|
| |
|
Слаботочка Книги 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 [85] 86 87 88 89 самыми лросшми приемами контроля, да и вероятность появления крупных дефектов к тому же мала. Высокопрочные материалы разрабатываются с целью эксплуатации их при высоком уровне напряжений а. Вследствие высоких напряжений Од и крайней чувствительности этих материалов к концентраторам размеры допустимых концентраторов близки к разрешающей способности физических методов контроля. Частота появления дефектов, хотя и сократилась вследствие улучшения технологии, все же осталась на уровне, крайне осложняющем надежную безаварийную эксплуатацию конструкции. Недооценка опасности концентраторов, а в некоторых случаях и пренебрежение их влиянием на первых порах применения высокопрочных материалов приводили к неожиданным разрушениям. Аналогичная ситуация сложилась с усталостной прочностью конструкций (рис. 11.1,6). Высокую долговечность (число циклов нагружении N до разрушения) элементов конструкций из высокопрочных материалов удается обеспечить только при весьма малых а и 4кв- На практике же приходится снижать допускаемые напряжения до уровня прочности низкопрочных материалов ввиду наличия концентрации напряжений. В противном случае происходит неожиданная быстрая поломка консх" рукций, работающих при повышенных переменных нагрузках. Широкое освоение районов Севера, Сибири и Дальнего Востока сопровождалось массовым применением техники, которая до этого зарекомендовала себя как вполне надежная в районах с умеренно низкими температурами. Большинство машин, как известно, изготовляется из дешевых конструкционных сталей, которые весьма хорошо работают при температурах, обеспечивающих их вязкое состояние, но имеют порог хладноломкости, ниже которого они крайне чувствительны к концентрации напряжений и способны хрупко разрушаться. Это обстоятельство не было учтено не только эксплуатационниками, но на первых порах и конструкторами, которые допускали использование в машинах северного исполнения слабохладостойких сталей, что привело ко многим случаям разрушений. Третьей существенной причиной, порождающей несовпадение расчетной и конструкционной прочности, является неправильный выбор предельных состояний и критериев для оценки прочности конструкций. Это не только снижает ценность и достоверность расчетных методов, но и отрицательно сказывается на квалифициро-  Рис. 11.1. Влияние длины трещины sKB и коэффициента концентрации напряжений а на конструкционную прочность (а) и долговечность (б) ванйсм щадходе к оценке конструкциониой прочности при испытании изделий и принятии решения об их массовом изготовлении. Широко распространенным примером неправильного выбора предельного состояния является расчет сварной конструкции по предельному состоянию наступления текучести, в то время как она должна быть рассчитана на выносливость по предельному состоянию разртпения от усталости или на сопротивляемость разрушению при низких температурах из-за концентрации напряжений. Много совершается ошибок по причине неправильного выбора критериев. Например, иногда в качестве критерия работоспособности используют ударную вязкость металла. Однако несоответствие коэффициента концентрации напряжений в лабораторном образце g.„ п-£. „ размером 10 X 10 х 55 мм с тем, -f что есть в конструкции, не позволяет переносить эти результаты на оценку изделия. Иногда ошибки в оценке несущей способности совершаются из-за использования только с и -ловых критериев вместо комбинации их с деформационными. Заметим, что все имеющееся многообразие критериев имеет в качестве первичной (экспериментальной) информации либо силу, либо перемещение - остальные величины определяют расчетом как производные от них, в том числе и работу. Главное отличие д е-формационных критериев от силовых состоит в том, что деформационные критерии одинаково хорошо чувствительны к изменению коэффициента концентрации напряжений а (рис. 11.2) во всем диапазоне его изменения, в то время как силовые критерии хорошо реагируют на изменение а, пока среднее напряжение остается ниже о. В диапазоне относительно небольших а, что как раз характерно для большинства конструкций, силовые критерии менее представительны, в особенности если разница между о. и невелика. Например, при испытании сосудов давления из высокопрочных сталей, качество изготовления которых удовлетворяет некоторому минимуму так, что Осрл, > о, уровни разрушающих напряжений отличаются слабо. Заключение о качестве технологии и сварных соедивенвй в отнсмнении концентрации напряжений в них можно дшъ только по величине средней окружной разрушающей дефор1ации сосуда [521. При определении лишь Оср.р объективную оценку дать трудно. Критерий критического рж;крытия конца трещины перед разрушением &с также имеет преимущество перед силшыми критерняш. / W 20 Рис. 11.2. С}<ематичная зависимость среднего разрушающего напряжения Оср.р и средней разрушающей деформации ep.p от коэ<}х})ициента концентрации напряжений а если конструктивные элементы разрушаются после протекания пластической деформации. Испытания на малоцикловую усталость, когда число циклов не превышает 10*-10*, чаще проводят, регламентируя деформацию цикла, а не напряжение. Четвертая причина состоит в вероятностной природе формирования конструкционной прочности. Здесь есть два аспекта. Один связан с комбинацией различных факторов и их неблагоприятным сочетанием. А второй заключается в том, что каждый из факторов имеет рассеяние. Возможности статистического подхода в настоящее время используются лишь в отдельных случаях, например в расчетах на усталость. В обозримом будущем невозможность учета статистической природы формирования конструкционной прочности будет одной из главных причин отклонения расчетной прочности от действительной. Расчетная прочность может совпадать с конструкционной только при применении вероятностных методов расчета с учетом рассеяния действующих факторов. При детерминистическом подходе к расчету одному полученному расчетному уровню прочности будет всегда соответствовать некоторая совокупность неодинаковых результатов фактически наблюдаемой конструкционной прочности в нескольких опытах. Пятая причина связана с вероятностным характером появления и распределения дефектов в сварных конструкциях, что трудно учесть заранее. Во-первых, возможно появление дефектов там, где они раньше отсутствовали и не требовали постоянного и сплошного контроля продукции. Во-вторых, разрешающая способность методов контроля гарантирует высокую вероятность обнаружения дефектов только выше определенного размера. При некоторых малых размерах дефектов вероятность их обнаружения резко падает. В-третьих, всегда возможен случайный пропуск опасного дефекта, который должен был быть выявлен методами контроля. Это создает в большой партии проконтролированных изделий некоторую вероятность разрушимости, которая зависит от вероятности пропуска опасного дефекта. § 2. Рассеяние характеристик механических свойств металлов, геометрических размеров элементов, нагрузок и вероятностные методы оценки прочности Сопоставляя между собой расчетную и конструкционную прочность, необходимо иметь в виду один из важнейших факторов, влияющих на несущую способность конструкции, - фактор рассеяния механических свойств металлов, геометрических размеров сечений и действующих нагрузок. Конструкционная прочность, объективно отражающая влияние рассеяния, всегда по своей природе является величиной, изменяющейся в довольно широких пределах. Обычно пользуются сравнением некоторых средних значений фактической конструкционной прочности и расчетной. Даже при их совпадении остается открытым вопрос о возможном рассеянии кон- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 [85] 86 87 88 89 |