Под воздействием наибольшей сжимающей силы, называемой критической силой, возникает продольный изгиб стержня
Для обеспечения устойчивости необходимо, чтобы действующая на стержень сжимающая сила F была меньше критической FКР.
Условие устойчивости:
[ F ] ≤ FКР. / [ n y ],
где [ ny ] – допускаемый коэффициент запаса устойчивости.
Применение формулы Эйлера и Ясинского
Формула Эйлера имеет вид:
,
где Е – модуль упругости;
Imin. – наименьший из осевых моментов инерции сечения;
ln – приведенная длина стержня, lп = μ l;
l - длина стержня;
μ – коэффициент приведения длины, зависит от способов закрепления концов стержней (рис.14).
Рис.14. Способы закрепления концов стержней
Так как в основе формулы Эйлера лежит закон Гука, который справедлив только до предела пропорциональности, то существует условие применения этой формулы:
λ ≥ λпред.,
т. е. формула Эйлера применима, когда гибкость стержня больше или равна предельной гибкости.
λ = μ l / imin, где imin2 = Imin / A
где imin – минимальный радиус инерции сечения;
A – площадь поперечного сечения стержня.
В случаях, если λ ‹ λпред. Применяем эмпирическую формулу Ф.О.Ясинского:
σкр. = а – в λ,
где а и в – коэффициенты, зависящие от материала, определяемые по таблицам справочника.
Значение критической силы определяем:
Fкр = σкр·А
Материал | а, МПа | в, МПа | λ0 | λпред |
Сталь Ст2 Сталь Ст3 Сталь 20, Ст4 Сталь 45 Дюралюмин Д16Т Сосна, ель | 264 310 328 449 406 29,3 | 0,70 1,14 1,15 1,67 1,83 0,194 | 60 60 60 52 30 - | 105 100 96 85 53 70 |
Пример решения задачи
Пример. Проверить устойчивость стержня. Стержень длиной 1 м защемлен одним концом, сечение – швеллер №16, материал – Ст.3, запас устойчивости трехкратный. Стержень нагружен сжимающей силой 82 кН (рис.15).
Рис.15
Решение
1. Определяем основные геометрические параметры сечения стержня по ГОСТ 8249 – 89.
Швеллер №16: площадь сечения 18,1 см2; минимальный осевой момент сечения 63,3 см4; минимальный радиус инерции сечения imin = 1,87 см.
2.Определяем гибкость стержня. Предельная гибкость для материала Ст3 λпред. = 100.
Расчетная гибкость стержня при длине l = 1 м = 1000 мм
λ = μ l / imin = 2·1000/18,7 = 106,95.
Критическую силу определяем по формуле Эйлера:
.
3. Допускаемая нагрузка на стержень [ F ] = FКР. / [n y].
.
4. Условие устойчивости F ≤ [Fу]; 82кН ‹ 105,5кН.
Устойчивость стержня обеспечена.