強度設計與剩余強度系數(shù).doc

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3.7　強度設計與剩余強度系數(shù) 結(jié)構(gòu)強度是結(jié)構(gòu)承受外載荷作用的能力，即抵抗斷裂、失穩(wěn)、不容許變形（或位移）的能力。強度設計的主要工作包括規(guī)定結(jié)構(gòu)強度設計標準，確定強度判別原則。主要內(nèi)容是獲得結(jié)構(gòu)上作用的載荷數(shù)據(jù)；進行細致而準確的結(jié)構(gòu)分析；根據(jù)強度判別原則和設計標準做出強度判斷并計算剩余強度系數(shù)。結(jié)構(gòu)分析內(nèi)容已在3.6節(jié)中介紹，本節(jié)介紹強度判別原則和確定剩余強度系數(shù)問題。 3.7.1 判別原則 （1）靜強度判別原則 1）第一個判別原則 不管結(jié)構(gòu)中各元件處于什么樣的應力狀態(tài)，只要結(jié)構(gòu)在各元件的最大正應力 不大于各元件材料的極限應力 ，即： 則認為結(jié)構(gòu)不會破壞，若 為材料強度極限， 、 、 為主應力，且 > > ， 可為簡單拉伸的強度極限 ，也可為簡單壓縮的屈服極限 ，則對于簡單拉伸情況，判別原則為： （3.7-1） 對于大多數(shù)塑性材料，兩者的數(shù)值差不多相等；對于脆性材料，兩者的數(shù)值不等。這一判別原則適用于脆性破壞情況。 2）第二個判別原則 不管結(jié)構(gòu)中各元件處于什么樣的應力狀態(tài)，只要結(jié)構(gòu)中各元件的最大剪應力 不大于元件材料極限剪切應力 ，即： 則認為結(jié)構(gòu)不會破壞。按照應力分析的算式，且當 > > 時，由上式還可得： （3.7-2） 這一判別原則，主要考慮了最大剪應力，忽略了面上其他剪應力，對于塑性材料，它與實驗結(jié)果相當符合，適用于結(jié)構(gòu)塑性破壞。 實際上，結(jié)構(gòu)破壞的原因并不是固定的，主要取決于結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)。強度條件應包括結(jié)構(gòu)的斷裂和剪斷兩個方面。因此，當結(jié)構(gòu)承受的正應力 大于剪應力 時，還可得： （3.7-3） 3）第三個判別原則 不管結(jié)構(gòu)中各元件處于什么樣的應力狀態(tài)，只要材料單元體內(nèi)各個面上剪應力的統(tǒng)計平均值 大于極限剪應力 ，即： 則認為結(jié)構(gòu)不會破壞。若以主應力表示，則： （3.7-4） 這是米賽斯（Mises）條件。 當 時，則： （3.7-5） 當結(jié)構(gòu)承受的正應力 小于剪應力 時，還可得： （3.7-6） 上述判別原則，不但以最大剪應力為主，還考慮了面上其他剪應力，也適用于結(jié)構(gòu)塑性破壞情況。 （2）穩(wěn)定性判別原則 若結(jié)構(gòu)承受單元載荷， 為彎曲正應力， 為彎曲臨界應力， 為軸壓應力，為軸壓臨界應力， 為剪切臨界應力， 為外壓， 為外壓臨界力，當： （3.7-7） 時，認為結(jié)構(gòu)不失穩(wěn)。 當結(jié)構(gòu)承受組合載荷時，其相應的相關函數(shù)值小于等于1，認為結(jié)構(gòu)不失穩(wěn)。相關函數(shù)見表3.7-1。表3.7-1中， 為軸壓， 為內(nèi)壓， 為拉應力，下標 表示臨界參數(shù)， 為材料泊松比， 為框距， 為圓筒半徑， 為圓筒厚度。 。 表3.7.1 相關函數(shù) 組合載荷 相關函數(shù) 條件 軸壓與彎矩 外壓與軸壓 扭矩與軸壓 簡支1 固支5 扭矩與軸壓、外壓 扭矩與軸壓、彎矩 扭矩與彎矩 扭矩與內(nèi)壓 扭矩與拉伸 （3）剛度判別原則 結(jié)構(gòu)剛度用結(jié)構(gòu)在設計載荷下的位移（或轉(zhuǎn)角） 表示，結(jié)構(gòu)剛度判別原則是要求 不大于規(guī)定的允許值 ，即： （3.7-8） 對于氣動彈性問題提出的剛度判別原則為： 式中 ——導彈最大飛行速度； ——結(jié)構(gòu)的臨界顫振速度； ——安全系數(shù)。 （4）高溫影響 結(jié)構(gòu)承受熱載荷時，應計算結(jié)構(gòu)中的熱應力。 光圓筒殼在均勻溫度場內(nèi)，變形不受約束時，計算臨界應力只需考慮材料機械性能的變化。 端部或中間有框的光圓筒殼，在均勻溫度場內(nèi)，計算臨界應力只需考慮材料機械性能的變化。 有端框的長桁加勁殼，在均勻溫度場內(nèi)，計算承載能力只需考慮材料機械性能的變化。 3.7.2 強度極限的確定 確定強度極限工作是很重要的。它關系到結(jié)構(gòu)工作的可靠性與結(jié)構(gòu)重量。主要的強度極限參數(shù)如下： （1）材料強度極限 確定材料強度極限 主要考慮以下原則 1）取有關圖樣中的數(shù)值，或根據(jù)給出的硬度確定。若未給出，應從材料手冊最新版本中選取； 2）強度極限 注有公差時，取其下限值 3）當無資料可查時，應根據(jù)試驗結(jié)果確定。 （2）材料剪切強度極限 剪切強度極限 按下式計算： （3.7-9） 式中 ——剪切系數(shù)。 剪切系數(shù) 見表3.7.2。 表3.7.2 剪切系數(shù) 材 料 名 稱 生鐵或鑄鋁 0.8～1.0 變形鋁合金 0.55～0.6 退火鋼 0.7 的鋼 0.7 的鋼 0.63～0.65 的鋼 0.6 鑄造鎂合金 0.55～1.0 未經(jīng)熱處理的 的鑄鎂 0.8～1.0 未經(jīng)熱處理的 的鑄鎂 0.55～0.6 （3） 擠壓強度極限 擠壓強度極限 按下式計算： （3.7-10） ——擠壓系數(shù)。 對于螺栓連接，見表3.7.3。 表3.7.3 擠壓系數(shù) 連接 情況 不可拆卸、不可活動的連接 1.3 可拆卸、不可活動的連接 1.0 可微小活動但受力時不活動的連接 0.65 受力時還可活動的連接（一般情況） 0.2 受力時還可活動的連接（保證潤滑情況） 0.3 埋頭螺栓在保證單面間隙不超過技術條件規(guī)定的情況下 1.0 對于鉚釘連接，擠壓應力 見表3.7.4。 表3.7.4 壓應力 材 料 厚 度（mm） （Mpa） 鋁合金LY12、LY14 0.3～1.0 588 鋁合金LY14 1.2～5.0 785 其他材料鉚接時 1.5 （4）鉚釘?shù)目估瓘姸扰c抗剪強度 1）確定鉚釘抗拉強度的原則 具有半圓形鉚釘頭和桶形鉚釘鐓頭的鉚釘抗拉強度為： （3.7-11） 具有兩個半圓頭的鉚釘抗拉強度為： （3.7-12） 2）確定螺栓剪切強度的原則： 空心螺栓的破壞剪力為： （3.7-13） 式中 ——螺栓外徑（m）； ——螺栓內(nèi)徑（m）； ——系數(shù)。 對于 取 ，空心螺栓的壁厚不小于0.25 。 對于錐形螺栓，所有各剖面的破壞剪應力應降低0.03 。 （5）焊縫強度的確定 焊縫抗拉強度 和抗剪強度 分別為： （3.7-14） 式中 ——焊縫強度削弱系數(shù)。 3.7.3剩余強度系數(shù) 材料的強度極限 （或臨界應力 ）與結(jié)構(gòu)在載荷作用下的工作應力 之比值，稱為“剩余強度系數(shù)” 。即： （3.7-15） 值確定正確與否，不僅關系到結(jié)構(gòu)工作的可靠性，而且關系到結(jié)構(gòu)質(zhì)量的大小。因此，如何正確確定 值，是結(jié)構(gòu)強度設計的關鍵問題之一。 結(jié)構(gòu)的剩余強度系數(shù) 應按具體情況確定 值與技術發(fā)展的完善程度及設計的實踐經(jīng)驗有關。例如防空導彈結(jié)構(gòu)的剩余強度系數(shù) ，可作如下規(guī)定： 1） 結(jié)構(gòu)的剩余強度系數(shù)應大于等于1； 2） 重要受力接頭的剩余強度系數(shù)應大于1.2; 3） 鑄造件的剩余強度系數(shù)應大于1.33； 4） 按剛度設計的剩余強度系數(shù)可視具體情況確定，但至少大于等于1。 理論上當然希望 等于1.0，這時結(jié)構(gòu)既滿足強度要求，質(zhì)量也最小。但實際上由于載荷計算誤差、結(jié)構(gòu)分析誤差、材料性能分散性等原因，實際破壞載荷與設計載荷總有差別。為使設計安全，一般希望： 當結(jié)構(gòu)允許很小殘余變形時， 可略小于1.0；對重要接頭、對人員安全有影響的高壓氣瓶等， 應有較大值，例如 。對于一些結(jié)構(gòu)尺寸是由剛度條件、使用要求、工藝因素等決定的元件，其 值遠大于也是允許的。