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第十章 压杆稳定
杆件设计除了强度条件和刚度条件以外,另一种失效的形式是失稳。工程结构为了减
轻重量,需要采用薄壁的板、壳或细长杆桁架、网架等结构形式。这些结构受面内或轴向
压力时,失稳破坏起主导作用。工程师和力学工作者一直在致力于使结构减轻重量并且具
有良好的稳定性。这一章将推导各种边界支承条件下确定细长压杆失稳时临界力的欧拉公
式,建立压杆设计的稳定条件,介绍压杆稳定性分析的经验公式和折减系数法。
§10-1 平衡的稳定性
F
F
F
W
W W
(a) (b) (c)
图 10-1
前面我们讨论的所有的问题,都假设系统处于平衡状态。事实上还应该指明物体都处
于稳定平衡状态。因为有的平衡状态是不稳定的。平衡的稳定性取决于处于平衡状态的系
统受到轻微扰动时,是趋向于恢复到原平衡状态,还是趋向于进一步偏离原平衡状态。图
10-1 中的小球,放置在三种不同的光滑表面上。图 10-1a 的小球受外界扰动离开平衡位
置后,在重力和表面反力的作用下将趋于恢
复原平衡位置。这种状态称为稳定平衡(stable
F F
equilibrium )。图 10-1c 的小球在曲面顶上也 k k k δ k
处于平衡状态,但受外界扰动离开平衡位置
后,趋向于越来越远地偏离原位置,这种状 B B
态称为不稳定平衡(unstable equilibrium) 。图
10-1b 中的小球则介于前两者之间,受扰动 l l
后既不恢复原位,也不进一步远离,称为随
遇平衡(neutral equilibrium) 。
A
再看下面的例子。图 10-2 (a )所示垂 A
直的刚性杆长度为 l 。下端A 点为铰支。在顶
部由两个水平放置的弹簧侧向支承,弹簧刚
度为 k 。杆的顶端受垂直向下的F 力作用。如 (a) (b)
图 10-2
果 B 点受到微小扰动δ (图10-2b ),力F 对
A 点的力矩为Fδ,这个力矩使杆件偏离原位置,称为倾覆力矩。两个弹簧产生的水平力对
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于 A 点形成的力矩为2kδ ⋅l ,这个力矩使刚性杆回复到原位置,称为恢复力矩。当 F2kl
时,F δ 2klδ ,即恢复力矩大于倾覆力矩。弹簧可以使杆恢复原平衡位置,系统处于稳
定平衡状态。当F =2kl 时,Fδ=2klδ,恢复力矩与倾覆力矩相等,系统处于随遇平衡状态。
理论上此时杆顶可以偏离原位处于任何微小的δ位置。当 F2kl 时,F δ 2klδ 。此时倾覆
力矩大于恢复力矩,系统处于不稳定平衡,任何微小的扰动都会使杆子失稳。
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