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第十一章北航 材料力学 全部课件 习题答案

n 2 π 2 EI 4l 2 由上式并取 n=1,即得压杆的临界载荷为 Fcr (n 0,1,2,)
(c)
Fcr
π 2 EI 4l 2
11-7
试确定图示各细长压杆的相当长度与临界载荷。设弯曲刚度 EI 为常数。
题 11-7 图 (a)解:相当长度为
5
leq a
临界载荷为
π 2 EI a2 (b)解:压杆微弯状态的挠曲轴如图 11-7b 中的虚线所示。 Fcr
由此得
sin
kl kl kl 4k 2 EI kl [sin (1 )cos ] 0 2 2 2 cl 2
图示阶梯形细长压杆,左、右两段各截面的弯曲刚度分别为 EI1 与 EI2 。试 证明压杆的临界载荷满足下述方程:
11-11
tank1l tank2l
式中: k1 F /( EI1 ) ; k2 F /( EI 2 ) 。
Fcr, 1
π 2 EI l2
Fcr, 2
显然,压杆的临界载荷为
1.359EI l2
1.359EI l2
Fcr Fcr, 2
11-10
图示两端铰支细长压杆,弯曲刚度 EI 为常数,压杆中点用弹簧常量为 c 的
弹簧支持。试证明压杆的临界载荷满足下述方程:
sin
式中, k F /( EI ) 。
第十一章
压杆稳定问题
11-1
图示两端铰支刚杆-蝶形弹簧系统,试求其临界载荷。图中,c 代表使蝶形弹
簧产生单位转角所需之力偶矩。
题 11-1 图 解:系统的临界状态(微偏斜状态)如图 11-1 所示。注意到蝶形弹簧产生的转角为 2θ , 由右段刚杆的力矩平衡方程
l c(2θ ) F (θ ) 0 2
FN5 F
由此得
Fcr
π 2 EI π 2 EI 2l 2 ( 2l ) 2
2.当 F 向内时 此时杆 5 受拉,其余各杆(编号 1,2,3,4)受压。且
6
FN1 FN2 FN3 FN4
由此得
F 2
Fcr 2 (
π 2 EI 2π 2 EI ) 2 l l2
11-9 图 a 所示细长压杆,弯曲刚度 EI 为常数,试证明压杆的临界载荷满足下述方程:
持稳定平衡,试确定轴 BC 的直径 d。已知 F = 42 kN,切变模量 G = 79 GPa。
3
题 11-4 图 解:刚性杆 AB 在微偏斜(设偏斜角为 ,见图 11-4)状态下处于平衡,此时加给轴 BC 的扭力矩为
M B Fa


注意到 T M B ,于是得
Tl GI p
F
可见, A1 , A2和Fc 存在非零解的条件为
(1) (2) (3)
sin 0
kl 2
0 kl 2 kl kcos 2 sin
kcos
kl 2
l 1 4F c l 1 4F c 1 F
0
展开上列行列式,并注意到 F EIk 2 ,得
1 kl kl l 2k 2 EI kl sin [sin k ( )cos ] 0 2 2 2 c 2 EIk 2
N/mm 时,截面 B 的挠度分别为何值。横梁与立柱均用低碳钢制成,弹性模量 E = 200 GPa, 比例极限 p =200 MPa。
11
题 11-13 图 解:1.求立柱的临界载荷 给立柱和梁编号分别为 1 和 2,我们有
λp π
E 200109 π 99.3 σp 200106
k2 k1
题 11-11 图 解:该压杆的微弯状态如图 11-11 所示。
图 11-11 弯矩方程为
M ( x1 ) F (δ w1 ), M ( x2 ) F (δ w2 )
进而可得
10
2 2 k12 w1 k12 δ, w2 k2 w1 w2 k2 δ

l

sin kl sin kl
0 - sinkl
1 0 0
k coskl kcoskl 1/l
由此得
sin kl sin kl 2kl coskl 0
上述方程有两组可能的解,即:
sin kl 0 sin kl 2kl coskl 0 由上述二方程的最小非零正根,分别得
于是得挠曲轴微分方程分别为
Fc F x1 Fw1, M ( x2 ) c x2 Fw2 2 2 Fc 2 F k 2 w2 c k 2 x2 k x1, w2 2F 2F
k 2 w1 w1
式中,
k2
上述微分方程的通解分别为
F EI
Fc x1 2F F w2 A2sinkx2 B2coskx2 c x2 2F w1 A1sinkx1 B1coskx1
图 11-7b 半个正弦波的长度为 a,即
leq a
由此得临界载荷为
Fcr
π 2 EI a2
11-8
图示正方形桁架,各杆各截面的弯曲刚度均为 EI,且均为细长杆。试问当载荷
F 为何值时结构中的个别杆件将失稳?如果将载荷 F 的方向改为向内, 则使杆件失稳的载荷 F 又为何值?
题 11-8 图 解:1.当 F 向外时 竖向杆 CD 受压,其余四根杆受拉。 设杆 CD 编号为 5,则有
M C 0,
得系统的临界载荷为
c l F 0 2 cl 2
Fcr
1
图 11-2a (b)解:设系统微偏转如图 11-2b(1)所示,铰链 A 与 B 的铅垂位移分别用与表示,于 是得杆 AB 的受力如图 11-2b(2)所示,杆的平衡方程为
M
由式(b)得
F
y
0, c2 2 c1 1 0
c2 2 l F ( 1 2 ) 0
(a) (b)
A 0,
F
由式(a)得
c 2 2 l 1 2
(c)
2
代入式(c) ,于是得系统的临界载荷为
c11 c2
Fcr
c1c2 l c1 c2
图 11-2b
11-3
图示结构,AB 为刚性杆,BC 为弹性梁,各截面的弯曲刚度均为 EI。在刚性杆
顶端承受铅垂载荷 F 作用,试求其临界值。
2
题 11-3 图 解:结构的临界状态示如图 11-3。
图 11-3 使梁 B 端截面产生转角 θ B 的力矩应为
Me

3EI θB l
M e F (θB a )
由此得
F

3EI al 3EI al
Fcr
11-4
图示刚性杆 AB,下端与圆截面钢轴 BC 相连。为使刚性杆在图示铅垂位置保

GI p al
πGd 4 32al
Fcr
由此得(题中给出 F= 42kN )
GI p al
d
4
32alFcr 4 32 0.500 0.300 42 103 m 0.030m 30 mm πG π 79 109
图 11-4
4
11-6
图示细长压杆,弯曲刚度 EI 为常数,试按§11-2 所述方法确定杆的临界载荷。
式中,除参数 k 外,积分常数 A1,A2,B1,B2 与端点挠度也均为未知。 压杆的位移边界条件与连续条件为:

(a) (b)
在 x1 0 处, w1 0
在 x2 0 处, w2
(1) (2) (3)
在 x1 l 处, w1 0
7
在 x1 x2 l 处, w1 w2 在 x1 x2 l 处, w'1 w' 2
由式(a),(b)与条件(1),(2)可知,
(4) (5)
B1 B2 0
由式(a),(b)与条件(3),(4),(5),得
A1 sin kl A1 sin kl A2 sin kl 0
A1k coskl A2 k coskl
可见,A1,A2 与存在非零解的条件为
wB Δl1
引入物理关系
wB
并代入相关数据及
F x1 Fw1 l
M ( x2 ) F ( w2 )
相应的挠曲轴近似微分方程分别为
" EIw1 Fw1
F l
" EIw2 Fw2 F
上述微分方程的通解分别为
w1 A1 sin kx1 B1 coskx1 x1 l
w2 A2 sin kx2 B2 coskx2
i
I1 d 10mm 0.010m A1 4
200 λp i 0.010 立柱 BD 为大柔度杆,其临界载荷为
Fcr
2.计算 qcr 这里的 qcr 系指使立柱刚刚到达 Fcr 时的 q 值,立柱 BD 还处在直线平衡状态。 B 处的变形 协调条件为
λ
l 12.00
π 2 EI1 π 2 200109 π 0.0404 N 6.2013104 N 62.013kN 2 2 64 l1 2.00
sinkl(sinkl2klcoskl )0
式中,k2=F/(EI)。
题 11-9 图 解:在临界载荷作用下,压杆可在图 b 所示微弯状态保持平衡。 设横截面 C 的挠度为,则由平衡方程求得支座 A 与 B 的支反力为
FAy FBy
杆段 AB 与 BC 的弯矩方程分别为
F l
M ( x1 )
由上述条件依次得
B1 δ
A1 0
B2 δcosk1l
(a)
A2
k1 δsink1l k2
(b)
A2sink2l B2cosk2l 0
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