强度设计与剩余强度系数

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。

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

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）

，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，

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

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：

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。

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）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0.8～1.0

变形铝合金0.55～0.6

退火钢0.7

的钢0.7

的钢0.63～0.65

的钢0.6

铸造镁合金0.55～1.0

未经热处理的的铸镁0.8～1.0

未经热处理的的铸镁0.55～0.6

（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

1.0

情况下

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 0.3～1.0 588

铝合金LY14 1.2～5.0 785

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）

中——螺栓外径（m）；

——螺栓内径（m）；