结构设计中的许用应力和安全系数

    许用应力是机械设计和工程结构设计中的重要参数，代表了材料能够安全承受的最大应力值。它是基于对材料的性质、工作条件、加工工艺等多个因素的考虑而确定的。在机械和工程结构设计中，必须确保结构的实际工作应力不超过许用应力，以确保结构的安全性和可靠性。如果实际工作应力超过许用应力，可能会导致结构损坏、失效甚至发生事故。

    在复杂应力状态下的结构的强度条件，可表示为：

σc≤[σ]

    σc为结构的计算当量应力。[σ]为许用应力，通常以材料的极限强度σ0除以安全系数n而得到，即：

[σ]=σ0/n

    极限强度σ0，应根据材料的力学性能和载荷性质而定。对    于塑性材料，通常以屈服极限σs或屈服强度σ0.2为极限强度。对于脆性材料，以强度极限σb为极限强度。

    在实际应用中，许用应力值一般由国家工程主管部门根据安全和经济的原则，按材料的强度、载荷、环境情况、加工质量、计算精确度和零件或构件的重要性等加以规定。许用应力等于考虑各种影响因素后经适当修正的材料的失效应力（静强度设计中用屈服极限或强度极限，疲劳强度设计中用疲劳极限）除以安全系数。同种材料，不同行业和规范标准的安全系数和许用应力可能会有所不同，因此在设计过程中应仔细选择和遵守相关规定。

    安全系数是一个大于1的系数，用于确保机械和工程结构在实际使用中能够安全可靠地承受各种载荷和应力。安全系数的值是根据多个因素确定的，包括国家或行业的设计规范、设备规程、材料强度、载荷性质、加工工艺以及应力计算中的不确定性等。选择适当的安全系数值是非常重要的，因为它直接影响着机械和工程结构的安全性和可靠性。过高的安全系数可能导致不必要的成本和浪费，而过低的安全系数则可能导致结构失效和安全事故。因此，在确定安全系数时，需要进行综合考虑和精确计算，以确保机械和工程结构在使用过程中能够安全可靠地工作。

    选择安全系数应考虑的一般因素包括：

• 结构破坏可能导致的伤亡事故和设备事故；

• 结构破坏可能造成的停产损失和修理费用

• 材料强度的分散性和不确定性

• 载荷的不确定性，如使用过程中有超载、动载或冲击载荷的可能性；

• 环境条件对强度影响的不确定性，如低温、腐蚀、磨损等因素对强度的影响；

• 制造加工和装配过程中产生的残余应力对结构强度的影响；

• 计算方法和计算精度的影响。

    如果这些不确定因素过多，必然会导致安全系数变得很大，对于成批生产的结构，就会导致材料的使用更多。这种情况下，应该进行更为彻底的应力分析，或模拟实际结构形状、切口及表面状态，在相同环境条件下进行强度试验，以确定真实的极限强度，作为设计基准强度，而不宜采用过大的安全系数。

    一些典型的安全系数取值范围如下（仅供参考）:

• 对于可靠性很强的材料（如常用的中低强度高韧性结构钢，强度分散性小），载荷恒定，设计时以减低结构重为重要出发点时，取n＝1.25～1.5；

• 对于常用的塑性材料，在稳定的环境和载荷下工作的结构，取n＝1.5～2；

• 对于较少经过试验的材料或脆性材料，在通常环境和载荷下工作的结构，取3～4；

• 对于末经试验因而材料强度不确定的材料，以及环境和载荷不确定情况下工作的结构，取n＝3～4。

    我们在结构仿真分析过程中，一定要有安全系数这个概念。有的同学算一个结构，应力结果中最大值小于材料屈服强度或抗拉强度，非常高兴，就信誓旦旦的告诉别人，这个结构绝对不会出问题。实际上，你计算过程中是有很多假定的，比如材料没有缺陷且均匀、加工过程完全按照设计图纸、运行过程载荷都能控制在设计载荷内…，但实际上可能是，你想得太简单了。

    随便举两个例子，你看后就没那么大胆了，例如：