Устойчивость к повреждениям - это свойство конструкции, связанное с ее способностью безопасно выдерживать дефекты до тех пор, пока не будет произведен ремонт. Подход к инженерному проектированию для учета устойчивости к повреждениям основан на предположении, что дефекты могут существовать в любой конструкции, и такие дефекты распространяются по мере использования. Этот подход обычно используется в аэрокосмической технике , машиностроении и гражданском строительстве для управления расширением трещин в конструкции за счет применения принципов механики разрушения.. В инженерном деле конструкция считается устойчивой к повреждениям, если была реализована программа технического обслуживания, которая приведет к обнаружению и ремонту случайных повреждений, коррозии и усталостного растрескивания до того, как такое повреждение снизит остаточную прочность конструкции ниже допустимого предела.
История
Сооружения, от которых зависит человеческая жизнь, давно признаны нуждающимися в элементе отказоустойчивости . При описании своего летательного аппарата Леонардо да Винчи отметил, что «при конструировании крыльев нужно сделать так, чтобы один пояс выдерживал нагрузку, а более свободный - в одном и том же положении, чтобы, если один сломается под действием напряжения, другой будет в состоянии обслуживать та же функция ". [1]
До 1970-х годов преобладающая инженерная философия конструкции самолета заключалась в том, чтобы обеспечить поддержание летной годности с одной сломанной частью, требование избыточности, известное как отказоустойчивость . Однако успехи в механике разрушения , а также печально известные катастрофические отказы из-за усталости, например, в случае с de Havilland Comet, вызвали изменение требований к самолетам. Было обнаружено, что явление, известное как множественное повреждение, может вызвать множество мелких трещин в конструкции, которые медленно растут сами по себе, со временем соединяться друг с другом, создавая трещину гораздо большего размера и значительно сокращая ожидаемое время до отказа [2 ]
Структура безопасной жизни
Не вся конструкция должна демонстрировать заметное распространение трещин, чтобы гарантировать безопасность эксплуатации. Некоторые конструкции работают в соответствии с принципом проектирования с безопасным сроком службы , когда за счет сочетания испытаний и анализа принимается чрезвычайно низкий уровень риска , согласно которому деталь никогда не образует обнаруживаемую трещину из-за усталости в течение срока службы детали. Это достигается за счет значительного снижения напряжений ниже типичной усталостной способности детали. Безопасные для жизни конструкции используются, когда стоимость или неосуществимость инспекций перевешивает потерю веса и затраты на разработку, связанные с безопасными для жизни конструкциями. [1] Примером безопасного компонента является лопасть винта вертолета . Из-за чрезвычайно большого количества циклов, которым подвергается вращающийся компонент, необнаруживаемая трещина может вырасти до критической длины за один полет и до того, как самолет приземлится, что приведет к катастрофическому отказу, который невозможно предотвратить при регулярном техническом обслуживании.
Анализ устойчивости к повреждениям
Для обеспечения продолжительной безопасной эксплуатации устойчивой к повреждениям конструкции разрабатываются графики проверок. Этот график основан на многих критериях, в том числе:
- предполагаемое начальное поврежденное состояние конструкции
- напряжения в конструкции (как усталостные, так и максимальные эксплуатационные напряжения), которые вызывают рост трещин из поврежденного состояния
- геометрия материала, усиливающая или уменьшающая напряжения в вершине трещины
- способность материала противостоять растрескиванию из-за напряжений в ожидаемой среде
- наибольший размер трещины, который может выдержать конструкция до катастрофического разрушения
- вероятность того, что конкретный метод проверки обнаружит трещину
- приемлемый уровень риска полного разрушения определенной конструкции
- ожидаемая продолжительность после изготовления до образования обнаруживаемой трещины
- предположение об отказе в соседних компонентах, что может повлиять на изменение напряжений в интересующей конструкции
Эти факторы влияют на то, как долго конструкция может нормально работать в поврежденном состоянии, прежде чем через один или несколько интервалов проверки появится возможность обнаружить поврежденное состояние и произвести ремонт. Интервал между проверками должен быть выбран с учетом определенного минимального уровня безопасности, а также должен уравновешивать расходы на проверки, снижение веса за счет снижения усталостных напряжений и альтернативные издержки, связанные с выходом конструкции из строя для технического обслуживания.
Неразрушающий контроль
Производители и операторы самолетов, поездов и гражданских инженерных сооружений, таких как мосты, финансово заинтересованы в том, чтобы график инспекций был как можно более рентабельным. В примере с самолетом, поскольку эти конструкции часто приносят доход, существуют альтернативные издержки, связанные с техническим обслуживанием самолета (упущенная выручка от продажи билетов), в дополнение к стоимости самого обслуживания. Таким образом, это техническое обслуживание желательно выполнять нечасто, даже когда такие увеличенные интервалы вызывают повышенную сложность и стоимость капитального ремонта. Рост трещины, как показывает механика разрушения , носит экспоненциальный характер; Это означает, что скорость роста трещины является функцией показателя текущего размера трещины (см. закон Парижа ). Это означает, что только самые большие трещины влияют на общую прочность конструкции; небольшие внутренние повреждения не обязательно снижают прочность. Стремление к нечастым проверкам в сочетании с экспоненциальным ростом трещин в структуре привело к разработке методов неразрушающего контроля, которые позволяют инспекторам искать очень крошечные трещины, часто невидимые невооруженным глазом. Примеры этой технологии включают вихретоковую , ультразвуковую , дефектоскопическую и рентгеновскую проверку. Выявляя структурные трещины, когда они очень малы и которые медленно растут, эти неразрушающие проверки могут сократить количество проверок технического обслуживания и позволить выявить повреждения, когда они небольшие, и при этом не требует больших затрат на ремонт. Например, такой ремонт может быть выполнен путем сверления небольшого отверстия на вершине трещины, что позволяет эффективно превратить трещину в вырез в замочной скважине . [3]
Рекомендации
- ^ a b Риддик, HK (1984), Безопасный для жизни и устойчивый к повреждениям подход к проектированию для лаборатории прикладных технологий конструкций вертолетов (PDF) , Исследовательские и технологические лаборатории армии США (AVRADCOM), Вирджиния
- ^ Бретт Л. Андерсон; Чинг-Лун Сюй; Патрисия Дж. Карр; Джеймс Дж. Ло; Jin-Chyuan Yu & Cong N. Duong (2004), Оценка и проверка передовых методов оценки множественных повреждений конструкции самолета (PDF) , Управление авиационных исследований, Министерство транспорта США, Федеральное управление гражданской авиации, заархивировано с оригинала (PDF) 18 октября 2011 г. , данные получены 1 июня 2016 г.
- ^ Лю, М .; и другие. (2015). «Усовершенствованное полуаналитическое решение для определения напряжений в зубцах с закругленными концами» (PDF) . Инженерная механика разрушения . 149 : 134–143. DOI : 10.1016 / j.engfracmech.2015.10.004 .
дальнейшее чтение
- Пегги К. Мидлар; Алан П. Беренс; Аллан Гандерсон и Дж. П. Галлахер, « Руководство по проектированию устойчивых к повреждениям»: Руководство по анализу и проектированию устойчивых к повреждениям конструкций самолетов , Исследовательский институт Дейтонского университета, заархивировано из оригинала 1 июля 2016 г. , извлечено 1 июня 2016 г.