ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Ресурс и прочность из "Машиностроение Энциклопедия Т IV-3 " Протекание процесса эксплуатации любого изделия характеризуется некоторой мерой длительности этого процесса, которая так или иначе связана со временем. Этой мерой может быть календарная продолжительность эксплуатации, наработка, т.е. продолжительность осуществления изделием своих функциональных задач (например, километровый пробег автомобиля), число циклов функционирования или эксплуатационных циклов (например, для самолета - число полетов) и т.д. Очевидно, что расстояние между двумя любыми моментами эксплуатации может измеряться разными мерами. [c.440] Наиболее удачной является ситуация, когда и характеристики предельного состояния, и характеристики процесса эксплуатации измеряются единой мерой. В этом случае движение эксплуатации к предельному состоянию определяется наиболее простьпк и естественным способом. Действительно, если, например, в качестве предельного состояния принят некий допустимый уровень затрат на эксплуатацию, а в качестве измерителя процесса эксплуатации используется результат суммирования затрат на нее, то именно затраты естественно принять в качестве меры эксплуатации. [c.440] Более трудной является ситуация, когда предельное состояние характеризуется мерой, отличной от той, которую возможно отследить в процессе эксплуатации. В этом случае темп приближения к предельному состоянию можно выявить лишь за счет возможных связей, существующих между этими двумя мерами. В принципе, может быть предложен целый спектр различных мер процесса эксплуатации, среди которых есть более или менее предпочтительные. Например, затраты топлива на функционирование автомобиля или самолета нецелесообразно связывать с календарной продолжительностью эксплуатации, поскольку такая связь хотя и существует, но является достаточно слабой. Более предпочтительной мерой (кроме, естественно, прямого измерения расхода топлива) является наработка в километрах пробега, числе летных часов или полетов, хотя и эта связь является далеко не однозначной. [c.440] Таким образом, смысл измерения процесса эксплуатации, т.е, введение таких понятий, как ресурс, срок службы, интервал между осмотрами и ремонтами и т.д., как правило, заключается в том, чтобы, связав с этой мерой другую значимую (в смысле предельного состояния) характеристику объекта, прямое измерение которой затруднено или даже невозможно, делать выводы о поведении именно этой значимой характеристики и на этой основе при1шмать необходимые решения о правилах и порядке эксплуатации. [c.440] В связи с этим ресурс оказывается понятием, достаточно сложным и неоднозначным, измерители ресурса могут быть весьма разными, и в каком-то смысле ресурс даже трудно назвать характеристикой только самого объекта. [c.440] Одной из важнейших характеристик конструкции является ее прочность, непосредственно связанная с безопасностью эксплуатации весьма дорогих и высокоответственных объектов (АЭС, авиация, химические реакторы и др.). [c.440] Известно, что исходная прочность (несущая способность под действием экстремальных расчетных нагрузок), заложенная в конструкцию изделия, в процессе эксплуатации снижается за счет влияния большого числа эксплуатационных факторов. Происходит развитие деградациоиных процессов различной физической природы (изменение свойств материала, усталость, износ, коррозия и т.д.). Часть из этих процессов вызывает видимые (или обнаруживаемые) повреждения. К сожалению, значительная часть этих процессов проходит скрытно, и поврежденное состояние конструкции не может быть выявлено в эксплуатации имеющимися средствами и методами. Примером такого ин1 ационного периода деградации является первая фаза усталостного повреждения до возникновения обнаруживаемой трещины. [c.440] Однако, несмотря на всю несхожесть физических причин деградации, они обладают тем общим свойством, что окончательный отказ (разрушение) конструкции произойдет из-за нехватки остаточной прочности (несущей способности), сохранившейся к этому моменту, Другами словами, предельное по условиям прочности состояние конструкции, различзюе по своим физическим проявлениям (усталостная трещина, износ поверхности, наличие коррозионного повреждения), должно характеризоваться, по существу, единым признаком - величиной остаточной прочности. Момент снижения прочности до допустимого уровня и следует считать моментом исчерпания ресурса по тем или иным деградационным причинам. [c.441] Величина допустимого снижения исходной прочности конструкции за счет воздействия различных эксплуатационных факторов относится к характеристикам, формальное назначение которых вызывает значителыме трудности. Этот вопрос должен решаться на основе ясного понимания того, что в реальной жизни, как правило, происходит эксплуатация большого числа, целых парков номинально одинаковых, а в действительности сильно разнящихся по своим свойствам объектов (автомобилей, самолетов и др.) в условиях, которые также носят случайный характер. [c.441] Поскольку прочность и безопасность должны обеспечиваться для всех объектов парка, постольку следует особое внимание уделять экземплярам, обладающим наихудшими свойствами ( в диапазоне возможного разброса) и эксплуатирующимся в наиболее неблагоприятных рабочих условиях. Даже в случае, когда существуют лишь единичные экземпляры уникальных объектов (сооружений, машин, реакторов и т.д.), их чаще всего также целесообразно рассматривать в качестве худших из мыслимой генеральной совокупности многих номинально аналогичных экземпляров. Такой консерватиный подход вполне оправдан именно для уникальных ответственных объектов. Естественным и единственным путем решения необходимых задач в такой постановке является применение вероятностной методологии, которая позволяет полз чать достаточно обоснованные и практически эффективные результаты. [c.441] Второй, трудностью является большая сложность количественного подтверждения того, что требуемый уровень безопасности достигнут. Фактическая потеря безопасности является экстраординарным (т.е. весьма редким) событием, а надежный априорный прогноз вероятности столь редких событий оказывается очень трудной задачей. [c.441] В связи с этим на раннем этапе разработки требований к прочности конструкций широко использовалась методология формулировки (назначения) так называемых расчетных условий, выступающих в форме детерминистских правил, описывающих совокупность определенного числа сочетаний величин эксплуатационных факторов, при которых прочность должна быть обеспечена. В качестве расчетных условий, естественно, используются некоторые экстремальные условия, находящиеся на границах допустимых областей нормальной эксплуатации. Предполагается, что, если прочность обеспечена в расчетных условиях, она будет обеспечиваться и при всех остальных условиях эксплуатации. [c.441] Для экстремальных нагрузок, которые могут возникнуть в условиях нормальной эксплуатации (так называемых максимальных эксплуатационных нагрузок), вводится еще довольно значительный дополнительный запас (в авиации, как правило, 1,5-кратный), учитывающий случайные межэкземплярные различия характеристик прочности и индивидуальной нагруженности, а также возможные погрешности, ошибки, неопределенности и т.д. С учетом этого запаса и формируются детерминистские расчетные условия, которые опираются на некоторые, как правило, неформализованные, инженерные, по сути своей веро-ятностно-статистические представления и максимально учитывают накопленный опыт обеспечения безопасности эксплуатации. [c.441] В последнее время для ряда ответственных объектов (АЭС, летательные аппараты) сформулированы и даже отражены в официальных государственных нормативах требования по уровню безопасности из условий прочности основной силовой конструкции, выраженные в прямой вероятностной форме. В частности, для конструкции самолетов катастрофическая ситуация, при возникновении которой предотвращение гибели летательного аппарата и людей невозможно, должна быть практически невероятной, т.е. характеризоваться средней вероятностью на один летный час менее 10 , что, очевидно, эквивалентно средней наработке на возникновение такой ситуации более миллиарда ( ) летных часов. [c.441] В действительности же деградация происходит, и несущая способность в процессе эксплуатации снижается. Отсюда, казалось бы, вытекает естественное требование о необходимости обеспечения несущей способности, соответствующей расчетным условиям, не в начале эксплуатации, т.е. для исходной конструкции, а в конце эксплуатации, для уже поврежденной конструкции. При таком подходе конструкция должна быта бы иметь значительные резервы исходной (начальной) прочности, а следовательно, и избыток массы. [c.442] Приняв, например, некоторое установленное поврежденное состояние конструкции Б качестве предельного и обеспечивая (за счет ограничения наработки) высокую вероятность его недостижения в эксплуатации, можно добиться того, чтобы средняя наработка на разрушение (с учетом прогнозируемого процесса снижения несущей способности) превышала бы соответствующее значение для сахучая отсутствия процесса деградации на допустимо малую величину. [c.442] Опыт авиации показал, что наиболее целесообразно и достаточно реалистично с позиций сочетания прочности и ресурса принять в качестве предельного такое состояние конструкции, коша она сохраняет остаточную прочность, равную 2/3 от исходной. Если теперь потребовать, чгобы такое состояние в пределах установленного ресурса возникало с весьма малой вероятностью, например, не большей р = 0,001, то необходимое для практической невероятности разрушения ограничение наработки (с учетом сочетания типовых характеристик деградационного процесса, например, усталости с типовой повторяемостью нагрузок различной величины) оказывается приемлемым для практики. Весьма условная иллюстрация такого подхода приведена на рис. 4.3.1. [c.442] Вернуться к основной статье