由前所述,对于一般的受压直杆,认为只要满足压缩强度条件,就能保证压杆的正常工作,事实上该结论仅适合短粗压杆,而细长压杆并非如此。实际上,当细长压杆所受的轴向压力远小于压缩强度的许可值时,便已失去其原有的直线状态,突然变弯而丧失承载能力。
如图4-12(a)所示,在细长直杆两端作用有一对等值、反向的轴向压力F,杆件处于平衡状态。试验发现,若施加一个不大的横向干扰力,则杆件变弯[图4-12(b)]。但是,当轴向压力F值小于某一数值Fer时,若撤去横向干扰力,压杆将恢复到原来的直线平衡状态[图4-12(c)],这表明压杆原来直线状态的平衡是稳定平衡;当轴向压力F值达到某一数值Fer时,若撤去横向干扰力,压杆不能恢复到原来的直线平衡状态,仍处于微弯状态,如图4-12(d)所示,此时轴向压力F值若再有微小增加,则立刻发生明显的弯曲变形,直至折断。这表明压杆原来直线状态的平衡是不稳定平衡。压杆这种不能保持其原有直线平衡状态而突然变弯的现象,称为压杆失稳。
图4-12 压杆的稳定性
由上述可知,当压杆所受的轴向压力F值逐渐增加到极限值Fer时,压杆处于由稳定平衡到不稳定平衡的临界状态,则极限压力Fer称为临界压力。临界压力Fer的大小表示了压杆稳定性的强弱。临界压力Fer越大,稳定性越强,则压杆不易失稳;临界压力Fer越小,稳定性越弱,则压杆易失稳。
可见,对于压杆而言,短粗杆和细长杆的破坏性质是不同的,短粗杆是强度问题,而细长杆则是稳定性问题。在机械设备中,细长压杆的使用也很普遍,如内燃机配气阀的顶杆[图4-13(a)]、千斤顶的丝杠[图4-13(b)]、液压缸的活塞杆、内燃机的连杆等,都存在稳定性问题。(www.daowen.com)
图4-13 细长压杆的应用实例
在工程实际中,考虑细长压杆的稳定性问题是非常重要的。因为这类构件的失稳常发生在其强度破坏之前,而且是瞬间发生的,以至于人们猝不及防,所以更具危险性。解决压杆稳定问题的关键是提高临界压力Fer,其值的计算可参阅有关资料。通常主要在加固端部约束、减小压杆长度以及采用合理的截面形状(图4-14)等方面着手提高压杆的稳定性。
图4-14 合理的截面形状
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