强度设计与剩余强度系数.doc

3.7强度设计与剩余强度系数 结构强度是结构承受外载荷作用的能力，即抵抗断裂、失稳、不容许变形（或位移）的能力。强度设计的主要工作包括规定结构强度设计标准，确定强度判别原则。主要内容是获得结构上作用的载荷数据；进行细致而准确的结构分析；根据强度判别原则和设计标准做出强度判断并计算剩余强度系数。结构分析内容已在3.6节中介绍，本节介绍强度判别原则和确定剩余强度系数问题。3.7.1 判别原则（1）静强度判别原则 1）第一个判别原则 不管结构中各元件处于什么样的应力状态，只要结构在各元件的最大正应力 不大于各元件材料的极限应力 ，即： 则认为结构不会破坏，若 为材料强度极限， 、 、 为主应力，且 > > ， 可为简单拉伸的强度极限 ，也可为简单压缩的屈服极限 ，则对于简单拉伸情况，判别原则为： （3.7-1） 对于大多数塑性材料，两者的数值差不多相等；对于脆性材料，两者的数值不等。这一判别原则适用于脆性破坏情况。 2）第二个判别原则 不管结构中各元件处于什么样的应力状态，只要结构中各元件的最大剪应力 不大于元件材料极限剪切应力 ，即： 则认为结构不会破坏。按照应力分析的算式，且当 > > 时，由上式还可得： （3.7-2） 这一判别原则，主要考虑了最大剪应力，忽略了面上其他剪应力，对于塑性材料，它与实验结果相当符合，适用于结构塑性破坏。 实际上，结构破坏的原因并不是固定的，主要取决于结构的应力状态。强度条件应包括结构的断裂和剪断两个方面。因此，当结构承受的正应力 大于剪应力 时，还可得： （3.7-3） 3）第三个判别原则 不管结构中各元件处于什么样的应力状态，只要材料单元体内各个面上剪应力的统计平均值 大于极限剪应力 ，即： 则认为结构不会破坏。若以主应力表示，则： （3.7-4） 这是米赛斯（Mises）条件。 当 时，则： （3.7-5） 当结构承受的正应力 小于剪应力 时，还可得： （3.7-6） 上述判别原则，不但以最大剪应力为主，还考虑了面上其他剪应力，也适用于结构塑性破坏情况。（2）稳定性判别原则 若结构承受单元载荷， 为弯曲正应力， 为弯曲临界应力， 为轴压应力，为轴压临界应力， 为剪切临界应力， 为外压， 为外压临界力，当： （3.7-7）时，认为结构不失稳。 当结构承受组合载荷时，其相应的相关函数值小于等于1，认为结构不失稳。相关函数见表3.7-1。表3.7-1中， 为轴压， 为内压， 为拉应力，下标 表示临界参数， 为材料泊松比， 为框距， 为圆筒半径， 为圆筒厚度。 。 表3.7.1 相关函数组合载荷 相关函数 条件 轴压与弯矩 外压与轴压 扭矩与轴压 简支1固支5 扭矩与轴压、外压 扭矩与轴压、弯矩 扭矩与弯矩 扭矩与内压 扭矩与拉伸 （3）刚度判别原则 结构刚度用结构在设计载荷下的位移（或转角） 表示，结构刚度判别原则是要求 不大于规定的允许值 ，即： （3.7-8） 对于气动弹性问题提出的刚度判别原则为： 式中 导弹最大飞行速度； 结构的临界颤振速度； 安全系数。（4）高温影响 结构承受热载荷时，应计算结构中的热应力。 光圆筒壳在均匀温度场内，变形不受约束时，计算临界应力只需考虑材料机械性能的变化。 端部或中间有框的光圆筒壳，在均匀温度场内，计算临界应力只需考虑材料机械性能的变化。 有端框的长桁加劲壳，在均匀温度场内，计算承载能力只需考虑材料机械性能的变化。3.7.2 强度极限的确定 确定强度极限工作是很重要的。它关系到结构工作的可靠性与结构重量。主要的强度极限参数如下： （1）材料强度极限 确定材料强度极限 主要考虑以下原则 1）取有关图样中的数值，或根据给出的硬度确定。若未给出，应从材料手册最新版本中选取； 2）强度极限 注有公差时，取其下限值 3）当无资料可查时，应根据试验结果确定。 （2）材料剪切强度极限 剪切强度极限 按下式计算： （3.7-9）式中 剪切系数。 剪切系数 见表3.7.2。 表3.7.2 剪切系数材 料 名 称 生铁或铸铝 0.81.0 变形铝合金 0.550.6 退火钢 0.7 的钢 0.7 的钢 0.630.65 的钢 0.6 铸造镁合金 0.551.0 未经热处理的 的铸镁 0.81.0 未经热处理的 的铸镁 0.550.6 （3） 挤压强度极限 挤压强度极限 按下式计算： （3.7-10）挤压系数。 对于螺栓连接，见表3.7.3。 表3.7.3 挤压系数连接 情况 不可拆卸、不可活动的连接 1.3 可拆卸、不可活动的连接 1.0 可微小活动但受力时不活动的连接 0.65 受力时还可活动的连接（一般情况） 0.2 受力时还可活动的连接（保证润滑情况） 0.3 埋头螺栓在保证单面间隙不超过技术条件规定的情况下 1.0 对于铆钉连接，挤压应力 见表3.7.4。 表3.7.4 压应力材 料 厚 度（mm） （Mpa） 铝合金LY12、LY14 0.31.0 588 铝合金LY14 1.25.0 785 其他材料铆接时 1.5 （4）铆钉的抗拉强度与抗剪强度 1）确定铆钉抗拉强度的原则 具有半圆形铆钉头和桶形铆钉镦头的铆钉抗拉强度为： （3.7-11） 具有两个半圆头的铆钉抗拉强度为： （3.7-12） 2）确定螺栓剪切强度的原则： 空心螺栓的破坏剪力为： （3.7-13）式中 螺栓外径（m）；螺栓内径（m）；系数。 对于 取 ，空心螺栓的壁厚不小于0.25 。 对于锥形螺栓，所有各剖面的破坏剪应力应降低0.03 。 （5）焊缝强度的确定 焊缝抗拉强度 和抗剪强度 分别为： （3.7-14）式中 焊缝强度削弱系数。3.7.3剩余强度系数 材料的强度极限 （或临界应力 ）与结构在载荷作用下的工作应力 之比值，称为“剩余强度系数” 。即： （3.7-15） 值确定正确与否，不仅关系到结构工作的可靠性，而且关系到结构质量的大小。因此，如何正确确定 值，是结构强度设计的关键问题之一。 结构的剩余强度系数 应按具体情况确定 值与技术发展的完善程度及设计的实践经验有关。例如防空导弹结构的剩余强度系数 ，可作如下规定： 1） 结构的剩余强度系数应大于等于1； 2） 重要受力接头的剩余强度系数应大于1.2; 3） 铸造件的剩余强度系数应大于1.33； 4） 按刚度设计的剩余强度系数可视具体情况确定，但至少大于等于1。 理论上当然希望 等于1.0，这时结构既满足强度要求，质量也最小。但实际上由于载荷计算误差、结构分析误差、材料性能分散性等原因，实际破坏载荷与设计载荷总有差别。为使设计安全，一般希望： 当结构允许很小残余变形时， 可略小于1.0；对重要接头、对人员安全有影响的高压气瓶等， 应有较大值，例如 。对于一些结构尺寸是由刚度条件、使用要求、工艺因素等决定的元件，其 值远大于也是允许的。