Пути сближения расчетной и конструкционной прочности

Конструкционная прочность - это установленная в результате экс- плуатации или испытаний при конкретных свойствах материала, значении и характере действия нагрузок, температуры, среды, а также технологии изготовления способность конструкции сопротивляться наступлению тех предельных состояний, от которых зависят ее служебные свойства.

Причины их расхождения

Конструкционная и расчетная прочность,

Расчетная прочность - это установленная в результате расчета путём использования характеристик материалаи аппарата теории, связывающей

эти характеристики с искомой величиной прочности, способность сварного соединения или конструкции сопротивляться наступлению тех предельных состояний, которые соответствуют наступлению их отказа в работе. Рас-четные методы непрерывно совершенствуются, но они не достигают степени усовершенствования, позволяющей получить полное совпадение расчетной и конструкционной прочности. В работе [18] приводятся шесть причин расхождения расчетной и конструкционной прочности.

Конструкционная прочность является величиной, имеющей рассея - ние, так как имеют рассеяние свойства материала и размеры. Уровень рас-сеяния различных составляющих прочности может иметь разные значения. Например, если ведется оценка прочности по предельному состоянию те-кучести стенки сосуда, работающего под давлением, то рассеяние будет за-висеть от рассеяния свойств металла по пределу текучести σ_т и толщине листового металла. Это рассеяние обычно небольшое. При оценке прочно-сти по предельному состоянию разрушения сосуда, изготовленного из вы-сокопрочной и чувствительной к концентрации напряжений стали, рассея-ние будет зависеть от концентрации напряжений, которая, в свою очередь, зависит от радиусов закруглений в зонах концентрации. Рассеяние в дан-ном случае окажется более значительным. Сравнение по долговечности во время испытания сосудов при изменяющемся давлении даст еще большее рассеяние результатов. Поэтому одному полученному расчетному уровню прочности будет всегда отвечать некоторая совокупность неодинаковых значений конструкционной прочности, наблюдаемой фактически. Это одна из причин расхождения расчетной и конструкционной прочности, которая вытекает из самого принципа построения расчета, так как не рассматривает рассеяние факторов, принимающих участие в расчете.

Вторая причина –значительное влияние на расхождение уровней рас четной и конструкционной прочности оказывает возможное появление и распределение дефектов в сварных конструкциях. В современных расчетах не принято заранее включать дефект как фактор, подлежащий учету на стадии проектирования. Технологические требования к сварным конструк-циям обычно таковы, что не допускают наличия в них опасных дефектов. Однако даже при 100%–ном контроле качества неразрушающими метода-ми сохраняется некоторая вероятность пропуска дефекта, поэтому остается и вероятность отклонения расчетной прочности от конструкционной. Про-блема влияния дефектов на прочность – наиболее острая при использова-нии высокопрочных конструкционных материалов, которые, с одной сто-роны, воспринимают высокие напряжения, а с другой стороны, крайне чувствительны к концентрации напряжений. Эти материалы крайне чувст-вительны к таким концентраторам, размеры которых близки к возможнос-тям физических методов контроля.

Третья причина – недостаточность значений комплексного влияния нескольких одновременно действующих факторов. Большая часть расчет- ных методов разработана для определения влияния какого-нибудь одного фактора. Учет в расчетах каждого фактора отдельно является недостаточ-ным, что и приводит к расхождению расчетной и конструкционной проч-ности. Соединение в одном методе расчета двух и более факторов при вза- имодействии между собой - задача редкая при современном уровне разви-тия науки о прочности.

Четвертая причина – недостаточность учета влияния слабоизучен-ных факторов также является одной из причин расхождения расчетной и конструкционной прочности. Например, неучет низких температур, су-щественно влияющих на чувствительность материала к концентрации нап-ряжений. Методы расчета, учитывающие это влияние, только создаются, а раз рушения конструкций при низких температурах довольно часты.

Пятая причина – неправильный выбор предельных состояний и кри-териев для оценки прочности конструкций. Например, распространен рас-чет сварной конструкции по предельному состоянию текучести, тогда как она должна быть рассчитана на выносливость по предельному состоянию разрушения от усталости или на сопротивляемость разрушению через кон-центрацию напряжений. Много ошибок и при выборе критериев. Напри-мер, за критерий работоспособности принимают ударную вязкость метал-ла. Однако несовпадение коэффициента концентрации напряжений в ла-бораторном образце (10х10х55 мм) с самой конструкцией не позволяет пе-реносить эти результаты на оценку изделия. Иногда для оценки несущей способности конструкции используются только силовые критерии вместо комбинации их с деформационными, которые в отличие от силовых оди-наково хорошо чувствительны к изменению коэффициента концентрации напряжений a во всем диапазоне его изменений, в то время как силовые критерии хорошо реагируют на смену a, пока среднее разрушающее нап-ряжение s_{ср. р} остается ниже σ_т (см. рис. 12.4). Критерий критического

раскрытия конца трещины перед разрушением δ_с также имеет преимущес-тво перед силовыми критериями, если конструктивные элементы разруша-ются после протекания пластической деформации.

Шестая причина–вероятностная природа формирования конструк- ционной прочности. Здесь имеется два аспекта. Один связан с комбинаци- ей разных факторов и их неблагоприятным сочетанием, а второй заключа-ется в том, что каждый из факторов имеет рассеяние. Статистический ме-тод используется редко, в отдельных случаях. В обозримом будущем не-возможность учета статистической природы формирования конструкцион-ной прочности будет одной из главных причин расхождения расчетной и конструкционной прочности. Расчетная прочность может совпадать с кон- струкционной только при применении вероятностных методов с учетом рассеяния действующих факторов.

Вероятностные методы в расчетах на прочность находят применение для оценки надежности деталей и конструкций. Надежность – это свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение необходимого промежутка вре-мени или необходимой наработки. Каждое свойство имеет меру. В области прочности такой мерой свойства детали выполнять заданные функции яв-ляется значение какой - либо характеристики детали в сравнении с макси-мально возможной в эксплуатации. По отношению к конкретной детали -это фактический коэффициент запаса n. В отношении к совокупности из-делий применяется понятие вероятности. В этом случае надежность - это вероятность выполнения заданных функций отдельными изделиями при наличии большого количества однотипных изделий, которые образуют данную совокупность. Если само изделие представляет сложную совокуп-ность отдельных элементов, каждый из которых может вызвать отказ, то надежность в данном случае - это вероятность выполнения системой за-данных функций в определенных условиях в течение необходимого пери-ода времени. Относительно расчетов на прочность, когда необходимо, что-бы не наступило то или иное предельное состояние под надежностью надо понимать вероятность ненаступления предельных состояний, ограничива-ющих нормальную работу изделия.

Сближение, а в некоторых случаях и совпадение расчетной и кон-струкционной прочности обеспечиваются системой различных мероприя-тий. В области расчетов это достигается непрерывным усовершенствова-нием расчетных методов.

Если расчетная прочность выше конструкционной, то при неболь-ших коэффициентах запаса не исключены выходы конструкции из строя по причине наступления предельного состояния. Если расчетная прочность ниже конструкционной, то это означает, что допущен перерасход металла. Для совпадения расчетной и конструкционной прочности необходимо вы-полнение следующих условий:

- правильный выбор предельных состояний, по которым производит- ся определение прочности;

- в пределах каждого из рассматриваемых предельных состояний вы- бор таких показателей, которые наилучшим образом подходят для количе-ственного определения величины несущей способности;

- применение такого аппарата теории, который бы позволял вычис-лить запасы прочности или вероятность разрушения на основе использо-вания простейших характеристик металла;

- учет в расчетах дополнительных факторов (факторов условий рабо- ты), которые в используемом расчетном методе не являются основными (например, схемы напряженного состояния, неоднородности свойств мета-лла; наличие дефектов, собственных напряжений; температура, характер действующих нагрузок, среды, статистическое рассеяние характеристик металла и др);

- использование коэффициентов запаса при правильно выбранных расчетных предельных состояниях является методом назначения таких условий эксплуатации (уровня напряжений, числа нагружений) по сравне-нию с расчетной прочностью, при которых неблагоприятное рассеяние факторов, не учтенных расчетом, не понизит конструкционную прочность изделия до уровня, соответствующего эксплуатационным условиям;

- при применении вероятностных методов расчета обходятся без ко -

эффициентов запаса, а оперируют допустимой вероятностью разрушения. В этом случае только при правильно учтенных факторах возможно совпа-дение расчетной и конструкционной прочности в том смысле, что совпадут средние величины, законы распределения и дисперсии расчетной и конст-рукционной прочности.

На стадии проектирования кроме выполнения задач, связанных со служебным назначением конструкции, стремятся принимать такие реше-ния, которые бы по возможности исключали действие неясных в расчет-ном и физическом плане факторов (например, назначают такие формы кон-струкции, которые позволяют определить в них напряжение; применяют апробированные материалы и др). Если металл чувствителен к концентра-ции напряжений, необходимо в расчете учитывать трещину, эквивалент-ную дефекту, который может быть выявлен. При разработке технологии сварки необходимо стремиться устранить те факторы, которые трудно учесть расчетом. Например, термическая обработка устраняет неоднород-ность механических свойств, снимает остаточные напряжения, наличие ко-торых трудно учесть, правкой устраняются несовершенства геометричес-кой формы, которые могут вызывать концентрацию напряжений, не пре-дусмотренную расчетом. Проводится контроль готовых изделий с целью выявления возможных дефектов, которые, как правило, расчетом не учи-тываются. Ответственная продукция подвергается испытаниям при повы-шенных нагрузках, что является эффективным средством повышения веро-ятности их неразрушимости и сближения расчетной и конструкционной прочности.

В некоторых случаях осуществляют контроль неразрушающими ме-тодами с целью обнаружения дефектов, которые могли появиться в проце-ссе эксплуатации.

Перечисленные выше мероприятия являются общими (не конкрети-зированными), потому что каждое из них настолько обширно, что может явиться предметом деятельности проектного института, лаборатории, за-вода.

Дата добавления: 2014-11-16