|
| |
|
Слаботочка Книги ные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Каждое свойство имеет меру. В области прочности чаще всего мерой свойства детали выполнять заданные функции является значение какой-либо характеристики детали в сравнении с максимально возможной в эксплуатации, т. е. по отношению к конкретной детали это ее фактический коэффициент запаса п. Если речь идет о наличии {п> 1) или отсутствии (п 1) свойства изделия выполнять заданные функции, то по отношению к совокупности изделий применяется понятие вероятности. В этом случае надежность - это вероятность выполнения заданных функций отдельными изделиями при наличии большого числа однотипных изделий, образуюищх некоторую совокупность. Если же само изделие представляет собой сложную совокупность (систему) отдельных элементов, каждый из которых может вызвать отказ, то надежность в этом случае - это вероятность выполнения системой заданных функций в определенных условиях в течение требуемого периода времени. Применительно к расчетам на прочность, когда необходимо, чтобы не наступило то или иное предельное состояние, под надежностью следует понимать вероятность ненаступления предельных состояний, ограничивающих нормальную работу изделия. § 3. Пути сближения расчетной и конструкционной прочности Практика расчетов, проектирования, исследования, изготовления и эксплуатации сварных конструкций накопила большой опыт по обеспечению их надежной работы. Сближение, а в некоторых случаях и совпадение расчетной и конструкционной прочности обеспечиваются системой различных мероприятий. В области расчета это достигается непрерывным совершенствованием расчетных методов. Для более точного совпадения расчетной и конструкционной прочности необходимо выполнение ряда условий. 1. Правильный выбор предельных состояний, по которым производится определение прочности. 2. В пределах каждого из рассматриваемых предельных состояний выбор таких показателей, которые наилучшим образом подходят для количественного выражения величины прочности. 3. Применение такого аппарата теории, который бы позволял вычислить запасы прочности или вероятности разрушимости на основе использования простейших характеристик металла. 4. Учет в случае необходимости дополнительных факторов, которые в используемом расчетном методе не являются основными, например схемы напряженного состояния, неоднородности свойств металла, дефектов, собственных напряжений, температуры, характера действующих нагрузок, среды, статистического рассеяния характеристик металла и др. Использование коэффициентов запаса при прэвильно выбранных расчетных предельных состояниях является методом назначения тких условий эксплуатации (уровня напряжений, числа нагруже-нцй) .по сравнению с расчетной прочностью, при которых возможное неблагоприятное рассеяние факторов, которое не учтено расчетом, не понизит конструкционную прочность изделия до уровня, соответствующего эксплуатационным условиям. Вероятность разрушимости, которая не равна нулю, остается при этом методе расчета неизвестной. Чем больше ожидаемое рассеяние конструкционной прочности и чем менее точен метод расчета, тем больше принимаемые коэффициенты запаса. Таким образом, сама идея введения коэффициентов запаса предполагает возможность большой вариации конструкционной прочности. При применении вероятностных методов расчета обходятся без коэффициентов запаса, а оперируют допустимой вероятностью разрушимости [44]. Лишь в этом случае при правильно учтенных факторах возможно совпадение расчетной и конструкционной прочности в том смысле, что совпадут средние величины, законы распределения и дисперсии расчетной и конструкционной прочности. На стадии проектирования помимо выполнения ряда задач, связанных со служебным назначением конструкции, стремятся принять такие решения, которые бы по возможности исключили действие неясных в расчетном и научном плане факторов, например назначают такие формы конструкции, которые позволяют определить напряжения в них, применяют апробированные материалы и т. д. Если металл крайне чувствителен к концентрации напряжений, необходимо в расчет вводить трещину, эквивалентную дефекту, который может оказаться невыявленным. При создании новых изделий проводится исследование их несущей способности, получение необходимой для расчета экспериментальной информации о прочности, распределении напряжений и уровне их концентрации. Разработка технологии предусматривает выполнение условий, которые сформулированы конструктором. С помощью технологических приемов стремятся устранить те факторы, которые трудно учесть расчетом. Например, термическая обработка устраняет неоднородность механических свойств, снимает остаточные напряжения, наличие которых довольно трудно учесть, правкой устраняют несовершенства формы, которые могут вызывать концентрацию напряжений, не предусмотренную расчетом. Предусматривается система проверки качества выпускаемой продукции, проводится контроль готовых изделий с целью выявления возможных дефектов, которые, как правило, расчетом не учитываются. Нередко контроль распространяется на все производимые детали. Ответственная продукция подвергается 100%-ным пробным испытаниям при повышенных нагрузках. Эти испытания являются эффективным средством повышения вероятности их неразрушимости и сближения расчетной и конструкционной прочности, но также имеют ограниченные возможности. Объясняется это тем, что характер и размеры дефектов могут изменяться во времени, свойства металлов под влиянием различных факторов также могут претерпеть изменения. Намечают и проводят профилактические осмотры и ремонт конструкций. В некоторых случаях осуществляют контроль неразру-шающими методами с целью обнаружения дефектов, которые могли появиться в процессе эксплуатации. Это делают, например, в мостах, железнодорожных рельсах и ряде других сварных конструкций, которые подвергаются действию переменных нагрузок. Перечисленные в настоящем параграфе мероприятия не конкретизированы, потому что каждое из них настолько обширно, что может явиться предметом деятельности проектного института, НИИ, лаборатории, завода. Ниже приводится пример сопоставления результатов расчетного определения роста размеров трещин с фактическим их ростом при циклическом нагружении сосудов. Пример расчета. При сварке сосудов из стали СП28 толщиной 1 мм вблизи поверхности по линии сцлавления образуются отдельные поры или цепочки пор, которые в процессе эксплуатации сосуда при циклических нагрузках превращаются в постоянно растущие трещины. Допустимость сохранения отдельных пор или их скоплений должна устанавливаться ва. основании закономерностей их роста. Для расчетной оценки опасности пор была принята расчетная модель, согласно которой на поверхности отдельных пор или в пределах площади, охватывающей цепочку пор, после некоторого числа циклов Ло образуется трещина, которая в дальнейшем растет как в направлении образующей сосуда, так и по толщине стенки, сохраняя неизменным первоначальное соотношение своих размеров, от которых зависит коэффициент Q в формуле для подсчета коэффициента интенсивности напряжений: K = aVl,2\nl/Q, (11.16) где а - окружное напряжение в стенке сосуда; / - глубина поверхностной трещины. Для определения скорости подрастания трещины при пульсирующей нагрузке была использована формула = СК«. (11.17) в которой числовые значения С и а приняты как средние на основе обработки опытных данных о скорости развития усталостных трещин по 19 типам сталей [44]: С= 2,95.10-21 м">/(цикл.№2б), а=2,25, если в м/цикл, а К -в Н/м. Проверка пригодности расчетной модели была произведена на семи сосудах, в которых имелось 41 место с порами или скоплениями пор с начальной глубиной 0,18-0,22 мм. Испытания проводились при пульсирующих нагрузках, вызывающих в стенках максимальные напряжения в пределах 1330-1372 МПа. Число циклов нагружении Лф отдельных сосудов составляло 475, 596, 722, 852, 992, 1000, 1000. Предварительными исследованиями было установлено, что трещины на границах пор при этих уровнях напряжений возникают примерно через No = = 100 циклов. Поэтому в качестве расчетного числа циклов нагружения при росте трещин иринималось Лр = Лф - 100. После испытаний сосуды разрушали и производили замер начальных размеров пор или скоплений их и конечных размеров усталостных трещин по толщине стенки /ф. По известным /н и Q определяли начальное состояние и путем интегрирования функции (11.17) с подстановкой в нее формулы (11.16) находили конечные расчетные размеры трещин /р. Отношение фактической глубины трещины 1ф к расчетной /р показывает, во сколько раз фактический результат отли-чается от расчетного, что позволяет судить о пригодности расчетной модели при 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 |