關(guān)于高強(qiáng)度鋼的安全系數(shù)與失效可能性分析

aichangjin

如今，大多數(shù)人們都知道不存在１００％的必然，許多東西也不能全用數(shù)學(xué)公式來表達(dá)，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候經(jīng)常要冒著各種各樣的危險(xiǎn)。高強(qiáng)度鋼實(shí)際上不是與“失效可能性”這個(gè)概念緊緊聯(lián)系在一起的，使用每種材料都會(huì)面臨同樣的問題，但由于這種鋼材在很多方面都是全新的，同時(shí)使用這些高強(qiáng)度鋼材的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)對(duì)我們來說也缺乏經(jīng)驗(yàn)，因而，安全系數(shù)就顯得尤其重要。下面是一個(gè)產(chǎn)品故障影響的各種因素的百分率：
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0 J5 M8 M" o( M, Q, `: ~產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì) ４０％
" x, x5 f$ Y- w  x( V9 m產(chǎn)品不合理使用 ３０％
! m* L; M4 O9 Q/ ?7 |& s制造和質(zhì)量控制 ２０％
- v) ?: [0 o, O( M/ L9 w/ t其他因素 １０％

    換言之，設(shè)計(jì)在整個(gè)失效過程中起重要作用（該概率源于中高制造水平的企業(yè)，也就是制造水平和能力基本能滿足產(chǎn)品圖樣的要求）。衡量冒險(xiǎn)的一種尺度在物理學(xué)上稱之為“失效的可能性”，也就是說，給定結(jié)構(gòu)失效的可能性是將在給定點(diǎn)以給定的方式失效或破壞。

    一般說來，結(jié)構(gòu)失效可能性這個(gè)學(xué)科是工程可靠性學(xué)科的一個(gè)分支，是一個(gè)跨學(xué)科的交叉學(xué)科。建筑結(jié)構(gòu)的法定規(guī)章經(jīng)常標(biāo)定許用應(yīng)力、安全因素、偏載系數(shù)和承載能力，這是失效可靠性（安全因素）的直接表達(dá)式。許多標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和權(quán)威機(jī)構(gòu)都使用假定載荷來標(biāo)定載荷，以減少結(jié)構(gòu)失效的可能性。
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; s7 Q/ _( L1 C" }2 l    我們通常的設(shè)計(jì)思想和慣例是將結(jié)構(gòu)按希望被控制的最危險(xiǎn)的負(fù)載設(shè)計(jì)，失效在廣泛意義上意味著允許的功能不能實(shí)現(xiàn)。許多典型的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是，例如：給定許用應(yīng)力、屈服點(diǎn)、最大旁彎、抗拉強(qiáng)度、破碎強(qiáng)度、最大允許裂縫長(zhǎng)度、疲勞破壞、失穩(wěn)等。
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    那么如何來衡量失效可能性的大小呢？假如我們有很好的計(jì)算精度時(shí)，我們可以只考慮材料的強(qiáng)度和外載，我們知道，外載包括靜載和疲勞載荷都是符合概率統(tǒng)計(jì)分布的，他們經(jīng)常以一個(gè)正態(tài)分布和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。材料強(qiáng)度諸如σｓ、σｂ、疲勞強(qiáng)度也是正態(tài)分布的，下圖一給出了負(fù)載、材料強(qiáng)度、失效可能性之間的關(guān)系。
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6 x) m- x$ p$ L5 p3 `4 k( s圖中危險(xiǎn)區(qū)表示失效可能性Ｑｂ可用下式計(jì)算：
; Z' u0 s8 C, x& y, W4 `Ｑ＝１－?（Ｍ／Ｓ）
Ｍ＝Ｍ－Ｍ
8 P4 g! n  Y' f4 b& f0 ]Ｓ＝（Ｓ＋Ｓ）１／２
函數(shù)?（Ｍ／Ｓ）可查表１。

2 F; a- l7 u" t例１：假定某鋼材的板厚為１０ｍｍ時(shí)，σｓ＝７００Ｎ／ｍｍ，均值Ｍ＝７９７Ｎ／ｍｍ，標(biāo)準(zhǔn)偏差Ｓ＝２３ Ｎ／ｍｍ，假如負(fù)載產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，均值Ｍ＝５００Ｎ／ｍｍ，標(biāo)準(zhǔn)偏差Ｓ＝６０ Ｎ／ｍｍ，求失效可能性是多少？
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根據(jù)以上計(jì)算公式，可得如下計(jì)算步驟：
Ｍ＝７９７－５００＝２９７
Ｓ＝（６０＋２３）＝６４
9 u/ l* T) {# S5 wＱ＝１－?（Ｍ／Ｓ）＝１－?（２９７／６４）＝１－?（４．６０）
$ y/ m% v( h" X1 Y4 H5 f6 `查表可知?（４．６０）＝０．９７８８８
4 N; }' U7 r" {6 YＱ＝１－０．９７８８８＝０．０００００２１１２
' k: Z' R% k- ^& l而安全系數(shù)為Ｓ＝Ｍ／Ｍ＝７９７／５００＝１．５９
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& H9 s4 h" A/ z1 p    以上的計(jì)算中沒有提到σ＝７００Ｎ／ｍｍ，是因?yàn)椴牧铣鰪S時(shí)的強(qiáng)度一般比標(biāo)定的高，可以看出，安全系數(shù)Ｓ＝１．５９時(shí)，失效的可能性為２×１ ０。也就是說失效的可能性很小。設(shè)計(jì)的時(shí)候還有一個(gè)問題：如何確定負(fù)載的分散值，在此，可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單的心得：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們知道負(fù)載分散的程度比材料強(qiáng)度要大得多，一個(gè)粗糙的經(jīng)驗(yàn)法就是負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)偏差是材料的２倍，再細(xì)致一點(diǎn)就是，深入市場(chǎng)，設(shè)法去決定結(jié)構(gòu)的各種正態(tài)分布函數(shù)表（此表源于設(shè)計(jì)手冊(cè)或概率相關(guān)資料），查表時(shí)可直接查得：
( X4 F. a! T+ I& ]: [) G1 I0 W3 @
. @" \' H& |* |6 H2 Z8 h* B/ G8 j  c1 }例如：?（４．０）＝．９６８３３＝０．９９９９６８３３
使用工況及這些工況中載荷的分布情況。大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)者在計(jì)算時(shí)必須考慮的兩種載荷情況是極限載荷和疲勞載荷。
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# Y0 P  Q. F/ Q% s+ R# I) j, s    安全系數(shù)是一個(gè)綜合的因素，它的目的是提供一種安全而避免不可想象的后果。盡管實(shí)際上應(yīng)力和位移都能夠計(jì)算，材料的質(zhì)保強(qiáng)度也能保證，但還是有許多不確定的因素，如載荷的分散程度和制造誤差等，進(jìn)一步說，我們不能將所有因素全部考慮，也就是說允許設(shè)計(jì)應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí)我們感到不安全。為了提供安全程度，我們引入安全系數(shù)，它是建立在多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。在不同的工業(yè)領(lǐng)域有不同的安全系數(shù)。例如，瑞典的ＳＳＡＢ鋼鐵行業(yè)將σ安全系數(shù)取Ｓ＝１．５；對(duì)公路交通材料的安全系數(shù)取Ｓ＝２，惡劣路況取Ｓ＝３。無論如何，失效可能性和安全系數(shù)相關(guān)是可以理解的。

安全系數(shù)可分為四個(gè)部分：

Ｋ 材料強(qiáng)度，由質(zhì)保值決定，如取１．０。
Ｋ 制造因素，取決于制造經(jīng)驗(yàn)、檢驗(yàn)范圍、檢驗(yàn)設(shè)備和過程控制，檢驗(yàn)越普及，材料的發(fā)揮程度越高。正常的制造經(jīng)驗(yàn)取０．６，優(yōu)越的檢驗(yàn)取０．９。
Ｋ 載荷系數(shù)，靜載取１．０～１．２，已知條件的疲勞取１．５，不知道條件的疲勞取２．０。
' E: W1 b- W* M/ m2 a) G% B5 MＫ 計(jì)算準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)計(jì)算的可靠性依賴于知識(shí)面、經(jīng)驗(yàn)和技能，萬一新的結(jié)構(gòu)沒有工作經(jīng)驗(yàn)或不能進(jìn)行測(cè)量，３０％的偏差是常見的，取１．３３，如有經(jīng)驗(yàn)且條件較好，１０％的偏差，取１．１。
, r7 L9 n6 [( [* N$ [) L包括四個(gè)部分的安全系數(shù)Ｓｆ可表示如下：
Ｓ＝ＫＫ／（ＫＫ）從上面的計(jì)算可以看出，為了對(duì)安全系數(shù)作量的分析，設(shè)計(jì)者全盤考慮所有因素很重要，例如，他必須非常熟悉它的制造過程、計(jì)算公式、使用工況等。
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例２：評(píng)估交通工具結(jié)構(gòu)的σ的安全系數(shù)，制造時(shí)間長(zhǎng)，檢驗(yàn)范圍少，可知路況的不同負(fù)載條件，對(duì)以前的設(shè)計(jì)制造和計(jì)算有經(jīng)驗(yàn)
" h9 T" _3 k8 o) TＫ＝１．０，Ｋ＝０．６，Ｋ＝１．５，Ｋ＝１．２，
) u) C% \. q2 V5 ?. ]% P; P2 eＳ＝１．５１．２／（１．００．６）＝３．０
0 a7 w, _" {! D0 \8 z計(jì)算結(jié)果與以前提到的經(jīng)驗(yàn)法則一致。

    在大多數(shù)場(chǎng)合，由于失效而導(dǎo)致人身傷害的安全裕度是很需要的，這些失效起源于塑性變形、疲勞、翹曲失穩(wěn)和脆性失效。對(duì)大多數(shù)零件，我們把安全系數(shù)同塑性變形聯(lián)系起來，這種觀點(diǎn)也是對(duì)的。在本文中，我們提供一個(gè)彎矩和應(yīng)力的非線性關(guān)系（如下圖二），可以看出，超載時(shí)彎矩的安全系數(shù)沒有所計(jì)算的Ｓ大。

# _" l4 M& m( e* m6 y    最后，我們舉一實(shí)例來說明相同安全系數(shù)的不同高強(qiáng)度鋼的失效可能性的差別。我們假定安全系數(shù)Ｓ取１．５，設(shè)計(jì)時(shí)外載所產(chǎn)生的應(yīng)力取許用應(yīng)力，即Ｍ＝σｓ／Ｓ，外載偏差Ｓ＝６０ Ｎ／ｍｍ，選擇材料ＨＱ６０時(shí)，σｓ＝４６０Ｎ／ｍｍ，均值Ｍ＝５００ Ｎ／ｍｍ，標(biāo)準(zhǔn)偏差Ｓ＝２０ Ｎ／ｍｍ，選擇進(jìn)口材料ＷＥＬＤＯＸ７００時(shí)，σｓ＝７００Ｎ／ｍｍ，均值Ｍ＝７９７ Ｎ／ｍｍ，標(biāo)準(zhǔn)偏差Ｓ＝２９ Ｎ／ｍｍ，試比較它們失效的可能性。
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解：選用材料ＨＱ６０時(shí)
Ｍ＝４６０／１．５＝３０７ Ｎ／ｍｍ
- r- U" s' Q. p9 KＭ＝５ＯＯ Ｎ／ｍｍ
Ｍ＝Ｍ－Ｍ＝５００－３０７＝１ ９３ Ｎ／ｍｍ
Ｓ＝（６０＋２０）＝６３ Ｎ／ｍｍ
3 d' F" z( k, T. a7 i7 G+ CＱ＝１－?（Ｍ／Ｓ）＝１－?（１ ９３／６３）＝１－?（３．０６）
6 v/ K  Q$ Q2 _查表可知?（３．０６）＝０．９８８９３
Ｑ＝１－０．９８８９３＝０．００１１０７＝１．１×１０
, L; x( F6 c7 L3 B' W5 _選用材料ＷＥＬＤＯＸ７００時(shí)
Ｍ＝７００／１．５＝４６７ Ｎ／ｍｍ
Ｍ＝７９７ Ｎ／ｍｍ
Ｍ＝Ｍ－Ｍ＝７９７－４６７＝３３０ Ｎ／ｍｍ
4 ?( N/ P  W' `Ｓ＝（６０＋２９）＝６７ Ｎ／ｍｍ
+ [( C: }/ u7 A! RＱｂ＝１－?（Ｍ／Ｓ）＝１－?（３３０／６７）＝１－?（４．９３）
+ v. p) p* y! x0 y" s1 _查表可知?（４．９３）＝０．９５８８９
7 d9 B' I0 a* ]Ｑ＝１．０．９５８８９＝０．００００００４１２＝４．１２×１０
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    可見，選用一樣的安全系數(shù)時(shí)，選用高強(qiáng)度鋼時(shí)的失效可能性要小得多。這種算法的前提是質(zhì)保書所提供的數(shù)據(jù)可靠，也可看出，許用應(yīng)力的名義值和質(zhì)保值對(duì)失效可能性的影響很大。假如設(shè)計(jì)的目標(biāo)是追求同樣的失效可能性時(shí)，高強(qiáng)度鋼可以使用較小的安全系數(shù)，能使結(jié)構(gòu)更輕，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

kiu2001

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yst00

樓主是否搞全資料啊。