P'=π2EI/L2 即:P等于3.14的平方乘以E 和I 与L的平方之比。
式子中P表示临界力;E表示弹性模量; I 表示惯性矩
临界力Pij的大小与下列因素有关: 图1:临界力Pij的大小与支承条件的关系图
1、压杆的材料:钢柱的P比木柱大,因为钢柱的弹性模量E大。
2、压杆的截面形状与大小:截面大不易失稳,因为惯性矩大。
3、压杆长度L:压杆长度大,P临界力小,易失稳。[1]
压杆临界力
1、同一长度的压杆,截面积及材料均相同,仅两端支承条件不同,则一端固定,一端自由杆的临界力最小。
2、受压杆在下列支承情况下,若其他条件相同,临界力最大的是两端固定
3、受压物件,两端铰支,临界力为50kN,若将物件改为两端固定,则其临界力为500kN。[1]
杆件所受压力逐渐增加到某个限度时,压杆将由稳定状态转化为不稳定状态。这个压力的限度称为临界力。它是压杆保持直线稳定形状时所能承受的最小压力。
为了计算压杆的稳定性,就要确定临界力的大小。通过实验和理论推导,压杆临界力与各个因素有关:
(1)压杆的材料,临界力与材料的弹性模量E成正比;
(2)压杆横截面的形状和尺寸,临界力与压杆横截面的轴惯性矩成正比;
(3)压杆的长度,临界力与长度的平方成反比;
(4)压杆两端的支座形式有关,用支座系数表示。
当已知压杆的材料、尺寸和支座形式时,即可由欧拉公式求得临界力根据欧拉公式,若要提高细长杆的稳定性,可从下列几方面来考虑:
(1)合理选用材料:
临界力与弹性模量E成正比。钢材的E值比铸铁、铜、铝的大,压杆选用钢材为宜。合金钢的E值与碳钢的E值近似,细长杆选用合金钢并不能比碳钢提高稳定性,但对短粗杆,选用合金钢可提高工作能力。
(2)合理选择截面形状:
临界力与截面的轴惯性矩成正比。应选择大的截面形状,如圆环形截面比圆形截面合理,型钢截面比矩形截面合理。并且尽量使压杆横截面对两个互相垂直的中性轴的惯性矩相近。
(3)减少压杆长度:
临界力与杆长平方成反比。在可能的情况下,减小杆的长度或在杆的中部设置支座,可大大提高其稳定性。
(4)改善支座形式:
临界力与支座形式有关。固定端比铰链支座的稳定性好,钢架的立柱,其柱脚与底板的联系形式,能提高立柱受压时的稳定性。[1] 图2
欧拉公式只有在弹性范围内才是适用的。为了判断压杆失稳时是否处于弹性范围,以及超出弹性范围后临界力的计算问题,必须引入临界应力及柔度的概念。