機械強度設計中的安全系數的研究

吳錫超

摘 要：機械零配件強度設計過程，要明確零配件在運轉中應力布局與應力改變，如此能夠采取分析法，比如材料力學、彈塑性能學和有限元法利用電子計算機計算；也能夠通過實驗法，如采取光彈性發與電阻應變片檢測方式測出，對此，本文對機械強度設計中安全系數進行了分析。

關鍵詞：機械；強度設計；安全系數；分析

1、機械零配件強度設計分析

若要判斷所要運行應力是過高或是過低，就應當預先明確一個衡量的指標，或稱極限判據，該標準即許用應力。凡是零配件中的運行應力不大于許用應力時，可以獲得如下結論，該零配件的運轉中是穩定的，否則將是不安全的。如此，極限判據能夠寫成：

當下的問題是怎樣科學的明確許用應力[1]。假讓許用應力標準不合適，則，就算運行應力求得再精準，也無法做出好的極限判據。

把零配件內的實際運行應力除零配件所選材料的強度應力獲得的比值稱作運行安全系數，以n表示。當運行安全系數n超過或等于許用安全系數時，則：

表明所規劃的機械零配件可以確保安全運轉，這是極限判據的又一模式。

因為不同材質的機械強度不同，在相同負荷影響下的許用應力參數與各類材料是不一樣的。但若用[n]表示時，相同條件下的機械零配件，用不同物料時的[n]僅能有一個，在表達模式上比許用應力方便很多。

2、靜強度設計中安全系數分析

在機械設計過程，首先要符合靜強度標準。針對承擔循環變負荷的機械，其零配件除了通過疲勞強度來計算之外，還要針對作用頻率少的高峰負荷進行靜強度檢驗，以避免超載中由于靜強度不足而出現突然開裂。針對重要性很差的零配件，為了簡化，能夠只作靜強度計算，由于考慮到循環變負荷的作用而采取很大的安全系數和偏小的許用應力[2]。針對需要兼顧一定強度標準的零配件的強度設計，通常采取很小的許應力進行靜強度計算。承擔次數很少的沖擊負荷零配件，工程上通常在負荷中引進超過1.0的動載指標，如此一來，能夠采取靜強度計算手段來簡化問題。此外，有的機械零配件的強度規劃中，要求零配件的運行應力不得大于屈服強度，即彈性準則。針對脆性材料，因為無明顯的屈服強度，強度判斷就只可以強度極限為依據了。

兼顧到材料機械水平測試中的離散型，與負荷工況的統計性能及計算方式與實際存在差距等要素，用運行應力無法超出屈服極限或運行應力無法超出強度極限用作靜強度設計中的強度依據，就含有較大的冒險性。為確保機械零配件有充足的強度，引進了超過1.0的安全系數n，讓所規劃的零配件有充足的安全儲存量，確保在最大負荷條件下，運行應力不大于極限應力。如此一來，室溫靜應力下零配件的強度依據是：針對塑性物料，零配件的運行應力低于或等于許用應力，即[σ]≥σ，或運行安全系數超過或等于許用安全系數，即：

針對脆性物料的強度判斷：當零配件中的運營應力低于或等于需用應力，即[σ]≥σ，或運行安全系數超過或等于許用安全系數，即：

上述這樣確定的強度依據，針對低碳鋼，它的曲強比很小，以屈服極限為前提的安全系數展開強度設計是無問題的。伴隨強度鋼的使用，物料的屈強比逐漸提升，就會產生該種現象；以強度極限為依據求出的許用應力，也許低于屈服極限為依據求出的許用應力。此時，明確零配件大小起決定性意義的，不再使基于屈服極限的安全指標，而且基于強度極限的安全指標了。在工程應用上通常能夠認為鋼材由塑性材料轉變成脆性物料了。

強度判據不僅需要運行應力低于或等于許用應力，重點是許用應力要怎樣確定。比如，薄壁壓力設備設計中，主要以薄膜應力來明確許用應力。但因為壓力容器構造內有應力聚集情況，因此，當明確許用薄膜應力低于屈服強度，少數應力聚集范圍的峰值壓力可以大于屈服極限。具體的講，局部范圍的峰值應力可以進到塑性區。據實踐經驗發現：

或寫為屈服極限為前提的許用安全系數。再者，如高速圓盤在運行轉速下的應力通常控制在0.5-0.6之內，最大負荷是20%。

3、疲勞強度規劃的安全系數

許多機械零配件是在循環變狀態下運行的。比如轉軸、曲軸、支桿、齒輪葉片、渦輪機軸輪、軋鋼機結構、支桿螺栓等，這類在循環變狀態下運行的部件，其失效模式是疲勞損壞。疲勞強度規劃式子，是在疲勞測試獲得的S-N曲線前提下推導獲得的。對應的S-N曲線水平區域是無限壽命規劃，對應的S-N曲線左側部分是有限壽命規劃。零配件承擔彎扭聯合狀態下求安全系數的式子是：

針對怎樣明確許用安全系數的參數，在疲勞強度規劃中是個非常關鍵的問題，能夠根據可靠性理論計算。設物料的疲勞強度測試信息為正態布局變量；運行應力也為正態布局變量。因為二者均是正態分布，則其差也為正態分布。那么可靠度R是極限超出負荷的幾率：

4、結束語

綜上所述，科學的選材，可以讓所設計的零配件強度大、重量輕、成本少、壽命長。有的材料有很高的高溫機械水平，有的材料可以防水下應力侵蝕，有的材料韌性好，有的材料降振性能佳，基于安全系數與許用應力方面來選用材料，就是要選擇在不同失效狀態下，能抗該種失效模式的較高極限材料。該種材料應考慮到國內能處理，還要考慮到生產工藝等要求。

參考文獻：

[1] 馮寶偉.無損檢測評價技術及在材料機械強度開發中的應用[J].中國機械工程，1995（04）：43-45+48+78.

[2] 趙長漢.用常規設計中的安全系數計算機械強度可靠度[J].質量與可靠性，1994（01）：44-47.