Надежность конструкций и допустимость повреждений

Усовершенствование методов анализа напряжений в конструкциях позволяет уменьшить коэффициенты запаса и, следовательно, повысить уровень эксплуатационных напряжений. В результате вероятность развития трещины из раковины или другого разрыва сплошности повышается. Использование современных высокопрочных материалов с относительно низким сопротивлением росту трещины приводит к необходимости решать дополнительные проблемы, связанные с быстрым ростом трещин в этих материалах при уменьшении остаточной прочности. Если важна масса конструкции, то коэффициенты запаса уменьшают еще больше и появление трещин становится более вероятным.

Экономика производства требует, чтобы эксплуатация конструкций была надежна в течение всего расчетного срока службы. В результате некоторой неточности при определении расчетных нагрузок, а также из-за возможных небольших дефектов производства следует ожидать, что трещины возникают задолго до полного окончания срока службы. В некоторых конструкциях (сильно нагруженные сечения, сварные швы) в материале могут содержаться начальные раковины, достаточно острые для того, чтобы вызвать разрушение сколом немедленно после начала эксплуатации конструкции.

Конструкция для обеспечения надежности должна быть спроектирована с таким расчетом, чтобы способность ее воспринимать значительные нагрузки сохранялась даже при наличии трещин и разрушенных частей: конструкция должна допускать повреждения. Для обеспечения надежности необходимо также, чтобы повреждение можно было обнаружить прежде, чем оно достигнет опасного размера, либо чтобы оно никогда не достигало опасного размера в течение всего расчетного срока службы. Если конструкция отвечает этим требованиям, то она определенно надежна.

Надежность конструкции подразумевает ее достаточную устойчивость к повреждениям – такую, чтобы соблюдение мер предосторожности обеспечило ее надежную эксплуатацию. Меры предосторожности заключаются в своевременных проверках на наличие трещин, осуществляемых на протяжении всего времени эксплуатации. Если наложено требование, чтобы начальное повреждение не могло увеличиться до опасных размеров, то следует иметь гарантию того, что начальное повреждение не превышает определенного максимального размера: проверку следует проводить до начала эксплуатации конструкции. Если трещина, после того как она образовалась, может расти достаточно быстро, чтобы достигнуть опасного размера в течение срока службы, то проверку конструкции следует проводить периодически.

Очевидно, ни одно из средств механики разрушения, пригодных для проектирования, не может считаться совершенным, хотя некоторые из них были доведены до того уровня, на котором полученные с их помощью результаты можно считать достоверными. При проектировании надежной конструкции необходимо решить следующие задачи:

1. определение минимального размера трещины, при котором возможно ее обнаружение;

2. расчет остаточной прочности конструкции с трещиной (трещинами) и определение критической длины трещины при максимальной расчетной нагрузке;

3. определение истории нагружения;

4. определение кривой распространения трещины от минимального размера, при котором возможно ее обнаружение, до ее критической длины;

5. определение вероятных мест развития трещин;

6. надежность проверки с учетом доступности исследуемых частей конструкции.

Существуют инженерные методы решения всех приведенных задач, однако эти решения имеют явные недостатки. Дополнительная трудность может заключаться в том, что для использования той или иной процедуры будет недостаточно экспериментальных данных, хотя сам по себе метод пригоден для применения в инженерных приложениях.

В настоящее время существует различные методики проверок: прямые (визуальный, красители, рентген и др.) и косвенные (ультразвуковой, вихревые токи и др.). Оценивать методику проверки следует по степени ее эффективности. При определении наиболее полезной методики проверки следует учитывать следующие факторы:

а) доступность применения;

б) чувствительность методики и минимальный размер трещины, при котором применение данной методики делает возможным ее об­наружение;

в) частоту проведения проверок.

Долгое время надежность проектируемых конструкций основывалась на качественных суждениях инженера. В настоящее время стали возможными количественные расчеты, особенно по отношению к остаточной прочности. Следует ожидать, что в дальнейшем будет улучшена методика проведения подобных расчетов и в отношении процесса распространения трещины.