22520

Устойчивость сжатых стержней. Формула Эйлера

Лекция

Производство и промышленные технологии

Однако разрушение стержня может произойти не только потому что будет нарушена прочность но и оттого что стержень не сохранит той формы которая ему придана конструктором; при этом изменится и характер напряженного состояния в стержне. Наиболее типичным примером является работа стержня сжатого силами Р. Разрушение линейки произойдет потому что она не сможет сохранить приданную ей форму прямолинейного сжатого стержня а искривится что вызовет появление изгибающих моментов от сжимающих сил Р и стало быть добавочные напряжения от...

Русский

2013-08-04

89.5 KB

21 чел.

Сопротивление материалов Сагадеев В.В.

Лекция № 42. Устойчивость сжатых стержней. Формула Эйлера.

   Во всем предыдущем изложении мы определяли поперечные размеры стержней из условий прочности. Однако разрушение стержня может произойти не только потому, что будет нарушена прочность, но и оттого, что стержень не сохранит той формы, которая ему придана конструктором; при этом изменится и характер напряженного состояния в стержне.

   Наиболее типичным примером является работа стержня, сжатого силами Р. До сих пор для проверки прочности мы имели условие

   Это условие предполагает, что стержень все время, вплоть до разрушения работает на осевое сжатие. Уже простейший опыт показывает, что далеко не всегда возможно разрушить стержень путем доведения напряжений сжатия до предела текучести или до предела прочности материала.

   Если мы подвергнем продольному сжатию тонкую деревянную линейку, то она может сломаться, изогнувшись; перед изломом сжимающие силы, при которых произойдет разрушение линейки, будут значительно меньше тех, которые вызвали бы при простом сжатии напряжение, равное пределу прочности материала. Разрушение линейки произойдет потому, что она не сможет сохранить приданную ей форму прямолинейного, сжатого стержня, а искривится, что вызовет появление изгибающих моментов от сжимающих сил Р и, стало быть, добавочные напряжения от изгиба; линейка потеряет устойчивость.

   Поэтому для надежной работы конструкции мало, чтобы она была прочна; надо, чтобы все ее элементы были устойчивы: они должны при действии нагрузок деформироваться в таких пределах, чтобы характер их работы оставался неизменным. Поэтому в целом ряде случаев, в частности, для сжатых стержней, помимо проверки на прочность, необходима и проверка на устойчивость. Для осуществления этой проверки надо ближе ознакомиться с условиями, при которых устойчивость прямолинейной формы сжатого стержня нарушается.



Рис.1. Расчетная схема

 

   Возьмем достаточно длинный по сравнению с его поперечными размерами стержень, шарнирно-прикрепленный к опорам (Рис.1), и нагрузим его сверху центрально силой Р, постепенно возрастающей. Мы увидим, что пока сила Р сравнительно мала, стержень будет сохранять прямолинейную форму. При попытках отклонить его в сторону, например путем приложения кратковременно действующей горизонтальной силы, он будет после ряда колебаний возвращаться к первоначальной прямолинейной форме, как только будет удалена добавочная сила, вызвавшая отклонение.

   При постепенном увеличении силы Р стержень будет все медленнее возвращаться к первоначальному положению при проверках его устойчивости; наконец, можно довести силу Р до такой величины, при которой стержень, после небольшого отклонения его в сторону, уже не выпрямится, а останется искривленным. Если мы, не удаляя силы Р, выпрямим стержень, он уже, как правило, не сможет сохранить прямолинейную форму. Другими словами, при этом значении силы Р, называемом критическим , мы будем иметь такое состояние равновесия, когда исключается вероятность сохранения стержнем заданной ему прямолинейной формы).

   Переход к критическому значению силы Р происходит внезапно; стоит нам очень немного уменьшить сжимающую силу по сравнению с ее критической величиной, как прямолинейная форма равновесия вновь делается устойчивой.

   С другой стороны, при очень небольшом превышении сжимающей силой Р ее критического значения прямолинейная форма стержня делается крайне неустойчивой; достаточно при этом небольшого эксцентриситета приложенной силы, неоднородности материала по сечению, чтобы стержень искривился, и не только не вернулся к прежней форме, а продолжал искривляться под действием все возрастающих при искривлении изгибающих моментов; процесс искривления заканчивается либо достижением совершенно новой (устойчивой) формы равновесия, либо разрушением.

   Исходя из этого, мы должны практически считать критическую величину сжимающей силы эквивалентной нагрузке, «разрушающей» сжатый стержень, выводящей его (и связанную с ним конструкцию) из условий нормальной работы. Конечно, при этом надо помнить, что «разрушение» стержня нагрузкой, превышающей критическую, может происходить при непременном условии беспрепятственного возрастания искривления стержня; поэтому если при боковом выпучивании стержень встретит боковую опору, ограничивающую его дальнейшее искривление, то разрушение может и не наступить.

   Обычно подобная возможность является исключением; поэтому практически следует считать критическую сжимающую силу низшим пределом «разрушающей» стержень силы.



Рис.2. Аналогия понятия устойчивости из механики твердого тела

 

   Явление потери устойчивости при сжатии можно по аналогии иллюстрировать следующим примером из механики твердого тела (рис.2). Будем вкатывать цилиндр на наклонную плоскость ab, которая потом переходит в короткую горизонтальную площадку и наклонную плоскость обратного направления cd. Пока мы поднимаем цилиндр по плоскости ab, поддерживая его при помощи упора, перпендикулярного к наклонной плоскости, он будет в.состоянии устойчивого равновесия; на площадке его равновесие делается безразличным; стоит же нам поместить цилиндр в точку с, как его равновесие сделается неустойчивым— при малейшем толчке вправо цилиндр начнет двигаться вниз.

   Описанную выше физическую картину потери устойчивости сжатым стержнем легко осуществить в действительности в любой механической лаборатории на очень элементарной установке. Это описание не является какой-то теоретической, идеализированной схемой, а отражает поведение реального стержня под действием сжимающих сил.

   Потерю устойчивости прямолинейной формы сжатого стержня иногда называют «продольным изгибом», так как она влечет за собой значительное искривление стержня под действием продольных сил. Для проверки на устойчивость сохранился и до сих пор термин «проверка на продольный изгиб», являющийся условным, так как здесь речь должна идти не о проверке на изгиб, а о проверке на устойчивость прямолинейной формы стержня.

   Установив понятие о критической силе, как о «разрушающей» нагрузке, выводящей стержень из условий его нормальной работы, мы легко можем составить условие для проверки на устойчивость, аналогичное условию прочности.

   Критическая сила вызывает в сжатом стержне напряжение, называемое «критическим напряжением» и обозначаемое буквой . Критические напряжения являются опасными напряжениями для сжатого стержня. Поэтому, чтобы обеспечить устойчивость прямолинейной формы стержня, сжатого силами Р, необходимо к условию прочности добавить еще условие устойчивости:

где — допускаемое напряжение на устойчивость, равное критическому, деленному на коэффициент запаса на устойчивость, т. е. .

   Для возможности осуществить проверку на устойчивость мы должны показать, как определять и как выбрать коэффициент запаса .

 

Формула Эйлера для определения критической силы.

   Для нахождения критических напряжений надо вычислить критическую силу , т. е. наименьшую осевую сжимающую силу, способную удержать в равновесии слегка искривленный сжатый стержень.

Эту задачу впервые решил академик Петербургской Академии наук Л. Эйлер в 1744 году.

   Заметим, что самая постановка задачи иная, чем во всех ранее рассмотренных отделах курса. Если раньше мы определяли деформацию стержня при заданных внешних нагрузках, то здесь ставится обратная задача: задавшись искривлением оси сжатого стержня, следует определить, при каком значении осевой сжимающей силы Р такое искривление возможно.

   Рассмотрим прямой стержень постоянного сечения, шарнирно опертый по концам; одна из опор допускает возможность продольного перемещения соответствующего конца стержня (рис.3). Собственным весом стержня пренебрегаем.



Рис.3. Расчетная схема в «задаче Эйлера»

 

   Нагрузим стержень центрально приложенными продольными сжимающими силами и дадим ему весьма небольшое искривление в плоскости наименьшей жесткости; стержень удерживается в искривленном состоянии, что возможно, так как .

   Деформация изгиба стержня предположена весьма малой, поэтому для решения поставленной задачи можно воспользоваться приближенным дифференциальным уравнением изогнутой оси стержня. Выбрав начало координат в точке А и направление координатных осей, как показано на рис.3, имеем:

(1)

   Возьмем сечение на расстоянии х от начала координат; ордината изогнутой оси в этом сечении будет у, а изгибающий момент равен

   По исходной схеме изгибающий момент получается отрицательным, ординаты же при выбранном направлении оси у оказываются положительными. (Если бы стержень искривился выпуклостью книзу, то момент был бы положительным, а у — отрицательным и .)

Приведенное только что дифференциальное уравнение принимает вид:

деля обе части уравнения на EJ и обозначая дробь через приводим его к виду:

Общий интеграл этого уравнения имеет вид:

Это решение заключает в себе три неизвестных: постоянные интегрирования а и b и значение , так как величина критической силы нам неизвестна.

Краевые условия на концах стержня дают два уравнения:

в точке А при х = 0 прогиб у = 0,

В х = 1 у = 0.

Из первого условия следует (так как и cos kx =1)

0 = b.

Таким образом, изогнутая ось является синусоидой с уравнением

(2)

Применяя второе условие, подставляем в это уравнение

у = 0 и х = l

получаем:

Отсюда следует, что или а или kl равны нулю.

   Если а равно нулю, то из уравнения (2) следует, что прогиб в любом сечении стержня равен нулю, т. е. стержень остался прямым. Это противоречит исходным предпосылкам нашего вывода. Следовательно, sin kl = 0, и величина может иметь следующий бесконечный ряд значений:

где — любое целое число.

Отсюда , а так как то

и

   Иначе говоря, нагрузка, способная удержать слегка искривленный стержень в равновесии, теоретически может иметь целый ряд значений. Но так как отыскивается, и интересно с практической точки зрения, наименьшее значение осевой сжимающей силы, при которой становится возможным продольный изгиб, то следует принять .

   Первый корень =0 требует, чтобы было равно нулю, что не отвечает исходным данным задачи; поэтому этот корень должен быть отброшен и наименьшим корнем принимается значение . Тогда получаем выражение для критической силы:

(3)

(Здесь J—минимальный момент инерции поперечного сечения стержня.) Это — так называемая формула Эйлера для сжатого стержня с шарнирно-опертыми концами. Значению критической силы (3) соответствует изгиб стержня по синусоиде с одной полуволной [формула (2)]


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73755. Особливості зйомки у різних геолого-географічних умовах 24.5 KB
  Методика польових робіт. Техніка польових робіт. Тип геологічної зйомки і напрямок досліджень визначається геологічною обстановкою і фізикогеографічними умовами району робіт. Полевій метод являється основним і самим відповідальним у циклі геолого – зйомочних робіт.
73756. Охорона навколишнього середовища і вимоги до виконання правил екологічного захисту місцевості, на якій проводились геологозйомочні роботи 38 KB
  Картування гідрогеологічних і інженерногеологічних процесів та явищ. Інженерногеологічні основи рекультивації геологічного середовища. Основними компонентами геологічного середовища формуючи умови будівництва і інженерногосподарського освоєння території являються гірничі породи підземні або ґрунтові води і геодинамічні процеси. Додатковими компонентами прямо або косвенно впливаючи на умови будівництва та експлуятяції споруд які необхідно включати при інженерногеологічних пошуків являються атмосфера гідросфера почви та рослинність.
73757. Камеральна обробка матеріалів 35.5 KB
  Завершальна обробка зібраного матеріалу. Завершальна обробка зібраного матеріалу. Завершальна обробка зібраного матеріалу складається з наступного: Проведення ретельних визначень зібраних залишків фауни та флори обов`язково виконується спеціалістами палеонтологами та петрографічних визначень зразків порід на основі цього уточнюється стратиграфічний склад порід і їх розповсюдження в районі...
73758. Організація бухгалтерського обліку на підприємстві та облікового процесу 158 KB
  Вибір підприємством форми організації бухгалтерського обліку. Вибір форми ведення бухгалтерського обліку. Мета вивчення Після вивчення теми 3 студент повинен знати: сутність і значення організації бухгалтерського обліку на підприємстві; форми організації бухгалтерського обліку; порядок ведення бухгалтерського обліку з використанням різних форм; порядок розробки робочого плану рахунків.
73759. Основные направления трансформации системы регулирования социально-трудовых отношений в современных условиях 82.5 KB
  Имеется ввиду расширение социального диалога за рамки собственно социальнотрудовых отношений. Однако численность профсоюзов далеко не единственный показатель их силы и возможностей участия в регулировании социальнотрудовых отношений. За предыдущие годы профсоюзам удалось стать реальным институтом рынка труда и использовать для участия в регулировании социальнотрудовых отношений самые различные институты и механизмы: благодаря наличию механизмов распространения условий коллективных договоров и соглашений заключаемых профсоюзами с...
73760. Загальні засади організації бухгалтерської служби 122 KB
  Функції облікових працівників; види розподілу праці між обліковими працівниками у межах бухгалтерської служби; кваліфікаційні та етичні вимоги які висуваються до бухгалтерів на сучасному етапі.
73761. Основные черты социального партнерства в Российской Федерации 45.5 KB
  Для пореформенной России характерна также сегментированность социальнотрудовых отношений и неоднородность качества трудовой жизни по отраслям и секторам экономики чему способствовало нарастание отраслевых диспропорций в оплате труда. Сформированные в стране механизмы регулирования социальнотрудовых отношений как законодательные так и коллективнодоговорные недостаточно эффективны. В целом регулирование социальнотрудовых отношений развивается в рамках советской парадигмы экономического развития которую принято называть экстенсивной...
73762. Социально-педагогическое сопровождение детей, оказавшихся в трудной жизненной ситуации (на примере лечебно-реабилитационного научного центра детской гематологии, онкологии, иммунологии) 523 KB
  Несмотря на то, что в настоящее время на решение проблемы сопровождения детей в трудной жизненной ситуации направлены усилия многих специалистов, использующих широкий комплекс методов - медицинских, социально-педагогических и психологических, они часто оказываются недостаточно эффективными.
73763. Організація роботи бухгалтерської служби 106.5 KB
  Регламентація діяльності облікових працівників. Після вивчення теми 5 студент повинен вміти: розробити Положення про бухгалтерську службу та посадові інструкції для облікових працівників; спланувати роботу бухгалтера; охарактеризувати вимоги до обладнання робочого місця бухгалтера; скласти акт прийманняпередачі справ при зміні бухгалтера. Регламентація діяльності облікових працівників У ході виконання своїх обов’язків між бухгалтерами та іншими працівниками підприємства виникають взаємовідносини з різних питань що дозволяє виділити такі...