关于压杆稳定公式(欧拉公式)推导总结及在具体问题中的灵活应用(本质就是数学问题) |
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一、一端固定,另一端铰支细长压杆的临界压力(欧拉公式)推导一端固定,另一端铰支细长压杆的弯曲 推导如下: 设离原点距离为 x 处截面的弯矩为,挠度为; 则有 ; 则挠曲线微分方程为 ; 令, 则 , ,进而有 , 由边界条件知:
则该方程组为关于的齐次线性方程组,又不能全为0, 故该方程组有非零解,则方程组系数矩阵行列式为0,即
解该超越方程,得 kl 的大于 0 的最小值为 4.49,取 kl=4.49,使压力为最小值.(可用matlab或者卡西欧计算器对超越方程进行求解) 故临界压力为 . 二、两端铰支细长压杆的临界压力(欧拉公式)推导两端铰支细长压杆的弯曲设离原点距离为 x 处截面弯矩为 ,挠度为 ; 则 ; 则挠曲线微分方程为 ; 令 , 得 , 解得 , 由边界条件知:; 可轻易得 ; 又 因为如果 ,那么 ,即杆件未发生变形, 那么这就与杆在受压时发生微小变形相矛盾,所以 不成立. 进而 故 又由于 n=0 时,F=0 ,此时杆件未受压力,这与我们所讨论的情况不符, 故取 n=1,使压力为最小值, 所以此时压杆的临界压力为 三、一端固定,另一端自由细长压杆的临界压力(欧拉公式)推导一端固定,另一端自由细长压杆的弯曲 设离原点距离为 x 处截面的弯矩为 ,挠度为 ;则 ; 则挠曲线微分方程为 ; 令 , ; 从而得通解 ,所以 ; 由边界条件知: ; 得到 ; 这是关于 的一个齐次线性方程组 ,又因为 不能均为0, 故该方程组必有非零解,所以其系数矩阵行列式为0; 进而有 ; 或 ; 又当 时,,即杆不受压力,这与讨论的情况不符,故舍去, ; , 故取 n=1,使 F 为最小值, 所以此时压杆临界压为 . 四、两端固定细长压杆的临界压力(欧拉公式)推导两端固定细长压杆的弯曲设压杆两端受压力为 ,弯矩为 ,如图所示, 设离原点距离为 x 处截面的弯矩为 ,挠度为 ;则 ; 则挠曲线微分方程为; 令 ; 则 ; 可得通解为,则 ; 由边界条件, ; 得 ; 由上式可以直接解得 ; 从而 满足 ; ; 又因为 n=0 时,F=0,即杆不受压力,这与讨论的情况不符; 故取 n=1 ,使压力为最小值;故此时压杆临界压力为
以上便是四个基本类型的细长压杆的临界压力(欧拉公式)的推导过程,下面再来看看具体问题中应该如何使用这种推导的思维和方法吧。 (2020年南京航空航天大学816材料力学) 如图所示,空心细长杆弹性模量为,长度为 ,外径为 ,内径为 均已知,细长杆一端与地面固定,另一端与不可伸长的绳相连,仅考虑平面内稳定性,试推导临界载荷公式。 由于绳不可伸长,故杆受压时只能往左侧弯曲,如下图所示:(为绳对杆的拉力) 杆在受压时的弯曲设离原点距离为 x 处截面弯矩为,挠度为 , 则 ; 挠曲线微分方程为 ; 令, 则 ; , 进而 ; 然后找边界条件 ; 由悬臂梁在集中力作用下的挠度公式,得 ; 所以有 ; 故由边界条件和 式,可得到一个方程组如下:
该方程组为关于 的齐次线性方程组,且 不能均为0, 故该方程组一定有非零解,所以其系数矩阵行列式为0; 从而 ; 即 ; 解该超越方程,得满足条件的 kl 的最小值为 4.69 ,故取 kl=4.69 ,使压力值最小. 则该压杆的临界压力为 . 后面会补充纵横弯曲下的最大正应力和最大挠度的问题。 |
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