關(guān)于高強度鋼的安全系數(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,。高強度鋼實際上不是與“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：

" ~+ i/ G" u8 Y1 I' s產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計 ４０％
& A+ l' J) v" d0 {# l產(chǎn)品不合理使用 ３０％
4 S1 J+ f/ ]; q- f- v) O制造和質(zhì)量控制 ２０％
" ~9 ?" |: H0 W; S# ^其他因素 １０％

$ x; ]& x* Z6 U6 s2 G: o2 @) Z2 G4 [    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,。

$ X+ l& [9 ?3 m/ d4 V  ~    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、最大旁彎,、抗拉強度,、破碎強度、最大允許裂縫長度,、疲勞破壞,、失穩(wěn)等。
: l% ~- f. @4 D1 Y. M
    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。材料強度諸如σｓ,、σｂ,、疲勞強度也是正態(tài)分布的，下圖一給出了負(fù)載,、材料強度,、失效可能性之間的關(guān)系。
. O/ l& K6 x. X# ?: z4 a- {7 a
圖中危險區(qū)表示失效可能性Ｑｂ可用下式計算：
" q7 j' Q8 T# ?Ｑ＝１－�i（Ｍ／Ｓ）
, J$ I. S1 G( H7 wＭ＝Ｍ－Ｍ
4 O# V6 B2 }, k5 b+ u& l; `Ｓ＝（Ｓ＋Ｓ）１／２
函數(shù)�i（Ｍ／Ｓ）可查表１,。

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？

  [3 `; V! d/ |根據(jù)以上計算公式,，可得如下計算步驟：
6 B- h5 D! [" P2 j8 \! O" o) Z2 bＭ＝７９７－５００＝２９７
Ｓ＝（６０＋２３）＝６４
" E5 M' q4 H3 `- y# K9 ]Ｑ＝１－�i（Ｍ／Ｓ）＝１－�i（２９７／６４）＝１－�i（４．６０）
查表可知�i（４．６０）＝０．９７８８８
2 _: q: Q, ?8 @5 ^* _; @5 oＱ＝１－０．９７８８８＝０．０００００２１１２
+ A' m- ?2 K/ E) {& B而安全系數(shù)為Ｓ＝Ｍ／Ｍ＝７９７／５００＝１．５９

    以上的計算中沒有提到σ＝７００Ｎ／ｍｍ,，是因為材料出廠時的強度一般比標(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：
, G( d8 {6 s, s8 u3 W' Y
, Q7 Q0 d$ `$ f0 O) d7 r- v例如：�i（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。

7 _/ X( i, p! Z% `* p5 ?' i    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,。盡管實際上應(yīng)力和位移都能夠計算，材料的質(zhì)保強度也能保證,，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)�,。樱剑玻瑦毫勇窙r�,。樱剑�,。無論如何，失效可能性和安全系數(shù)相關(guān)是可以理解的,。
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安全系數(shù)可分為四個部分：
2 @( `, S! P6 S  G5 B
Ｋ 材料強度,，由質(zhì)保值決定，如�,。保���,。
2 U) g' G8 w/ Z# @2 M, S# _1 q- vＫ 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�,。埃�６，��(yōu)越的檢驗�,。埃���,。
3 E8 D- _; N& d3 S4 f2 @Ｋ 載荷系數(shù)，靜載�,。保�０～１．��,，已知條件的疲勞取１．５,，不知道條件的疲勞�,。玻�０��
Ｋ 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，�,。保���,。
3 H2 A3 i  X' A" T! K0 V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。
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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,，
( \9 M9 Y+ ]& U- m% @; I3 W# vＳ＝１．５１．２／（１．００．６）＝３．０
! y2 X/ B/ l' W! S計算結(jié)果與以前提到的經(jīng)驗法則一致,。

" e$ t! }( ~* t" V0 q/ q    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。
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    最后,，我們舉一實例來說明相同安全系數(shù)的不同高強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
* T" @' s( j/ O3 ZＭ＝５ＯＯ Ｎ／ｍｍ
7 f. P2 Y" O) s" a% z+ tＭ＝Ｍ－Ｍ＝５００－３０７＝１ ９３ Ｎ／ｍｍ
Ｓ＝（６０＋２０）＝６３ Ｎ／ｍｍ
Ｑ＝１－�i（Ｍ／Ｓ）＝１－�i（１ ９３／６３）＝１－�i（３．０６）
查表可知�i（３．０６）＝０．９８８９３
Ｑ＝１－０．９８８９３＝０．００１１０７＝１．１×１０
! Q7 o; @3 D# S6 [; I3 u% r6 Z選用材料ＷＥＬＤＯＸ７００時
Ｍ＝７００／１．５＝４６７ Ｎ／ｍｍ
1 ^: P' b9 W" P- @7 [+ CＭ＝７９７ Ｎ／ｍｍ
+ P/ v# k* T) f, H+ ~Ｍ＝Ｍ－Ｍ＝７９７－４６７＝３３０ Ｎ／ｍｍ
Ｓ＝（６０＋２９）＝６７ Ｎ／ｍｍ
: y  Y$ l8 }) y4 ]# @- G- GＱｂ＝１－�i（Ｍ／Ｓ）＝１－�i（３３０／６７）＝１－�i（４．９３）
查表可知�i（４．９３）＝０．９５８８９
* }- a) I3 [( M3 y, ?( u* Z& {Ｑ＝１．０．９５８８９＝０．００００００４１２＝４．１２×１０
) `9 ^3 C* P! M
8 c. Q2 P: t; c  |  ?0 q    可見,，選用一樣的安全系數(shù)時，選用高強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)濟效益,。

kiu2001

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yst00

樓主是否搞全資料啊,。