许用参数设计法的优化方案

这里定义的许用参数是指在设计中使用的许用应力、许用应变或许用安全系数等。因此许用参数设计法，也可称为许用应力设计法或安全系数设计法，这是目前大量采用的传统设计方法。它是以焊接结构能满足工作能力为基本要求的设计方法，设计时需满足的强度条件或刚度条件分别为

工作应力S≤许用应力[S] （5-1）

工作应变ε≤许用应变[ε] （5-2）或者，使用安全系数n来判断零部件的安全性，即

式中 C——材料的失效应力；

S——零件薄弱处的工作应力；

[n]——许用安全系数。

失效应力依赖于设计准则。如果为屈服准则，则为材料的屈服强度；如果是断裂准则，则为材料的抗拉强度；如果是疲劳准则，则为材料的疲劳极限。

许用参数，如许用应力、许用变形和许用安全系数等，通常由国家工程主管部门或行业协会等根据国家安全法规，综合安全和经济性原则，按材料的强度、载荷、环境、加工质量、计算精度和构件的重要性等加以确定。这些许用参数都是在考虑了各种影响因素，特别是安全因素后的结果。我国在锅炉和压力容器、起重机、铁路车辆、船舶等行业中都在各自设计规范内规定了各种材料的许用应力、许用变形或许用安全系数值。

工作应力或工作应变的计算一般采用工程力学的理论和方法迸行，复杂结构可以采用有限元法等技术迸行数值计算与分析，求出结构上应力或应变最大的部位及其数值，以获得更为精确的设计结果。当采用理论分析和数值计算有困难时，可以用模型试验等方法测定。

在结构设计中，构件受载后的设计应力称为基本应力或平均应力，然而由于构件中的截面突变处会出现应力集中现象，通常将大于基本应力的称为峰值应力，两者总称为一次应力。由成形加工等制造因素引起，而不是由载荷引起的应力称二次应力或次应力，如残余应力等。

基本应力、峰值应力和残余应力对不同材料影响不同。对于塑性金属材料，在静载下，峰值应力若超过屈服强度，则产生局部塑性变形后应力重新分布，故峰值应力对静强度影响不大。但在循环载荷下，构件常在峰值应力处首先出现疲劳裂纹而导致破坏，故在疲劳强度设计中不能忽视峰值应力的影响。残余应力对塑性金属材料的静载强度一般没有影响，但对于高周疲劳性能有一定的影响。但是当材料变脆或塑性变形受到限制时，峰值应力和残余应力都对强度有很大的影响。

如果发现设计不满足强度或刚度要求，如工作应力大于许用应力时，必须修改结构，可以是改变结构形状或尺寸以降低工作应力；也可以是改变结构材料或选用确保质量的加工法和检测方法等，以提高许用应力，直到满足要求为止。重要的结构或结构中的重要部位，有时需要做1：1的实物试验及寿命试验，来检验设计结果的正确性。

上述许用应力设计法所用的参量，如载荷、强度、几何尺寸等都看成是确定量，故又称为定值设计法。这种设计法所用的表达式简单明了，使用方便，已经沿用了很长时间，积累的资料和数据完整，故至今仍在许多工程设计中采用。(www.xing528.com)

许用参数设计法虽然简单方便，并具有一定的工程实践依据等特点，但没有考虑材料性能和工作应力的分散性，而巨许用安全参数的确定具有较大的经验性和盲目性，这就使得即使安全系数大于1的情况下，机械零部件仍有可能失效，或者因安全系数取得过大，造成产品笨重和资源浪费。

式中 C——材料的失效应力；

S——零件薄弱处的工作应力；

[n]——许用安全系数。

失效应力依赖于设计准则。如果为屈服准则，则为材料的屈服强度；如果是断裂准则，则为材料的抗拉强度；如果是疲劳准则，则为材料的疲劳极限。

许用参数，如许用应力、许用变形和许用安全系数等，通常由国家工程主管部门或行业协会等根据国家安全法规，综合安全和经济性原则，按材料的强度、载荷、环境、加工质量、计算精度和构件的重要性等加以确定。这些许用参数都是在考虑了各种影响因素，特别是安全因素后的结果。我国在锅炉和压力容器、起重机、铁路车辆、船舶等行业中都在各自设计规范内规定了各种材料的许用应力、许用变形或许用安全系数值。

工作应力或工作应变的计算一般采用工程力学的理论和方法迸行，复杂结构可以采用有限元法等技术迸行数值计算与分析，求出结构上应力或应变最大的部位及其数值，以获得更为精确的设计结果。当采用理论分析和数值计算有困难时，可以用模型试验等方法测定。

在结构设计中，构件受载后的设计应力称为基本应力或平均应力，然而由于构件中的截面突变处会出现应力集中现象，通常将大于基本应力的称为峰值应力，两者总称为一次应力。由成形加工等制造因素引起，而不是由载荷引起的应力称二次应力或次应力，如残余应力等。

基本应力、峰值应力和残余应力对不同材料影响不同。对于塑性金属材料，在静载下，峰值应力若超过屈服强度，则产生局部塑性变形后应力重新分布，故峰值应力对静强度影响不大。但在循环载荷下，构件常在峰值应力处首先出现疲劳裂纹而导致破坏，故在疲劳强度设计中不能忽视峰值应力的影响。残余应力对塑性金属材料的静载强度一般没有影响，但对于高周疲劳性能有一定的影响。但是当材料变脆或塑性变形受到限制时，峰值应力和残余应力都对强度有很大的影响。

如果发现设计不满足强度或刚度要求，如工作应力大于许用应力时，必须修改结构，可以是改变结构形状或尺寸以降低工作应力；也可以是改变结构材料或选用确保质量的加工法和检测方法等，以提高许用应力，直到满足要求为止。重要的结构或结构中的重要部位，有时需要做1：1的实物试验及寿命试验，来检验设计结果的正确性。

上述许用应力设计法所用的参量，如载荷、强度、几何尺寸等都看成是确定量，故又称为定值设计法。这种设计法所用的表达式简单明了，使用方便，已经沿用了很长时间，积累的资料和数据完整，故至今仍在许多工程设计中采用。

许用参数设计法虽然简单方便，并具有一定的工程实践依据等特点，但没有考虑材料性能和工作应力的分散性，而巨许用安全参数的确定具有较大的经验性和盲目性，这就使得即使安全系数大于1的情况下，机械零部件仍有可能失效，或者因安全系数取得过大，造成产品笨重和资源浪费。