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)，因此我們在設(shè)計產(chǎn)品的時候經(jīng)常要冒著各種各樣的危險。高強(qiáng)度鋼實(shí)際上不是與“失效可能性”這個概念緊緊聯(lián)系在一起的，使用每種材料都會面臨同樣的問題，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)對我們來說也缺乏經(jīng)驗，因而，安全系數(shù)就顯得尤其重要。下面是一個產(chǎn)品故障影響的各種因素的百分率：

  [8 E1 b( [- W* C2 {! \, e& e產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計 ４０％
產(chǎn)品不合理使用 ３０％
- r$ ?1 S; V8 s& H制造和質(zhì)量控制 ２０％
其他因素 １０％
( T& n6 D  r: T( c: A1 o
    換言之，設(shè)計在整個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。

/ i1 \! [1 H- A5 [0 q    一般說來，結(jié)構(gòu)失效可能性這個學(xué)科是工程可靠性學(xué)科的一個分支，是一個跨學(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。

3 q/ V0 w8 i: W& J" i4 ?( I$ A8 D: X0 y    我們通常的設(shè)計思想和慣例是將結(jié)構(gòu)按希望被控制的最危險的負(fù)載設(shè)計，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、最大允許裂縫長度、疲勞破壞、失穩(wěn)等。
1 y7 }% a9 N2 g1 m5 f# ^6 W0 q! P
8 u7 D9 d/ S& k/ S  W; h! J% @    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算精度時，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)計分布的，他們經(jīng)常以一個正態(tài)分布和一個標(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。

圖中危險區(qū)表示失效可能性Ｑｂ可用下式計算：
$ X5 L  n5 h- r0 B6 @$ j& oＱ＝１－?（Ｍ／Ｓ）
+ h! `6 T( a, O* \" HＭ＝Ｍ－Ｍ
Ｓ＝（Ｓ＋Ｓ）１／２
5 Y0 \$ f8 [: q# v9 @8 }3 {/ L函數(shù)?（Ｍ／Ｓ）可查表１。
) x( v7 k6 _7 H3 [  n7 b9 p
' K( O/ `9 o: y; V- Z例１：假定某鋼材的板厚為１０ｍｍ時，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？

% U1 F# z) T  h根據(jù)以上計算公式，可得如下計算步驟：
2 i: v4 z- Y* J3 ^( i3 y# ]6 S* R- g8 AＭ＝７９７－５００＝２９７
Ｓ＝（６０＋２３）＝６４
Ｑ＝１－?（Ｍ／Ｓ）＝１－?（２９７／６４）＝１－?（４．６０）
$ n6 Z6 h( s( ]+ h/ y4 y/ a查表可知?（４．６０）＝０．９７８８８
0 x9 Q# C: C3 F# V  p% aＱ＝１－０．９７８８８＝０．０００００２１１２
% e- O) d/ b4 k$ `而安全系數(shù)為Ｓ＝Ｍ／Ｍ＝７９７／５００＝１．５９

* f5 I0 C6 j- ^# x, V) d* H# M    以上的計算中沒有提到σ＝７００Ｎ／ｍｍ，是因為材料出廠時的強(qiáng)度一般比標(biāo)定的高，可以看出，安全系數(shù)Ｓ＝１．５９時，失效的可能性為２×１ ０。也就是說失效的可能性很小。設(shè)計的時候還有一個問題：如何確定負(fù)載的分散值，在此，可以提供一個簡單的心得：根據(jù)經(jīng)驗，我們知道負(fù)載分散的程度比材料強(qiáng)度要大得多，一個粗糙的經(jīng)驗法就是負(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，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)計手冊或概率相關(guān)資料），查表時可直接查得：
; [8 T6 {$ A2 I5 q2 |
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)計者在計算時必須考慮的兩種載荷情況是極限載荷和疲勞載荷。

    安全系數(shù)是一個綜合的因素，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)計應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力時我們感到不安全。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)計經(jīng)驗基礎(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。
4 Z# J7 R/ H6 `- c  A- P- [5 O! B
' z9 V4 y* R. H& j+ G安全系數(shù)可分為四個部分：

Ｋ 材料強(qiáng)度，由質(zhì)保值決定，如取１．０。
2 N+ _/ V/ w  ?; ?3 tＫ 制造因素，取決于制造經(jīng)驗、檢驗范圍、檢驗設(shè)備和過程控制，檢驗越普及，材料的發(fā)揮程度越高。正常的制造經(jīng)驗取０．６，優(yōu)越的檢驗取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。
. `  U7 g  {! B, I, n3 z  RＫ 計算準(zhǔn)確性，設(shè)計計算的可靠性依賴于知識面、經(jīng)驗和技能，萬一新的結(jié)構(gòu)沒有工作經(jīng)驗或不能進(jìn)行測量，３０％的偏差是常見的，取１．３３，如有經(jīng)驗且條件較好，１０％的偏差，取１．１。
包括四個部分的安全系數(shù)Ｓｆ可表示如下：
Ｓ＝ＫＫ／（ＫＫ）從上面的計算可以看出，為了對安全系數(shù)作量的分析，設(shè)計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、計算公式、使用工況等。

例２：評估交通工具結(jié)構(gòu)的σ的安全系數(shù)，制造時間長，檢驗范圍少，可知路況的不同負(fù)載條件，對以前的設(shè)計制造和計算有經(jīng)驗
Ｋ＝１．０，Ｋ＝０．６，Ｋ＝１．５，Ｋ＝１．２，
Ｓ＝１．５１．２／（１．００．６）＝３．０
$ ]3 i; |/ ]1 Q2 I- ~0 _% c4 N/ a計算結(jié)果與以前提到的經(jīng)驗法則一致。

    在大多數(shù)場合，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)也是對的。在本文中，我們提供一個彎矩和應(yīng)力的非線性關(guān)系（如下圖二），可以看出，超載時彎矩的安全系數(shù)沒有所計算的Ｓ大。

% ?( y* [9 i# h! ^( r1 U% N    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)計時外載所產(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，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，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。

解：選用材料ＨＱ６０時
Ｍ＝４６０／１．５＝３０７ Ｎ／ｍｍ
/ @( Y3 q* W: m: d6 RＭ＝５ＯＯ Ｎ／ｍｍ
/ S& Q! j6 Q  X+ H/ O$ K$ O; lＭ＝Ｍ－Ｍ＝５００－３０７＝１ ９３ Ｎ／ｍｍ
, i; G, z5 K  B! t& R: O# vＳ＝（６０＋２０）＝６３ Ｎ／ｍｍ
Ｑ＝１－?（Ｍ／Ｓ）＝１－?（１ ９３／６３）＝１－?（３．０６）
查表可知?（３．０６）＝０．９８８９３
& v9 A3 v! q. S6 o: S0 C2 \8 e& XＱ＝１－０．９８８９３＝０．００１１０７＝１．１×１０
選用材料ＷＥＬＤＯＸ７００時
Ｍ＝７００／１．５＝４６７ Ｎ／ｍｍ
  Q  T! Y3 R1 _9 d& z+ aＭ＝７９７ Ｎ／ｍｍ
Ｍ＝Ｍ－Ｍ＝７９７－４６７＝３３０ Ｎ／ｍｍ
' f. x/ @6 i4 [# a" C$ |: j; CＳ＝（６０＋２９）＝６７ Ｎ／ｍｍ
! q$ h7 J, ?& t$ CＱｂ＝１－?（Ｍ／Ｓ）＝１－?（３３０／６７）＝１－?（４．９３）
查表可知?（４．９３）＝０．９５８８９
Ｑ＝１．０．９５８８９＝０．００００００４１２＝４．１２×１０

    可見，選用一樣的安全系數(shù)時，選用高強(qiáng)度鋼時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)保值對失效可能性的影響很大。假如設(shè)計的目標(biāo)是追求同樣的失效可能性時，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

最好把原文發(fā)上來

yst00

樓主是否搞全資料啊。