屈曲载荷 返回
结构力学

柱屈曲载荷计算器

选择端部约束和截面形状,实时计算 Euler/Johnson 临界载荷、长细比和安全系数,并显示屈曲模态。

端部条件与截面

材料与载荷

暂停时,拖动滑块即可即时更新结果。

实时数值
临界载荷 Pcr [kN]
载荷比 P / Pcr
有效长度 KL [m]
长细比 KL/r
屈曲实时动画
柱(变形) 轴向载荷 P Pcr 阈值
提高载荷 P:当 P 达到 Pcr 的瞬间,柱会突变为屈曲模态形状。
计算结果
临界应力曲线
理论与主要公式
$$P_{cr}=\frac{\pi^2EI}{(KL)^2}$$ $$\sigma_{cr}=F_y\left(1-\frac{F_y}{4\pi^2E}\left(\frac{KL}{r}\right)^2\right)$$

模拟器展示的内容

细长柱可能在材料达到屈服强度之前先发生稳定性失效。长柱主要由 Euler 公式控制,中等长细比柱可用 Johnson 抛物线估算。

$$P_{cr}=\frac{\pi^2EI}{(KL)^2}$$

图表读取方法

应力曲线显示当前柱在长细比轴上的位置;模态图显示所选端部条件下的屈曲形状,便于理解有效长度系数 K 的影响。

欧拉屈曲载荷与有效屈曲长度

细长柱受轴压时,可能在达到屈服前突然侧向变形,即屈曲。理想弹性(欧拉)屈曲载荷与应力为:

$P_{cr} = \dfrac{\pi^2 E I}{(K L)^2}, \qquad \sigma_{cr}=\dfrac{P_{cr}}{A}=\dfrac{\pi^2 E}{\lambda^2}, \qquad \lambda=\dfrac{KL}{i},\ i=\sqrt{\dfrac{I}{A}}$

$L_{cr}=KL$ 为有效屈曲长度,$\lambda$ 为长细比,$i$ 为回转半径。端部约束越强 $K$ 越小,越不易屈曲。

端部条件$K$(理论值)$L_{cr}$
两端铰接1.0$L$
固定–自由(悬臂)2.0$2L$
固定–铰接0.7$0.7L$
两端固定0.5$0.5L$

屈曲发生在最弱轴(最小 $I$)。截面惯性矩:实心圆 $I=\pi d^4/64$,空心圆 $I=\pi(D^4-d^4)/64$,矩形 $I=bh^3/12$。

短柱、中长柱、长柱与临界长细比

欧拉公式仅对长柱(细长柱)有效。对粗短柱,屈曲应力超过屈服应力 $\sigma_y$,将先发生压缩屈服而非屈曲。其分界为临界长细比

$\lambda_1 = \pi\sqrt{\dfrac{E}{\sigma_y}}$

分类长细比控制行为
短柱小($\lambda$ 小)压缩屈服 $\sigma_{cr}\approx\sigma_y$
中长柱中等非弹性屈曲(如 Johnson:$\sigma_{cr}=\sigma_y-\dfrac{\sigma_y^2}{4\pi^2 E}\lambda^2$)
长柱大($\lambda>\lambda_1$)弹性屈曲(欧拉)

屈曲突然且具破坏性,实际设计取较大安全系数,并考虑初始缺陷与偏心。降低长细比(更粗、更短、约束更强)是基本对策。

应用与注意点

本工具适合柱、支撑、压杆和机架构件的初步尺寸估算。正式设计还应检查初始弯曲、偏心载荷、连接刚度、局部屈曲以及相应规范要求。