欢迎光临散文网 会员登陆 & 注册

压杆稳定推导题补充题型

2021-12-10 23:36 作者:杀马特梓文熊  | 我要投稿

一、第一题为综合题,将静平衡关系、变形协调方程和压杆失稳顺序判断三个点结合起来考察:

如图所示,上侧是一刚性杆,下侧有三个细长杆,弹性模量是E,细长杆的直径为d,杆长为l=30d,上侧作用一Me,求1、2、3中第一根杆失稳时候的Me。(大连理工大学,2019)

假设三杆均受压,杆的轴力分别为F_%7BN_%7B1%7D%7D,F_%7BN_%7B2%7D%7D,F_%7BN_%7B3%7D%7D;则刚性杆AC受力如下图所示:

刚性杆AC受力图(不包含水平方向的受力)

由静平衡关系,得

%5Csum%20F_%7By%7D%3D0%2C%5Cquad%5Cquad%5Cquad%20%20F_%7BN_%7B1%7D%7D%2BF_%7BN_%7B2%7D%7D%2BF_%7BN_%7B3%7D%7D%3D%200%3B

%5Csum%20M_%7BA%7D(F)%3D0%2C%5Cquad%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D%20F_%7BN_%7B2%7D%7Dl%2BF_%7BN_%7B3%7D%7Dl%2BM_%7Be%7D%3D0%3B%20

杆系的变形协调关系如下图所示:

杆系的变形协调关系

故由变形协调方程,  3%20%5CDelta%20l_%7B2%7D%3D2%20%5CDelta%20l_%7B1%7D%2B%5CDelta%20l_%7B3%7D;

再由物理方程, %5CDelta%20l_%7B1%7D%3D%5Cfrac%7BF_%7BN_%7B1%7D%7Dl%7D%7BEA%7D%5CDelta%20l_%7B2%7D%3D%5Cfrac%7BF_%7BN_%7B2%7D%7Dl%7D%7BEA%7D%5CDelta%20l_%7B3%7D%3D%5Cfrac%7BF_%7BN_%7B3%7D%7Dl%7D%7BEA%7D;

由以上各式,可解得 F_%7BN_%7B1%7D%7D%3D%5Cfrac%7B6M_%7Be%7D%7D%7B7l%7DF_%7BN_%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7B3M_%7Be%7D%7D%7B14l%7DF_%7BN_%7B3%7D%7D%3D-%5Cfrac%7B15M_%7Be%7D%7D%7B14l%7D.

所以1、2杆为压杆,3杆为拉杆;由于F_%7BN_%7B1%7D%7D%3EF_%7BN_%7B2%7D%7D,且1、2两杆临界压力相同,故1杆最先失稳。

又1杆为细长杆,故由欧拉公式,1杆临界应力 F_%7Bcr%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cpi%5E2EI%7D%7Bl%5E2%7D;

故1杆失稳时,此时 F_%7BN_%7B1%7D%7D%3DF_%7Bcr%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cpi%5E2EI%7D%7Bl%5E2%7D,代入 F_%7BN_%7B1%7D%7D%3D%5Cfrac%7B6M_%7Be%7D%7D%7B7l%7D,可得

M_%7Be%7D%3D%5Cfrac%7B7%5Cpi%5E2EI%7D%7B6l%7D%3D%5Cfrac%7B7%5Cpi%5E2E%7D%7B6%5Ctimes%2030d%7D%5Ccdot%20%5Cfrac%7B%5Cpi%20d%5E4%7D%7B64%7D%3D%5Cfrac%7B7%5Cpi%5E3Ed%5E3%7D%7B11520%7D.

二、该题为压杆稳定推导的新题型,源于课本,高于课本,但难度不大,比南航的那道题要简单:

某结构失稳时,挠曲线如图所示,即上端可水平移动但不能转动,下端固定,试推导临界力欧拉公式及挠曲线方程。

 对该结构分析如下图所示:

受力图和变形图

在该坐标系下,杆的弯矩方程为 M(x)%3DM_%7Be%7D-Fw,

则杆的挠曲线微分方程为 w''%3D%5Cfrac%7BM(x)%7D%7BEI%7D%3D%5Cfrac%7BM_%7Be%7D-Fw%7D%7BEI%7D,令k%5E2%3D%5Cfrac%7BF%7D%7BEI%7D,

%5Cfrac%7Bd%5E2w%7D%7Bdx%5E2%7D%2Bk%5E2w%3D%5Cfrac%7Bk%5E2M_%7Be%7D%7D%7BF%7D,由此可得该微分方程的通解为

w%3DA%5Ccos%20kx%2BB%5Csin%20kx%2B%5Cfrac%7BM_%7Be%7D%7D%7BF%7D,则 w'%3D-Ak%5Csin%20kx%2BBk%5Ccos%20kx;

其中A,B为任意常数。

由边界条件,x=0时,w=w'=0,可得A%2B%5Cfrac%7BM_%7Be%7D%7D%7BF%7D%3D0Bk%3D0;

又 %5Cbecause k=0时,F=0,杆不受压力,这与所讨论的情况不符,故 k≠0. 从而有A%3D-%5Cfrac%7BM_%7Be%7D%7D%7BF%7D,B%3D0.

%5Ctherefore w%3D%5Cfrac%7BM_%7Be%7D%7D%7BF%7D(1-%5Ccos%20kx)w'%3D%5Cfrac%7BkM_%7Be%7D%7D%7BF%7D%5Csin%20kx.

又 %5Cbecause x=l 时,w'=0, %5Ctherefore sinkl=0,从而 kl=nπ (n=1,2,3,...),故 kl 的最小值为π,

%5Ctherefore%20F_%7Bcr%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cpi%5E2%20EI%7D%7Bl%5E2%7D,为所求的压杆的临界压力。

此时kl%3D%5Cpi,所以k%3D%5Cfrac%7B%5Cpi%7D%7Bl%7D,故w%3D%5Cfrac%7BM_%7Be%7D%7D%7BF%7D(1-%5Ccos%20%5Cfrac%7B%5Cpi%20x%7D%7Bl%7D),

又 %5Cbecause%20x%3Dl 时, w%3D%5Cdelta%20,%5Ctherefore%20%5Cfrac%7BM_%7Be%7D%7D%7BF%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cdelta%20%7D%7B2%7D, 故挠曲线方程为 w%3D%5Cfrac%7B%5Cdelta%20%7D%7B2%7D(1-%5Ccos%20%5Cfrac%7B%5Cpi%20x%7D%7Bl%7D)

三、与弹簧,刚体相结合:

图示刚性杆,由弹簧支持,左右弹簧的刚度分别为k_%7B1%7D%2Ck_%7B2%7D,试导出它的临界载荷。

系统的受力与变形分析如下图所示:

设两弹簧的弹力分别为 F_%7Bk_%7B1%7D%7D,F_%7Bk_%7B2%7D%7D,由刚性杆的平衡条件易知 F_%7Bk_%7B1%7D%7D%3DF_%7Bk_%7B2%7D%7D%3DF_%7BR%7D;

对弹簧,由胡克定律求得两弹簧的变形量 %5Cdelta_%7B1%7D,%5Cdelta_%7B2%7D%20,即 %5Cdelta%20_%7B1%7D%3D%5Cfrac%7BF_%7BR%7D%7D%7Bk_%7B1%7D%7D,%5Cdelta%20_%7B2%7D%3D%5Cfrac%7BF_%7BR%7D%7D%7Bk_%7B2%7D%7D.

由静平衡条件得%5Csum%20M_%7BA%7D(F)%3D0%2C%5Cquad%20F_%7BR%7Dl-F_%7Bcr%7D(%5Cdelta_%7B1%7D%2B%20%5Cdelta_%7B2%7D%20)%3D0;

故其临界载荷为

F_%7Bcr%7D%3D%5Cfrac%7BF_%7BR%7Dl%7D%7B%5Cdelta_%7B1%7D%2B%20%5Cdelta_%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7BF_%7BR%7Dl%7D%7B%5Cfrac%7BF_%7BR%7D%7D%7Bk_%7B1%7D%7D%2B%5Cfrac%7BF_%7BR%7D%7D%7Bk_%7B2%7D%7D%7D%3D%5Cfrac%7Bk_%7B1%7Dk_%7B2%7Dl%7D%7Bk_%7B1%7D%2Bk_%7B2%7D%7D.


纵横弯曲问题参考刘鸿文材料力学的例题和课后题即可,上面讲得很清楚了。

压杆稳定推导题补充题型的评论 (共 条)

分享到微博请遵守国家法律