工程力学章精品课件

1、工程力学章第1页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三24.1 压杆稳定的概念稳定平衡：轴向受压细长杆，当压力F小于某一数值时，在一个微小横向力的作用下，压杆偏离其原来的直线平衡位置而产生了微弯；当去掉该横向力时，压杆恢复到原来的直线平衡状态，则称这种压杆原来的平衡为稳定平衡。一、压杆的稳定平衡与不稳定平衡第2页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三不稳定平衡：轴向受压细长杆，当压力F超过某一数值后，压杆仍保持直线平衡，但在一微小横向力的作用下，压杆偏离其原来直线平衡位置而产生微弯，去掉横向力后压杆不能恢复到原来的直线平衡，而是在弯曲状态下达到新的弯曲平衡，则称

2、这种压杆原来的平衡为不稳定平衡。二、失稳和临界载荷的概念失稳：压杆由稳定的直线平衡形式到不稳定的直线平衡形式的转变称为失稳。临界载荷：压杆处于稳定的直线平衡与不稳定的直线平衡的临界状态时的载荷称为临界载荷。第3页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三压杆稳定性的工程实例第4页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三第5页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三第6页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三24.2 细长压杆临界压力欧拉公式1. 两端饺支细长压杆的临界压力微弯方程通解第7页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星

3、期三边界条件通解方程系数A、B的确定第8页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三由题意取n=1临界压力是使压杆失稳的最小压力，故Fcr应该取最小值两端铰支细长压杆的临界压力计算公式或称为欧拉公式注意：在上述公式中， 压杆的横截面惯性矩I应取最小值即Imin。 因为压杆失稳时总是在抗弯能力最小的纵向平面内发生弯曲。第9页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三2. 其他支承条件下细长压杆的临界压力第10页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三一端固定一端自由两端饺支一端饺支一端固定两端固定临界压力统一公式称为压杆的长度因数；l称为压杆的相当长度第11

4、页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三24.3 临界应力与欧拉公式的应用范围1. 细长压杆的临界应力临界应力欧拉公式第12页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三2. 欧拉公式的应用范围 欧拉公式是由弯曲变形的挠曲线近似微分方程推导出来的，而此微分方程是以胡克定律为基础的，因此只有当材料的临界应力cr不超过其比例极限p 时，欧拉公式才可以使用，即临界应力应满足：p是压杆能否采用欧拉公式的最小柔度值 柔度 的压杆称为大柔度杆或细长杆。常见材料如Q235钢、优质碳钢: p=100；铸铁: p=80。故，对于任何材料，细长杆的临界应力均采用欧拉公式进行计算。第13页

5、，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三 当 时，临界应力 ，此时欧拉公式已不再适用。对于这类压杆，常常采用以实验结果为依据的经验公式。常见的经验公式有直线公式和抛物线公式两种。a、b是与材料力学性能有关的常数, MPa。常见材料的a、b值见表24-23. 中小柔度杆的临界应力1）直线公式 直线公式也有适用范围： 材料的临界应力cr不超过其屈服极限s 或强度极限b ，则有：s是压杆能否采用直线公式的最小柔度值第14页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三 由此可知，柔度 可将压杆分为3类： 的压杆为细长杆，其临界应力 ，临界应力可用欧拉公式 来计算； 的压杆为中长

6、杆，其临界应力 ,临界应力可用直线公式 来计算； 的压杆为粗短杆，其临界应力 ，临界应力可按强度问题来计算。第15页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三a1、b1是与材料力学性能有关的常数，且可以按给定公式进行计算，单位均为MPa。2）抛物线公式c是使用欧拉公式与抛物线公式的分界柔度值在我国钢结构中，临界应力cr与柔度之间的关系为：第16页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三 将临界应力与柔度之间的关系用曲线绘制在cr坐标中得到的曲线图称为压杆的临界应力总图。抛物线公式的临界应力总图直线公式的临界应力总图注意：压杆是按直线公式分类的，故一般使用直线公式计算压

7、杆的临界应力；而抛物线公式只在题目要求时才使用。第17页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三例1：图示两端饺支压杆，横截面直径d=50mm，材料为Q235钢，其弹性模量E=200GPa，p=100。 试确定此压杆的临界应力。解：计算柔度，确定临界应力计算公式。此压杆属于细长杆，采用欧拉公式计算临界应力第18页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三 例2：图示压杆，直径均为d=160mm，材料都是Q235钢，E=206GPa，c=123。试计算二杆的临界压力。解：计算柔度，确定临界应力计算公式。a图是细长杆，可采用欧拉公式b图是非细长杆，采用经验公式第19页，共

8、36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三例3：图示三根压杆，横截面面积及材料各不相同，但它们的（ ）相同。A. 长度因数； B. 相当长度； C. 柔度； D. 临界压力B第20页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三24.4 压杆的稳定性计算 压杆稳定性计算主要有两种方法：安全因数法和折减系数法。安全系数法多用于稳定性校核和确定许可载荷，折减系数法多用于截面设计。一. 安全因数法稳定安全因数第21页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三二. 折减系数法为稳定系数或折减系数强度设计的许用应力 对于钢类材料，其稳定系数与柔度之间的关系可以查相关的表。对于

9、木材的稳定系数值，按照树种的强度等级有以下两组计算公式： 安全因数法解题步骤：1）计算压杆最大柔度；2）选择对应的临界应力公式计算cr；3）计算临界压力Fcr；4）进行稳定性计算。第22页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三1）树种等级为TC17（柏木、东北落叶等）；TC15（红杉、云杉等）； TB20（栎木、桐木等）时，有：2）树种等级为TC13（红松、马尾松等）；TC11（西北云杉和冷杉等）； TB17（水曲柳等）；TB15（栲木和桦木等）时，有：第23页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三 例1：图示托架作用力F=10kN，AB杆的外径D=50mm，内

10、径d=40mm，材料为Q235钢，E=200GPa，c=123，nst=3。试校核AB杆的稳定性。解： 列平衡方程求AB杆的轴力计算AB杆柔度第24页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三AB杆为非细长杆，采用经验公式故斜杆AB 杆满足稳定性要求。第25页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三 例2：如图所示承载结构，BD为正方形截面的东北落叶松木杆，已知l=2m，a=0.1m，许用应力=10MPa。 试从BD杆的稳定性考虑，计算该结构所能承受的最大载荷Fmax。解：列平衡方程求BD杆的轴力计算BD杆柔度第26页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星

11、期三24.5 提高压杆稳定性的措施 根据压杆的稳定性条件可知，压杆的稳定性主要取决于压杆材料的力学性能和柔度。压杆柔度越大，其稳定性就越差。而柔度又与压杆的长度、约束条件、截面形状和尺寸有关。提高压杆稳定性的措施主要有：1)减小压杆的长度l ；2)减小压杆的长度因数；3)合理的选择压杆的截面形状；4）选择合适的材料。第27页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三1）减小压杆的长度，可以减小其柔度 在某些情形下，通过改变结构或增加支点可以达到减小压杆长度而提高压杆承载能力的目的。增加支座改变结构第28页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三2）减小压杆的长度因数，

12、可以增强支承的刚性第29页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三3）合理选择压杆截面形状，可以增大其惯性矩 当压杆的约束条件相同时，压杆将在其刚度最小的平面内弯曲。此时要提高压杆的承载能力，最好的办法是采用空心截面，不仅提高整个截面惯性矩，并使截面对各个方向轴的惯性矩均相同。因此，约束条件相同、横截面面积一定的截面，正方形或圆形比矩形好，空心比实心好。第30页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三4）合理选用材料以增大弹性模量E 在其他条件均相同的条件下，选用弹性模量大的材料，可以提高细长压杆的承载能力。例如钢杆临界载荷大于铜、铸铁或铝制压杆的临界载荷。但是，普

13、通碳素钢、合金钢以及高强度钢的弹性模量数值相差不大。因此，对于细长杆，若选用高强度钢，对压杆临界载荷影响甚微，意义不大，反而造成材料的浪费。 但对于粗短杆或中长杆，其临界载荷与材料的比例极限或屈服强度有关，这时选用高强度钢会使临界载荷有所提高。第31页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三例1：两根细长压杆的长度、 横截面面积、 约束状态及材料均相同，若其横截面形状分别为正方形和实心圆形，则二压杆的临界压力Fcr正和Fcr圆的关系为（ ）。A. Fcr正=Fcr圆； B. Fcr正Fcr圆； C. Fcr正Fcr圆； D. 不确定C例2：材料和柔度都相同的两根压杆（ ）。A.

14、临界应力一定相等，临界压力不一定相等； B. 临界应力不一定相等，临界压力一定相等； C. 临界应力和压力都一定相等； D. 临界应力和压力都不一定相等。A第32页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三例3：图示两端铰支压杆，当其失稳时（ ）。A. 临界压力Fcr2EIy /L2，挠曲线位于xy面内；B. 临界压力Fcr2EIy /L2，挠曲线位于xz面内；C. 临界压力Fcr2EIz /L2，挠曲线位于xy面内；D. 临界压力Fcr2EIz /L2，挠曲线位于xz面内。B第33页，共36页，2022年，5月20日，3点55分，星期三例4：下列有关压杆临界应力cr 的结论中（ ）是正确的。细长杆的cr 值与杆的材料无关；中长杆的cr 值与杆的柔度无关；中长杆的cr 值与杆的材料无关；粗短杆的cr 值与杆的柔度无关。D例5：将低碳钢改为优质高强度钢后，并不能提高（ ）压杆的承压能力。A. 细长； B. 中长； C. 短粗； D. 非短粗A第34页，共36页，2022年，5月20日