力的因素:1.細(xì)長桿與彈性模量E,截面形狀,幾何尺寸以及約束條件等因素有關(guān)。2.中長桿主要是材料常數(shù)a和b,以及壓桿的長細(xì)比及壓桿的橫截面面積。3.粗短桿主要取決于材料的屈
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