轻量化设计：边界条件与使用条件

由于交通技术（汽车、机车和飞机制造）是轻量化设计的典型应用领域，因此，与可类比的实体设计相比较，轻量化设计也必须是“安全的”。要做到这一点，首先取决于对刚度（不稳定性）、断裂强度、可靠性与使用寿命的周密计算。这在航空工业里已经是通行的要求，很久以来就被管理机构（LTH及DIN EN1993，1～9节）在书面上固定下来。在传统的工业应用中，对这类验算的要求也越来越多（图2-2）。本书随后的章节也是根据这种要求进行编排的。

图2-2 用于轻量化结构的验算方法[AUT 92]

在刚度验算中，通常须按照规则确定变形极限；而在针对安全的承载能力验算中，要对流动、断裂或不稳定性进行限定。由于轻量化允许的安全系数越来越小，所需要的计算也就越来越费时。举例来说，在交通技术（见DIN EN 12663）中要求如下：

●抗流动的安全系数为

●抗断裂的安全系数为

●抗不稳定性的安全系数为

对于动态应力载荷情况，还应进行可靠性验算（所有构件的幸存概率P_A≥95%）与使用强度验算（即疲劳强度和耐久强度验算）。通常要求：

●钢材：最少2×10⁶个周期（在振动疲劳极限下，振幅恒定）；(www.xing528.com)

●铝材：最少1×10⁷个周期。

接下来要进行的是静态或者动态的裂纹断裂或者裂纹扩展验算：

●抗静态裂纹断裂的安全系数：

●抗动态裂纹扩展的安全系数：

式中，

根据应用情况，有两个基本要点需加以注意：

要求在整个期间绝对无损坏的“safe-life-quality”（安全-寿命-质量）原则与以破坏允差和足够的残余承载能力为前提的“fail-safe-quality”（失效-安全-质量）原则。所有的轻量化措施都是以此目标为基础的。