Допустимые напряжения в проектировании: Обзор и применение

Введение

Расчет по допускаемым напряжениям – это философия проектирования, используемая инженерами-механиками и инженерами-строителями. Инженер-строитель обеспечивает, чтобы напряжения, возникающие в конструкции под воздействием рабочих нагрузок, не превышали предел упругости. Этот предел обычно определяется путем обеспечения того, чтобы напряжения оставались в пределах допустимых значений с использованием коэффициентов запаса. В строительном проектировании подход расчета по допускаемым напряжениям в значительной степени был заменен на международном уровне расчетом по предельным состояниям (также известным как расчет по предельной прочности или, в США, расчет с использованием коэффициентов нагрузки и сопротивления – LRFD) в отношении строительного проектирования, за исключением некоторых отдельных случаев. В строительном проектировании в США расчет по допускаемым напряжениям (ASD) еще не был полностью вытеснен расчетом по предельным состояниям, за исключением подвесных мостов, которые перешли от расчета по допускаемым напряжениям к расчету по предельным состояниям в 1960-х годах. Дерево, сталь и другие материалы по-прежнему часто проектируются с использованием расчета по допускаемым напряжениям, хотя LRFD, вероятно, преподается чаще в университетских программах США. В машиностроительном проектировании, например, при проектировании сосудов под давлением, метод использует фактические нагрузки, которые, как ожидается, будут возникать на практике, для расчета напряжений и деформаций. Эти нагрузки могут включать в себя усилия давления и вес материалов. Рассчитанные напряжения и деформации сравниваются с допустимыми значениями, которые имеют "коэффициент" для защиты от различных механизмов разрушения, таких как утечка, текучесть, предельная нагрузка перед пластической деформацией, выпучивание, хрупкий излом, усталость и эффекты вибрации/гармоник. Однако рассчитанные напряжения почти всегда предполагают линейную упругость материала. "Коэффициент" иногда называют коэффициентом запаса, хотя это технически неверно, поскольку коэффициент учитывает такие факторы, как локальные напряжения и производственные дефекты, которые специально не рассчитываются; превышение допустимых значений не считается хорошей практикой (т.е. не является "безопасным"). Метод расчета по допускаемым напряжениям также известен в некоторых национальных стандартах как метод рабочих напряжений, поскольку рассчитанные напряжения являются нескомпенсированными напряжениями, ожидаемыми во время эксплуатации оборудования (например, AS1210, AS3990). Этот подход в машиностроении отличается от подхода к предельному проектированию, который увеличивает рассчитанные нагрузки для сравнения с предельным значением прочности. Один метод увеличивает рассчитанную нагрузку, другой метод уменьшает предел прочности.

Permissible stress design is a design philosophy used by mechanical engineers and civil engineers. The civil designer ensures that the stresses developed in a structure due to service loads do not exceed the elastic limit. This limit is usually determined by ensuring that stresses remain within the limits through the use of factors of safety. In structural engineering, the permissible stress design approach has generally been replaced internationally by limit state design (also known as ultimate stress design, or in USA, Load and Resistance Factor Design, LRFD) as far as structural engineering is considered, except for some isolated cases. In USA structural engineering construction, allowable stress design (ASD) has not yet been completely superseded by limit state design except in the case of Suspension bridges, which changed from allowable stress design to limit state design in the 1960s. Wood, steel, and other materials are still frequently designed using allowable stress design, although LRFD is probably more commonly taught in the USA university system. In mechanical engineering design such as design of pressure equipment, the method uses the actual loads predicted to be experienced in practice to calculate stress and deflection. Such loads may include pressure thrusts and the weight of materials. The predicted stresses and deflections are compared with allowable values that have a "factor" against various failure mechanisms such as leakage, yield, ultimate load prior to plastic failure, buckling, brittle fracture, fatigue, and vibration/harmonic effects. However, the predicted stresses almost always assumes the material is linear elastic. The "factor" is sometimes called a factor of safety, although this is technically incorrect because the factor includes allowance for matters such as local stresses and manufacturing imperfections that are not specifically calculated; exceeding the allowable values is not considered to be good practice (i. e. is not "safe"). The permissible stress method is also known in some national standards as the working stress method because the predicted stresses are the unfactored stresses expected during operation of the equipment (e. g. AS1210, AS3990). This mechanical engineering approach differs from an ultimate design approach which factors up the predicted loads for comparison with an ultimate failure limit. One method factors up the predicted load, the other method factors down the failure stress.