一个好的结构设计，必然是即不浪费材料又安全可靠。要实现这个目标必须使用合理的结构分析评定标准来保证。

1. 评定标准的制定基础

    结构分析评定标准通常由强度准则制定。由弹性力学可知，弹性体受力以后其内部将发生应力。内部各点的应力通常可用六个应力分量：σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_xz表达，或用三个主应力：σ₁、σ₂、σ₃表达。如果用这样多的应力分量作为衡量结构设计合理与否的判据，则需要做大量的材料试验，将耗费大量资金，即不核算也不现实。由此人们想到，如何用简单应力试验结果（主要是材料的拉伸试验）去建立复杂应力状态的强度条件。于是从古至今就产生了各种强度理论（准则），例如：最大应力准则（maximum stress theory）、最大应变准则（maximum strain theory）、蔡-希尔准则（Tsai-Hill theory）、豪夫曼准则（Hoffman criterion）、蔡-吴准则（Tsai-Wu tensor theory）等等。而对于结构的弹塑性分析而言，当前主要使用Von.Mises（冯.米塞斯）准则（对同性材料）和Hill theory准则（对正交各向异性材料）。

    （1）Von.Mises（冯.米塞斯）准则

    Von.Mises（冯.米塞斯）准则，是由古典强度理论中的变形能理论发展而来的。古典强度理论认为，材料到达危险状态（断裂或屈服）是由于单位体积的歪形能超过一定的限度，这一限度就是单向拉伸（或压缩）到达危险状态（断裂或屈服）的单位体积歪形能。

    单位体积的歪形能表达式：

    单向拉伸（或压缩）单位体积的歪形能表达式：

    欲使材料不进入危险状态，必须满足以下公式：

    这个理论后来被Von.Mises（冯.米塞斯）引用作为塑性流动条件，发展到塑性力学中。该理论的等效应力表达式为：

    用主应力表达：

    用分量应力表达：

    式中，σ_v为冯.米塞斯等效应力，可由计算得到；

    σ₁、σ₂、σ₃为主应力；

    σ₀为材料的拉伸（或压缩）应力，通常使用持久断裂应力（σ_t）或屈服应力（σ_0.1或σ_0.2）。

    （2）Hill theory（希尔准则）

    前面介绍的Von.Mises（冯.米塞斯）准则是各向同性准则，Hill theory准则是各向异性的，适用于材料的弹性强度各向异性和屈服强度各向异性。它是Von.Mises（冯.米塞斯）准则的延伸。Hill theory准则的等效屈服应力表达式为：

    式中，六个材料常数H，F，G，N，L，M可由材料试验取得，如下各式所示：

    以上各式六个材料常数R_xx、R_yy、R_zz、R_xy、R_yz、R_xz为材料的屈服应力比：

    式中，σ_y为各向异性材料的等效屈服应力，由试验和计算得到；

          σ^y_ij为各个方向的屈服应力；

          σ₀为各轴方向单向拉伸屈服应力。

 

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2. 评定标准的确定

    结构分析使用的评定标准各行各业不完全相同，而且各构件之间也不一定相同，它们通常取决于计算方法。当前结构分析使用的评定标准，一般都是由传统计算方法，即根据材料力学计算方法制定的；而有限元是七、八十年代兴起的技术，据本人所知，当前还没有成熟的评定标准。

    我们进行结构分析使用的评定标准，一般都是参考国外相关标准制定的，特别是参考前苏联的相关标准制定的。例如：航空发动机使用的评定标准，六、七十年代取自于苏联，七、八十年代采用英国斯贝发动机MK202的应力标准(EGD-3)。八、九十年代，我们的设计技术发展了，不能采用别人的标准，没有先进的标准可用，只好“摸着石头过河”，一边实践，一边制定自己的应力标准。

    评定标准中最关键的参数是安全系数。安全系数为材料的屈服强度（如果是异性材料，则为等效屈服强度）或极限强度或蠕变强度与最大工作应力（通常用最大Von.Mises（冯.米塞斯）应力）之比。要设计出好的结构，一方面要使结构重量轻，节省原材料，也就要求有尽可能小的安全系数；另一方面要保证结构使用安全，安全系数大点比较好，两者相互矛盾。因此，一般需要综合考虑，制定出合理的评定标准。

    评定标准通常包括材料和载荷，制定结构分析的评定标准，材料和载荷可以一起考虑，也可分别考虑。对于航空发动机而言，是材料和载荷一起考虑，没有载荷标准；飞机结构设计的评定标准，用设计载荷的1.5倍（载荷标准），作为考核载荷，而材料另有标准。对于民用结构设计，例如：建筑行业，考虑风的振动速度、建筑物高度和形状等，将风压设计值放大1.4倍（载荷标准），作为考核载荷等，而材料评定标准另外考虑。航空发动机和飞机制定结构的评定标准时，要求所用材料性能使用-3 统计值，即存活率为99.87%，致信度为95%，对材料要求严格；而民用结构设计制定评定标准时，就不一定使用材料性能的统计值，但最好使用材料的最低值或平均值。

    无论是航空产品设计或民用产品设计，一般都采用无限寿命设计，即所使用的工作应力不允许超过材料的屈服极限，而且考虑到材料的各种缺陷，还要给出一定的安全系数。但是在发动机结构设计过程中，随着有限元技术应用于航空发动机叶片和轮盘强度计算分析和排故工作，转子叶片是采用有限寿命设计还是采用无限寿命设计问题上出现过分歧。有些人认为，叶片局部应力不允许进入屈服状态，即叶片采用无限寿命设计。有些人认为，叶片叶身局部应力不允许进入屈服状态，伸根和榫头可以进入屈服状态。还有些人认为，整个叶片局部应力都可以进入屈服状态，即叶片采用有限寿命设计。这些观点至今无定论。如果说可以进入屈服状态，那么塑性区限制多大可以？屈服强度安全系数如何确定？也有人说美国人已用寿命设计方法，但我们目前的技术水平恐怕达不到。

3. 斯贝发动机MK202应力标准中安全系数的确定

    由斯贝发动机MK202应力标准EGD-3和斯贝有关资料可知，轮盘和叶片的安全系数通常根据超转储备确定，即不允许在规定的超转速下，轮盘或叶片进入屈服状态的原则确定安全系数的标准。

    例如：在EGD-3应力标准（P6、P10）中，压气机盘和涡轮盘的最大工作应力分别规定0.1%屈服强度的80%(n_0.1=1.25)和75%(n_0.1=1.33)。这其中给压气机盘和涡轮盘的屈服强度分别提供了1.12和1.15的转速储备，即压气机盘在超转12%，涡轮盘超转15%时，盘中的工作应力也未超过屈服强度。

    又如：在IMD斯贝总的应力特点（IC/MKGF/5810）中，燃气涡轮工作叶片叶身、缘板和伸根的最大合成应力，规定不超过叶片材料0.1%屈服强度的0.6倍。并且在文中特别说明：选用材料0.1%屈服强度的0.6倍是用来预防在120%的最大工作转速下，出现不希望有的塑性变形和补偿在超转和失速时，叶身和伸根预期的弯曲应力的急剧增加。

    按转速储备计算屈服强度安全系数的计算公式：

    n_0.1=n₂

    式中，n_0.1——材料0.1%屈服强度的安全系数；

          n——相对转速。

    由上述公式计算0.1%屈服强度安全系数值如下表：

    表1 0.1%屈服强度安全系数值

    说明：上表中，如果允许超转29%，则安全系数取1.67；如果允许超转15%，则安全系数取1.33；如果允许超转10%，则安全系数取1.21；如果允许超转5%，则安全系数取1.11等等。反之依然，安全系数取1.67，则允许超转29%；安全系数取1.33，则允许超转15%；安全系数取1.21，则允许超转10%；安全系数取1.11，则允许超转5%等等。

 

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4. 俄罗斯有关文件中安全系数的标准

    安全系数在俄罗斯有关文件中称为强度储备。由有关文件可知，俄罗斯评定发动机强度可靠性主要使用等效强度储备和统计强度储备。因为俄罗斯进行强度分析时，使用与时间有关的持久强度，而持久强度随时间产生的损伤是不同的，必须按损伤累积理论形成一个统一的强度可靠性的判据。在有关文件中，只给出了计算等效强度储备和统计强度储备的计算公式和标准。但是，这些标准是根据什么原则形成的却不得而知。目前，我们掌握的只有俄罗斯某专家用钛合金（σ_b=900MPa）按寿命提供的应力标准，见下表。

    表2 按寿命提供的应力标准

    注：σ_t为持久强度

5. 我们三维有限元转子叶片暂行应力标准

    我们认为，目前叶片设计还是要采用无限寿命设计（预研和试验件除外），即整个叶片局部应力不允许进入屈服状态。在KL发动机叶片强度设计中，我们已经采用了局部安全系数的标准n_0.1≥1.0。这个标准与俄罗斯有关标准中的n_t≥1.25相比还没有留出欲度。为了使叶片在最大转速下，并考虑转速的不稳定状态时，叶片不出现屈服现象，我们建议安全系数的标准，如果用σ_0.1评估取n_0.1≥1.15，如果用σ_0.2评估取n_0.2≥1.20。该标准是根据最大相对转速超转10%确定的，即在最大转速下，允许转速不稳定超转10%。这样，我们得到屈服强度安全系数的标准如下：

    表3 建议使用的安全系数

    注：俄罗斯使用持久强度安全系数n_t评估。

    该标准在KL发动机叶片使用的标准n_0.1≥1.0和俄罗斯叶片使用的标准n_t≥1.25之间，相对KL发动机叶片，比较安全。

    在叶片强度设计中，如果未满足这个标准，必须调整叶片结构尺寸和气动性能数据，确保叶片强度安全设计。

6. 玻璃幕墙工程技术规范（JGJ102-2003）中的荷载和材料标准

    当前玻璃幕墙行业执行 “玻璃幕墙工程技术规范（JGJ102-2003）”。需要说明的是，这个规范主要针对传统结构分析方法制定的，对有限元的结构计算结果，可以适当参考使用。

    其中荷载和材料标准，见“玻璃幕墙工程技术规范（JGJ102-2003）”中第五章结构设计的基本规定。材料强度标准和荷载标准摘录如表。

    表4 材料强度标准和荷载标准

    说明：在玻璃幕墙构件设计中，如采用Q235材料，其屈服强度为σ_0.2=235MPa，但在材料设计值中却为f=215MPa。不知为什么Q235材料的设计值打了折扣，相关标准没有说明原因。它相当于增大了材料的安全系数，如果没有依据的话，可是要浪费钢材的，而且所设计的结构必然“傻大黑粗”。