容许应力和安全系数的优化设计

在理想情况下,为了保证构件能正常工作,必须使构件在工作时产生的工作应力不超过材料的极限应力。在实际设计时有许多因素无法预计,如实际荷载有可能超出在计算中所采用的标准荷载,实际结构取用的计算简图往往会忽略一些次要因素,个别构件在经过加工后有可能比规格上的尺寸小,材料并不是绝对均匀的等。这些因素都会造成构件偏于不安全的后果。此外,考虑到构件在使用过程中可能遇到的意外事故或其他不利的工作条件、构件的重要性等的影响。因此,在设计时,必须使构件有必要的安全储备。即构件中的最大工作应力不超过某一限值,将极限应力σ0 缩小K 倍,作为衡量材料承载能力的依据,称为允许应力(或称为许用应力),用[σ]表示。

式中　K——大于1 的系数,称为安全系数。

安全系数K 的确定相当重要,但又比较复杂。选用过大,设计的构件过于安全,用料增多;选用过小,安全储备减少,构件偏于危险。

在静载作用下,脆性材料破坏时没有明显变形的“预告”,破坏是突然的,所以,所取的安全系数要比塑性材料大。一般工程中规定:

对于塑性材料:

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对于脆性材料:

常见材料的许用应力可如表6.2 所示。

表6.2　常见材料的许用应力

注:①[σl]为许用拉应力,[σy]为许用压应力,[ ]为许用剪应力。
②材料质量好、厚度或直径较小时,取上限;材料质量较差、尺寸较大时,取下限;其详细规定,可参阅有关设计规范或手册。