Много отраслей – одна специальность

Можете ли Вы охарактеризовать одним словом требования к автомобилю и зубному протезу? атомному реактору и детской коляске? самолету и бронежилету?

Это «одно слово» – прочность. Прочность в том строгом смысле, в котором она понимается в технике: способность конструкции выполнять заданные функции в заданных условиях в течение заданного времени. За этим определением скрывается ряд ситуаций, не всегда очевидных. Например, является ли для автомобиля ДТП «заданными условиями»? Какие «заданные функции» должен в этих условиях выполнять автомобиль? Ответ можно найти в европейских нормах NCAP: не просто ДТП, а более двух десятков типов столкновений под разными углами и с разными скоростями, функции – сохранение жизни водителя и пассажиров, т.е. сохранение достаточного пространства и не слишком большие ударные ускорения. Аналогична ситуация и в других отраслях. Так, для атомного реактора существующими «Нормами расчета на прочность» оговаривается как обязательное требование расчет поведения конструкции в аварийной ситуации, и если в нормальных условиях функция реактора – выработка энергии, то в аварийной ситуации – сохранение герметичности и исключение радиоактивного заражения.

Может показаться, что обеспечить прочность несложно – нужно лишь сделать элементы конструкции массивнее, толще. Выдержали ведь египетские пирамиды 4000 лет? Но не все так просто. Отчасти дело в экономике: сколько будет стоить и сколько топлива будет расходовать вдвое более тяжелый автомобиль? Есть и другая сторона: более массивная конструкция может оказаться неспособной выполнять заданные функции – вдвое более тяжелый самолет не оторвется от земли. Более того, массивная конструкция может оказаться менее прочной: в стакан с тонкими стенками и дном можно налить кипяток, а стакан с толстым дном лопнет. Дело, конечно, не в стаканах: аналогичные ситуации встречаются в деталях газотурбинных двигателей, металлургического и химического оборудования, атомных реакторов…

Прочность можно обеспечить методом последовательных приближений – в технике это называется «путем экспериментальной отработки». Сначала конструктор рисует изделие, исходя из накопленного опыта. Изделие изготавливается и испытывается. Если на стадии испытаний выявляются «слабые места», они усиливаются. Этот путь, конечно, абсолютно надежен. Именно так поступили специалисты NASA, отрабатывая один из элементов автоматики корабля Apollo – они встроили этот элемент … в стиральную машину, выпустили несколько тысяч стиральных машин и получили точный ответ о надежности и возникающих поломках. К сожалению, этим путем пойти можно не всегда. Иногда это дорого (помните о двух десятках типов аварий по NCAP? и нескольких пробах для каждой аварии? и о том, что тестовый образец примерно в 10 раз дороже серийной машины?), иногда вообще невозможно – как сделать «экспериментальную отработку» атомного реактора с плановым ресурсом 30 лет? Построить и посмотреть, выдержит ли?!

Современный подход использует испытания образцов материалов, из которых будет сделана конструкция, и расчеты для прогнозирования поведения конструкции в целом. Начал применять такой подход около 300 лет назад Галилео Галилей. Правда, Галилей допустил ошибку, решая относительно простую задачу: как по результатам испытаний материала на растяжение спрогнозировать прочность балки при изгибе. За прошедшие 300 лет многое изменилось. Работы специалистов (в немалой степени – российских) сделали расчетные технологии надежным и удобным инструментом. Особенно быстрыми темпами расчетные технологии стали развиваться с внедрением компьютеров, позволивших численно решать те задачи, аналитическое решение которых ранее найти не удавалось. Конечно, развитие расчетных технологий не означает отказа от эксперимента – любой расчет требует исходных данных и проверки. Инженеров, занимающихся обеспечением прочности с использованием расчетных и экспериментальных методов, на жаргоне называют «прочнистами».

Подготовка прочнистов в ЮУрГУ (тогда – Челябинском политехническом институте) началась «подпольно» с 1970 года. С 1975 года официально существовала специальность «Динамика и прочность машин». В советские времена лишь в 8 ВУЗах страны удалось создать эту сложную в преподавании и освоении, но так необходимую промышленности специальность. Сейчас, с переходом на 2-уровневую систему высшего образования «бакалавр – магистр» специальность «Динамика и прочность машин» преобразована в направление подготовки бакалавров «Прикладная механика. Динамика и прочность машин» и два магистерских профиля: «Компьютерные технологии и моделирование в механике» и «Динамика и прочность машин». Для тех, кто захочет пойти дальше – есть аспирантура и докторантура.

Иногда можно услышать мнение: есть компьютерные программы для моделирования поведения конструкций в различных условиях нагружения. Купите такую программу, освойте ее – и сможете отвечать на любые вопросы о прочности. Но эти вопросы слишком сложны и многоплановы, чтобы на них могла «автоматически» ответить даже самая лучшая программа. Помимо подготовки исходных данных, что само по себе очень и очень непросто, нужно хорошо представлять себе, что у этой программы внутри – т.е. какие методы, какие математические приемы используются при вычислениях. Не зная этого, можно получить совершенно неверный результат. Более того, программа не предупредит пользователя, что результат неверен. Еще более того – неквалифицированный пользователь не поймет, что результат очень далек от истины. Только солидная инженерная подготовка обеспечивает получение верного результата. Специалист должен понимать физику процесса, хорошо знать математику, быть «на ты» с компьютером. Кроме математики (один из самых больших курсов на технических специальностях в России), прочнисты изучают физику, теоретическую механику, механику материалов и конструкций, аналитическую динамику, динамику машин, теории упругости и пластичности, надежность технических систем, конструкционную прочность, механику разрушения. Компьютерная подготовка состоит из общеинженерной и специальной и включает работу с самыми современными специализированными пакетами. Чтобы обрисовать уровень вычислительных задач, достаточно сказать, что для моделирования поведения автомобиля в уже упоминавшихся условиях ДТП приходится решать систему из примерно одного миллиона уравнений – и решать ее не один раз, а для каждого из десятков тысяч (!) моментов времени, на которые разбивается прочностной анализ аварии.

Прочнистам не обойтись и без экспериментальных методов – как лабораторных, так и натурных испытаний конструкций в реальных условиях эксплуатации. Кафедра имеет собственные лаборатории с набором уникального оборудования – как фабричного, лучших мировых производителей (LMS, Instron, LDS), так и самодельного, способного решать разнообразные специфические задачи (например, вести испытания в среде водорода при давлении 200 атмосфер). Регистрирующая аппаратура способна фиксировать усилия, температуры и вибрации деталей в полевых условиях.

Уже в студенческие годы прочнисты могут решать практически важные и интересные задачи. Вот для примера темы некоторых дипломных работ: «Определение остаточного ресурса сосудов давления Оренбургского газоперерабатывающего завода», «Динамика и прочность цистерны большегрузного топливозаправщика», «Моделирование процесса разделения ступеней баллистической ракеты», «Анализ динамики посадки и совершенствование конструкции дельталета», «Исследование динамики деформирования грудной клетки человека при импульсном воздействии», «Оценка вероятности безотказной работы оборудования нефтегазового комплекса», «Исследование сопротивления тканевых преград удару клинковым оружием», «Подбор оптимальных параметров подрессоривания транспортного средства». Все работы делаются по заказам предприятий, и темы работ столь же разнообразны, как предприятия-заказчики.

Выпускников с такой подготовкой с удовольствием берут на работу предприятия в регионе и за его пределами. ДПМ-щики работают на всех крупных заводах Челябинска; в аэрокосмических фирмах Москвы, Перми, Самары, Екатеринбурга; инженерном центре фирмы «Боинг» в Москве; Государственном ракетном центре в Миассе, Федеральном ядерном центре в Снежинске, ПО Маяк в Озерске, на автозаводах (ВАЗ, КАМАЗ, УралАЗ), предприятиях Газпрома (Уралтрансгаз, Инженерный центр Газпрома), предприятиях нефтехимии (Нефтемонтаждиагностика) и многих других. Особенность подготовки прочнистов – привязка не к конкретному виду техники (скажем, автомобильной или аэрокосмической), а к виду задач – задачам обеспечения прочности и надежности, встречающимся в любой отрасли. Кроме того, прочнисты ведут и исследовательские работы, связанные с развитием математических методов и программного обеспечения для расчетов, с изучением поведения материалов в специфических условиях (при нейтронном облучении, в контакте с активными средами и т.д.). Прямые связи с ведущими фирмами – производителями инженерного программного обеспечения и экспериментального оборудования позволяют выполнять работы на уровне «state of the art», поддерживать связи (в том числе и учиться в аспирантуре) с университетами США, Германии, Израиля, Канады, Австралии.

Естественно, для получения хорошей работы необходим хороший уровень образования. Сравнивать этот уровень нужно с уровнем лучших инженерных ВУЗов страны – МГТУ им. Баумана, Московского энергетического, МИФИ, Московского авиационного, Санкт-Петер­бургского политехнического, Пермского политех­нического, Балтийского Военмеха, Самарского аэрокосмического… Соревнуясь со студентами этих ВУЗов, студенты ЮУрГУ неоднократно становились победителями: за 30 лет существования Всероссийских олимпиад по сопротивлению материалов (базовой дисциплине для прочнистов) было завоевано 23 призовых, в том числе 17 первых мест. Регулярными являются победы и во Всероссийской олимпиаде «Компьютерные технологии в машиностроении». В соревнованиях «Одиссея разума» в номинации «Техническая проблема» команда, составленная из студентов-прочнистов ЮУрГУ, 8 раз завоевывала право представлять Россию на международной арене, 7 раз из этих 8 выигрывала Европейское первенство.

Не нужно думать, что такие достижения и вообще учеба на прочниста требуют каких-то особых врожденных способностей (отметим, кстати, что один из победителей олимпиады «Компьютерные технологии в машиностроении», в настоящем – сотрудник Федерального ядерного центра, в 9-м классе считал, что «физика – это не его»). Нужно просто быть готовым работать, регулярно выполняя все положенные задания. Как показывает опыт, при регулярной работе у поступивших нет проблем с учебой и остается вполне достаточно времени на спорт, общение и т.п.

Дополнительные подробности можно найти на нашей странице в контакте http://vk.com/id249125238, а также на сайте кафедры http://pent.sopro.susu.ac.ru/. Здесь нет «дней открытых дверей» просто, потому что двери открыты всегда. Если есть вопросы – пишите ([email protected]), звоните (+7-351-2679261), приходите на кафедру (аудитория 332 2го корпуса ЮУрГУ или аудитория 408 корпуса 1б), вам с удовольствием ответят.

Выпускник специальности «Динамика и прочность машин» 1986 года, доктор технических наук

А.Чернявский

Варианты фотографий

Одна из дипломных работ – эксперимент и компьютерная модель

Расчетная схема машины в целом и результаты расчета

Конечно-элементная модель грудной клетки человека

а – мягкие ткани; b – скелет грудной клетки; c – внутренние органы