Тема 1. Лекция 1 роль исследований разрушения при проектировании
 Скачать 107.55 Kb.
|
|
Лекция 1 РОЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИИ 1.1. ВВЕДЕНИЕ Механическое разрушение можно определить как любое изменение размера, формы или свойств материала конструкции, машины или отдельной детали, вследствие которого конструкция или машина уже не может удовлетворительно выполнять свои функции. Основной задачей конструктора является создание такой конструкции, которая выполняла бы предназначенные ей функции в течение заданного срока и при этом была бы конкурентоспособной. Успешное создание конкурентоспособных изделий, которые не разрушались бы преждевременно, может быть осуществлено лишь при умении предвидеть и оценивать вероятность всех возможных видов разрушения, представляющих опасность для создаваемых изделий. Чтобы выявить возможные виды разрушения, необходимо по крайней мере иметь представление о всех встречающихся на практике видах разрушения и об условиях, при которых они могут происходить. Если конструктор желает добиться успеха в предотвращении разрушения в течение заданного срока эксплуатации изделия, он должен хорошо владеть аналитическими и (или) эмпирическими методами оценки возможности разрушений. Ясно, что исследование разрушения, его предсказание и предотвращение являются важнейшими задачами конструктора, желающего добиться определенного успеха. 1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Проектирование представляет собой итерационный процесс , целью которого является создание новой или усовершенствование уже существующей технической системы (или устройства) для удовлетворения потребностей или желаний человека при условии экономного расходования ресурсов и соблюдении требований охраны окружающей среды . Данное определение содержит несколько определяющих конструкторскую деятельность понятий. Основной целью любого технического проекта является удовлетворение потребностей или желаний человека, иначе это будет для инженера пустой тратой времени. Создает ли конструктор новое устройство или модернизирует уже существующее, он должен стремиться создать «наилучшую», или оптимальную, конструкцию с учетом, конечно, ограниченности выделенных ему времени и средств. К сожалению, при создании сложных технических систем условия абсолютной оптимальности конструкции зачастую невозможно определить, а тем более практически невозможно создать такую конструкцию. Если даже и удастся определить условия оптимальности конструкции, создание ее может потребовать очень больших затрат. Конкуренция часто требует улучшения характеристик конструкции, увеличения срока ее эксплуатации, снижения веса или уменьшения стоимости. Это означает, что конкуренция вызывает необходимость оптимизации конструкции инженерными средствами по ее характеристикам, сроку эксплуатации, весу, стоимости или по всем этим критериям одновременно при условии, конечно, осознания ответственности за сохранность ресурсов и окружающей среды. 1.3. ОСНОВНАЯ ПРОБЛЕМА За последние три или четыре десятилетия технические достижения стали настолько привычными для общества, что в будущем несомненны новые, более впечатляющие успехи. Появление новых материалов, необходимость повышения эксплуатационных скоростей и температур, необходимость снижения веса, уменьшения объема, увеличения сроков эксплуатации, снижения стоимости и достижения экологической совместимости — все это вызывает необходимость совершенствования методов расчета. Например, обычными становятся скорости вращения вала 30 000 об/мин и более и температура эксплуатации 1100°С и выше. Многим инженерам приходится иметь дело с режимами сверхзвуковых полетов и космическими условиями, ядерным облучением в сочетании с повышенными температурами и длительным воздействием динамических нагрузок. Не менее серьезные проблемы возникают в связи с созданием сверхминиатюрной техники протезов для сердечно-сосудистой системы или других органов человека. Все это вынуждает конструкторов и расчетчиков более тщательно исследовать поведение материалов, внимательнее изучать особенности условий эксплуатации, добиваться лучшего понимания причин разнообразных видов механического разрушения. Возникает необходимость лучшего понимания особенности напряженно-деформированного состояния при динамическом нагружении в не благоприятных условиях и влияния полей остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления. Осознание того, что во всех реальных материалах и конструкциях с самого начала существуют трещиноподобные дефекты, заставило разработать новые методы, позволяющие исследовать распространение трещин в условиях как монотонных, так и циклических нагружений. Возможность контроля и ремонта стали такими же важными критериями качества конструкции, как надежность и работоспособность. Противоречивым требованиям увеличения мощности и уменьшения размеров можно удовлетворить, либо (1) разрабатывая новые, более прочные и жесткие материалы, либо (2) эффективнее используя имеющиеся материалы. Первая из этих возможностей относится к области материаловедения и акцентировать внимание на ней не будем. Вторая же возможность является основной задачей конструкторов и расчетчиков — именно она представляет для нас интерес, о ней и будем говорить в дальнейшем. Для более эффективного использования прочностных и жесткостных свойств существующих современных материалов, в условиях постоянно возрастающих требований к технике завтрашнего дня, конструктору требуется в полной мере использовать доступные ему аналитические методы расчета, инженерный опыт, творческую выдумку и интуицию. 1.4. НЕКОТОРЫЕ ЦЕЛИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В некотором смысле «идеальной» конструкцией была бы такая, которая полностью разрушилась бы по истечении заранее заданного срока. Другими словами, каждая деталь каждого элемента машины должна быть спроектирована так, чтобы она обращалась в пыль в точно заданный момент времени (равнопрочная конструкция). Однако по многим причинам создание такой конструкции невозможно и, вероятно, даже нежелательно, хотя именно в такой конструкции наиболее полно использовались бы возможности материала. Единственным, пожалуй, примером подобной конструкции может служить тонкостенный сферический сосуд, находящийся под внутренним давлением. Если бы можно было изготовить такую «идеальную» конструкцию, непременно потребовались бы проведение уточненных исследований, большого количества сложных экспериментов, полного анализа всех свойств материала, а также точное задание эксплуатационных условий и, конечно, талантливый конструктор, который мог бы осуществить все это. Поскольку проведение таких исследований требует больших затрат как времени, так и средств, грамотный инженер должен в каждом конкретном случае уметь оценить целесообразность затрат средств и труда. Ясно, что так называемая идеальная конструкция, стоимость которой в десять раз превышает стоимость «неидеальной», но вполне приемлемой конструкции, не является целесообразной и рациональной. Единственным исключением, пожалуй, является случай, когда речь идет о конструкциях авиационной и, особенно, космической техники. Вопрос о том, когда следует остановиться при расчетах и приступить к изготовлению конструкции, является основным для каждого инженера и руководителя. Чтобы выяснить, достигнуты ли основные цели проектирования, обычно анализируются и учитываются следующие факторы: 1. Все детали машины или конструкции должны передавать нагрузку и совершать необходимые движения эффективно и экономично. 2. Ни одна деталь не должна разрушаться раньше некоторого заданного срока эксплуатации. 3. Каждая деталь должна выполнять предназначенную ей функцию, не мешая функционированию других частей машины. 4. Деталь должна быть такой, чтобы ее можно было изготовить и смонтировать в машине. 5. Стоимость готовой детали должна соответствовать ее назначению и не быть чрезмерной. 6. Вес детали и занимаемый ею объем должны соответствовать назначению. 7. Должна быть обеспечена возможность обслуживания и ремонта в процессе всего срока эксплуатации конструкции всех деталей, для которых это требуется. 8. Машина или конструкция должна не только удовлетворительно функционировать в течение заданного времени, но и быть конкурентоспособной и прибыльной для изготовителя. 1.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Хотя в последующих лекциях вопросы проектирования непосредственно не затрагиваются, все описанные методы и приемы исследований призваны помочь конструктору в достижении стоящих перед ним целей. Там, где это возможно, речь пойдет об аналитических методах, там же, где при исследовании и прогнозировании разрушения невозможно обойтись без эмпиризма, необходимо привлечение экспериментальных методов. Необходимо отметить, что методы предотвращения разрушений постоянно совершенствуются и изменяются. Посему данный курс ни в коем случае не является «последним словом»: он призван дать в руки инженера научно обоснованный и практически полезный инструмент, эффективность использования которого по мере накопления знаний и опыта будет увеличиваться. ВОПРОСЫ 1. Сформулируйте задачи, стоящие перед конструктором машин с улучшенными техническими характеристиками. 2. Определите термин техническое проектирование и поясните все важные понятия, использованные в этом определении. 3. Перечислите несколько факторов, по которым можно судить, насколько удачно спроектирована конструкция. 4. Укажите, от чего, по вашему мнению, зависит рыночная цена технического изделия, например газовой турбины самолета. Что из указанного непосредственно определяется качеством работы конструктора? 5. Выпишите формулы сопротивления материалов, которые могут быть полезными при расчете напряжений. Включите в ваш перечень случаи осевого нагружения, изгиба, давления штампа, чистого сдвига при кручении и поперечного сдвига. 6. Чрезвычайно важно правильно решить вопрос, когда следует закончить расчеты и приступить к производству. Изложите письменно (объемом около 300 слов) ваше мнение о том, какие факторы должны учитываться при решении этого вопроса. 7. Возможность контроля, ремонта, надежность и работоспособность являются важными показателями качества конструкции. Определите каждый из них и кратко поясните, почему эти показатели важны. 8. При каких обстоятельствах конструктор может использовать эмпиризм вместо высокоточных аналитических методов? |