книга1 с (Часть полезной книги), страница 14

•256

257

самыми простыми приемами контроля, да и вероятность появления крупных дефектов к тому же мала. Высокопрочные материалы разрабатываются с целью эксплуатации их при высоком уровне напряжений Вследствие высоких напряжений и крайней

чувствительности этих материалов к концентраторам размеры до­пустимых концентраторов близки к разрешающей способности физических методов контроля. Частота появления дефектов, хотя и сократилась вследствие улучшения технологии, все же осталась на уровне, крайне осложняющем надежную безаварийную эксплуа­тацию конструкции. Недооценка опасности концентраторов, а в некоторых случаях и пренебре­жение их влиянием на первых порах применения высокопроч­ных материалов приводили к неожиданным разрушениям.

Аналогичная ситуация сло­жилась с усталостной прочно­стью конструкций (рис. 11.1,6). Высокую долговечность (число циклов нагружений N до разру­шения) элементов конструкций из высокопрочных материалов удается обеспечить только при весьма малых и На прак-

тике же приходится снижать до­пускаемые напряжения до уров­ня прочности низкопрочных ма­териалов ввиду наличия кон­ центрации напряжений. В про-_л тивном случае происходит неожиданная быстрая поломка конст­рукций, работающих при повышенных переменных нагрузках.

Широкое освоение районов Севера, Сибири и Дальнего Востока сопровождалось массовым применением техники, которая до этого зарекомендовала себя как вполне надежная в районах с умеренно низкими температурами. Большинство машин, как известно, изготов­ляется из дешевых конструкционных сталей, которые весьма хорошо работают при температурах, обеспечивающих их вязкое состояние, но имеют порог хладноломкости, ниже которого они крайне чувст­вительны к концентрации напряжений и способны хрупко разру­шаться. Это обстоятельство не было учтено не только эксплуата­ционниками, но на первых порах и конструкторами, которые до­пускали использование в машинах северного исполнения слабо­хладостойких сталей, что привело ко многим случаям разрушений. Третьей существенной причиной, порождающей несовпадение расчетной и конструкционной прочности; является неправильный выбор предельных состояний и критериев для оценки прочности конструкций. Это не только снижает ценность и достоверность рас­четных методов, но и отрицательно сказывается на квалифициро*

Щ

ванном подходе к оценке конструкционной прочности-при испыта-нии изделий и принятии решения об их массовом изготовлении.

Широко распространенным примером неправильного выбора предельного состояния является расчет сварной конструкции по предельному состоянию наступления текучести, в то время как она должна быть рассчитана на выносливость по предельному состоянию разрушения от усталости или на сопротивляемость разрушению при низких температурах из-за концентрации напряжений.

Много совершается ошибок по причине неправильного выбора критериев. Например, иногда в качестве критерия работоспособ­ности используют ударную вязкость металла. Однако несоответствие коэффициента концентрации на­пряжений в лабораторном образце размером 10 10 55 мм с тем, что есть в конструкции, не позво­ляет переносить эти результаты на оценку изделия.

производные от них, в том числе и работу. Главное отличие д е -формационных крите­риев от силовых состоит в том,

Иногда ошибки в оценке не­сущей способности совершаются из-за использования только си­ловых критериев вместо комбинации их с деформационны­ми. Заметим, что все имеющееся многообразие критериев имеет в качестве первичной (эксперимен­тальной) информации либо силу, либо перемещение — остальные величины определяют расчетом как производные от них, в том числе и работу. Главное отличие д е -формационных крите­риев от силовых состоит в том, что деформационные критерии "

одинаково хорошо чувствительны к изменению коэффициента кон­центрации напряжений (рис. -11.2) во всем диапазоне его измене­ния, в то время как силовые критерии хорошо реагируют на изме­нение , пока среднее напряжение остается ниже . В диапазоне относительно небольших что как раз характерно для большин­ства конструкций, силовые критерии менее представительны, в осо­бенности если разница между и невелика. Например, при испытании сосудов давления из высокопрочных сталей, качество изготовления которых удовлетворяет некоторому минимуму так, что уровни разрушающих напряжений отличаются

слабо. Заключение о качестве технологии и сварных соединений в отношении концентрации напряжений в них можно дать только до величине средней окружной разрушающей деформации сосуда [52]. При определении лишь объективную оценку дать трудно. Критерий критического раскрытия конца трещины перед разру­шением также имеет преимущество перед силовыми критериями,

2Ш

если конструктивные элементы разрушаются после протекания, пластической деформации. Испытания на малоцикловую усталость, когда число циклов не превышает Ш⁴—10⁸, чаще проводят, регла­ментируя деформацию цикла, а не напряжение.

Четвертая причина состоит в вероятностной природе формиро­вания конструкционной прочности. Здесь есть два аспекта. Один связан с комбинацией различных факторов и их неблагоприятным сочетанием. А второй заключается в том, что каждый из факторов имеет рассеяние. Возможности статистического подхода в настоя­щее время используются лишь в отдельных случаях, например в расчетах на усталость. В обозримом будущем невозможность учета статистической природы формирования конструкционной прочности будет одной из главных причин отклонения расчетной прочности от действительной.

Расчетная прочность может совпадать с конструкционной только при применении вероятностных методов расчета с учетом рассеяния действующих факторов. При детерминистическом подходе к расчету одному полученному расчетному уровню прочности будет всегда соответствовать некоторая совокупность неодинаковых результа­тов фактически наблюдаемой конструкционной прочности в не­скольких опытах.

Пятая причина связана с вероятностным характером появления и распределения дефектов в сварных конструкциях, что трудно учесть заранее. Во-первых, возможно появление дефектов там, где они раньше отсутствовали и не требовали постоянного и сплош­ного контроля продукции. Во-вторых, разрешающая способность методов контроля гарантирует высокую вероятность обнаружения дефектов только выше определенного размера. При некоторых малых размерах дефектов вероятность их обнаружения резко па­дает. В-третьих, всегда возможен случайный пропуск опасного дефекта, который должен был быть выявлен методами контроля. Это создает в большой партии проконтролированных изделий не­которую вероятность разрушимости, которая зависит от вероят­ности пропуска опасного дефекта.

§ 2. Рассеяние характеристик механических свойств

металлов, геометрических размеров элементов, нагрузок

и вероятностные методы оценки прочности

Сопоставляя между собой расчетную и конструкционную проч­ность, необходимо иметь в виду один из важнейших факторов, влияющих на несущую способность конструкции, — фактор рассея­ния механических свойств металлов, геометрических размеров се­чений и действующих нагрузок. Конструкционная прочность, объек­тивно отражающая влияние рассеяния, всегда по своей природе является величиной, изменяющейся в довольно широких пределах. Обычно,пользуются сравнением некоторых средних значений фак­тической конструкционной прочности и расчетной. Даже при их совпадении остается открытым вопрос о возможном рассеянии кон-

струкционной прочности и вероятности достижения отдельными экземплярами изделий предельных состояний.

Возможна оценка прочности по крайне неблагоприятному соче­танию всех входящих в расчет величин. При небольшом числе факторов, каждый из которых имеет небольшое рассеяние, резуль­тат может получиться вполне удовлетворительным, указывающим на полную невозможность наступления предельного состояния при эксплуатационных напряжениях. Однако в ряде случаев, особенно при значительном рассеянии факторов, такая оценка дает весьма низкие уровни несущей способности, а из-за отсутствия информа­ции о вероятности наступления . предельного состояния трудно решить вопрос о возможности эксплуатации таких изделий. Рассмотрим некоторые примеры влияния рассеяния на проч­ность.

Такие характеристики метал­ла, как отличаются от образца к ооразцу даже в пределах одного листа металла, а тем более в различных листах. Характер наблюдаемых рассея­ний показан на рис. 11.3. Такие диаграммы строят по результа­там испытаний большого числа образцов. По вертикальной оси можно при этом откладывать либо число появлений резуль­тата т, либо частость относительную частоту появления результата в долях единицы или в процентах, как это представлено на рис. 11.3. Величина п означает полное число испытанных образцов. Отдельные точки на диаграмме соответствуют появлению какого-либо результата в заданном интервале изменения величины, например в интервале 10 МПа, Изменение интервала при обработке одних и тех же результатов ведет к изменению частоты и частости.

Эмпирическая диаграмма частот называется гистограммой. Сред­нее значение случайной величины, например для временного сопро­тивления обозначается как и вычисляется по формуле

(11.1)