Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Механика разрушения. Разрушение конструкций.pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
10.82 Mб
Скачать

МЕХАНИКА

НОВОЕ В ЗАРУБЕЖНОЙ НАУКЕ

РЕДАКТОРЫ с е р и и : а .ю .и ш л и н с н и й , г . г . ч е р н ы й

МЕХАНИКА

РАЗРУШЕНИЯ

РАЗРУШЕНИЕ

КОНСТРУКЦИЙ

РЕДАКТОР Д. ТЭПЛИН

Перевод с английского

под редакцией

Р. В. ГОЛЬДШТЕЙНА.

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА 1980

Сборник является продолжением и естественным дополнением книги «Механика разрушения. Разрушение материалов» и содержит переводы части заказных, в основном обзорных, докладов, прочи­ танных на IV Международном конгрессе по разрушению (Ватерлоо, Канада, июнь 1977) и посвященных главным образом механике раз­ рушения конструкций, а также некоторым общим вопросам меха­ ники разрушения. Рассмотрены инженерные методы оценки работо­ способности конструкций (сосудов давления, трубопроводов, мостов, самолетов, судов и т. д.) с учетом наличия трещин и трещинопо­ добных дефектов. Современное состояние проблем механики разру­ шения обсуждается в обзорном докладе проф. Б. Билби.

Сборник полезен специалистам по механике и физике деформи­ руемых сред, материаловедам, инженерам, конструкторам, а также студентам и аспирантам, специализирующимся по указанным на­ правлениям механики и инженерного дела.

Редакция литературы по математическим наукам

1703040000

 

 

М

20304-048

48-80

© «Мир», 1980

 

041(01)-80

 

ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Летом 1977 г. в г. Ватерлоо (Канада) состоялся IV Ме­ ждународный конгресс по разрушению. По предложению Оргкомитета на конгрессе было сделано 40 заказных (преиму­ щественно обзорных) и более 300 ординарных докладов. Пе­ реводы части заказных докладов, прочитанных на этом Кон­ грессе, выпускаются издательством «Мир» в двух сборниках; первый вышел из печати!) и состоит из работ, связанных с анализом разрушения материалов как под действием ме­ ханических нагрузок, так и с учетом влияния активных сред (в частности, при водородном растрескивании). В предисло­ вии к этому сборнику дана общая характеристика основных направлений разрушения, представленных на конгрессе.

Предлагаемый читателю второй сборник содержит ра­ боты, посвященные преимущественно вопросам разрушения конструкций, а также и некоторые доклады по теоретическим аспектам механики разрушения. Следует отметить, что деле­ ние материала на два сборника весьма условно, поскольку различные аспекты механики разрушения тесно связаны ме­ жду собой. Содержание работ ясно из предпосланных им ре­ зюме. Среди авторов такие известные ученые, как Б. Билби, М. Каннинен, Г. Либовиц, Я. Немец, Е. Смит, А. Тетельман,

Г.Хан, Т. Екобори.

Всборнике помещено дополнение, в котором рассматри­ ваются некоторые вопросы практического применения меха­ ники разрушения для анализа поведения конструкций с тре­ щиноподобными образованиями и создания норм дефектно­

сти, тесно связанные с содержанием приводимых докладов и преимущественно также обсуждавшиеся на конгрессе.

Следует отметить, что уже сегодня в ряде отраслей про­ мышленности для ответственных конструкций имеются нор­ мы на допустимые в условиях эксплуатации размеры тре­ щин. В качестве примера укажем американские нормативы

‘) Механика разрушения. Разрушение материалов: Сб, дтатей, 1977,— М.: Мир, 1979.

для сосудов давления, применяемых в ядерной энергетике1). Созданию норм дефектности на основе механики разрушения уделяется все большее внимание. Уже после конгресса со­ стоялась международная конференция по этому вопросу*2).

Представляется, что данный сборник, как и первый, бу­ дет полезен не только специалистам, работающим в области механики и физики разрушения, механики деформируемых сред, но также инженерам-конструкторам, материаловедам, технологам.

 

 

 

Р. В. Гольдштейн

*)

ASME.

Boiler and Pressure

Vessel Code, Section III. — New York,

1971;

Summer

1971 Addenda; Winter

1971 Addenda; Summer 1972 Addenda;

Winter 1972 Addenda, Section XI, Rules for inservice inspection of nuclear power plant components, 1977.

2) Conference on "Tolerance of flaws in pressurized components” , Lon­ don, 16—18th May 1978.

ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛИЗА РИСКА

КИССЛЕДОВАНИЮ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

ИУСТАЛОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

А.Тетельман, Я. Безунер

Описаны основные этапы применения анализа риска при проектирова­ нии конструкций, включающие определение, расчет и оценку частоты данкого типа разрушения, степени опасности (или интенсивности) и связан­ ного с этим риска. Разработанные методы исследования степени риска использованы для определения опасных с точки зрения разрушения эле­ ментов подвесных мостов и автомобильных систем управления. Основной особенностью развитых методов является наглядно показанное усовершен­ ствование статистического анализа эксплуатационных характеристик кон­ струкций благодаря привлечению минимального количества инженерных методов анализа разрушения.

1. ВВЕДЕНИЕ

Целью оптимального проектирования конструкций являет­ ся достижение надежной эксплуатационной характеристики при минимуме затрат. Тогда как «затраты» и «характери­ стика» определяются стандартными экономическими мето­ дами, слово «надежная» весьма неопределенно. Оно связано с возможностью и последствиями разрушения и влиянием этих последствий на обслуживающий персонал. Например, хрупкое разрушение стеклянного стакана, упавшего на пол, нежелательное, но не катастрофическое событие. И хотя оно случается довольно часто, его последствия, как правило, не­ значительны и редко приводят к серьезным повреждениям и несчастьям. С другой стороны, разрушение крупных сооруже­ ний, таких, как подвесной мост, имеет серьезные послед­ ствия, связанные с человеческими жертвами и экономиче­

скими потерями.

Основные положения анализа риска могут быть использо­ ваны, если степень риска приемлема для общества, а следо­ вательно, приемлема надежность крупных сооружений. Риск или опасность, связанная с использованием данной детали или конструкции, зависит от частоты f и интенсивности 5 ава­ рий, происшедших в результате ее использования или под­ верженности ее воздействию. Авария, ведущая к пренебре-

©1978 Pergamon Press. Inc.

©Перевод на русский язык, «Мир», 1980

жимо малым проявлениям повреждения и не приводящая к увечьям обслуживающего персонала (интенсивность равна нулю), называется «инцидентом» (например, разрушение стакана с водой). Авария, имеющая прямые последствия (интенсивность больше нуля), называется несчастным слу­ чаем. Что касается несчастных случаев, последовавших в результате хрупкого разрушения, то их частота равна вероят­ ности р того, что данный элемент будет разрушен вслед­ ствие быстрого распространения трещины (возможно, после того, как усталость приведет к развитию трещины до кри­ тического размера). Интенсивность S может измеряться де­ нежным (долларовым) эквивалентом ущерба, нанесенного аварией, последовавшей в результате разрушения, числом потерь рабочих дней (простоев) или степенью тяжести пер­ сональных увечий.

Риск можно определить в виде показателя опасности /, выраженного как произведение вероятности аварии f на среднюю интенсивность 5 для данной детали:

I = f • S.

(1)

На основании этого риск, обусловленный большим числом малоопасных аварий, может быть равен риску, обусловлен­ ному одной аварией, имеющей серьезные последствия.

Степень приемлемости риска и его оправданность яв­ ляются настолько более сложными понятиями, что не могут быть определены точно. В конце концов обоснованность от­ дельного риска, «реального» или «осознанного» обществом, связана с общим уровнем риска, подверженность которому становится уже приемлемой или неизбежной (например, риск несчастья, обусловленный преклонным возрастом, болезнью). Этот вопрос обсуждался недавно подробно [1, 2].

Инженерные методы могут играть значительную роль в оценке как вероятности аварии, обусловленной различными событиями, так и диапазона интенсивности или последствий каждого конкретного события. На рис. 1 показана типичная зависимость частоты аварий от их интенсивности. Конкрет­ ные данные, показанные на графике, относятся к автомо­ бильным катастрофам. Масштаб интенсивности был получен путем комбинирования классификаций National Safety Coun­ cil Classification (несчастья, серьезные повреждения и т. д.) и U. S. Consumer Product Safety Classification (CPSC еди­ ницы интенсивности изменяются от 0 до 25 000). Из рис. 1 непосредственно следует несколько фактов. Во-первых, наи­ более интенсивные события происходят с меньшей частотой, чем менее интенсивные. Обратная зависимость между часто­ той и интенсивностью наблюдается во многих природных

ствует продолжению использования или восстановления кон­ струкции или детали, имеющей относительно высокую ско­ рость разрушения (документально подтвержденную значи­ тельным прошлым опытом эксплуатации), но для которой средняя интенсивность 5 мала. Если исход трех испытаний по­ зволяет утверждать, что серьезные несчастные случаи воз-

Р и с. 2.

Разбиение графика частота — интенсивность на

четыре области:

1 — частота f высока, интенсивность

S высока (риск велик); 2 f мала,

5 высока

(риск неопределен); 3 — /

мала, 5 мала (риск

мал); 4 — f вы­

 

сока, 5 мала (риск неопределен).

 

можны, то следует показать, может ли привести продолжение использования к 1) увеличению S, 2) увеличению f вслед­ ствие старения (т. е. усталости) и 3) комбинация f и S слишком велика, чтобы гарантировать безопасность и выгод­ ность восстановления изделия.

Вторая область (область 2) отвечает высокой интенсив­ ности, но низкой частоте событий. Здесь могут иметь место редкие неожиданные события высокой степени опасности (например, разрушение моста), последовавшие после огра­ ниченной эксплуатации, и необходимо определить риск, свя­ занный с продолжением работы подобных конструкций. В осо­ бенности необходимо определить, может ли быть достигнуто

безопасное функционирование таких конструкций путем сни­ жения уровня рабочих напряжений на заданную величину, скажем на 20%, или путем увеличения периодичности конт­ роля неразрушающими методами, скажем в два раза, или путем того и другого. Вероятно, это может относиться и к событиям с высокой реальной или ощущаемой степенью опасности, когда аварии не имели места после ограничен­ ной эксплуатации (например, катастрофическое разрушение ядерного сосуда давления). В этих случаях значение f столь неопределенно1), что наличия результатов удачного (и не­ удачного) испытания недостаточно для надежного предска­ зания риска. Оценки риска должны базироваться на истории эксплуатации подобных сооружений (например, сосудов вы­ сокого давления) с учетом отличия в уровне рабочих напря­ жений, свойствах материала и техническом обслуживании между ядерными сосудами давления и сосудами высокого давления.

В течение трех последних лет Объединение по исследова­ нию разрушения (Failure Analysis Associates) разработало целый ряд методов оценки риска, связанного с разрушением механизмов и конструкций. Эти методы основаны на 1) ста­ тистическом анализе соответствующих эксплуатационных данных об авариях для определения надежности составных частей основных элементов конструкций и 2) использовании в минимальном объеме консервативных технических моде­ лей, что благодаря возможности изменения основных пара­ метров значительно расширяет исходные данные, а также

позволяет в случае их дефицита

давать

оценки надежности

с высокой степенью достоверности.

с техническим мо­

Сочетание эксплуатационных

данных

делированием называется комбинированным анализом (КА). В тех случаях, когда хрупкое разрушение определяет харак­ тер всего процесса разрушения, наиболее совершенным ана­ литическим аппаратом является статистическая механика разрушения (СМР). Этот аппарат позволяет распространить стандартную детерминистскую линейную механику разруше­ ния (ЛМР) на объекты с переменными параметрами К\с> da/dN и т. д. Комбинированный анализ использовался для оценки риска частых аварий невысокой степени опасности, таких, как разрушение деталей автомобиля, усталостное или

в

результате

износа, когда

процесс

разрушения

системы)i

 

i) Если скорость разрушения

постоянна, то лучшей оценкой / яв­

ляется нуль и верхняя оценка при 95%-ном

уровне степени

достоверно­

сти

fo.95 = 3,0/7\

где Т — полное

(малое) время воздействия,

а коэффи­

циент’3,0 основан на значении квантиля порядка 0,95 для распределения вероятности х2 с двумя степенями свободы.

контролируем и не ведет к тяжелым последствиям, сравнимым с таким большим бедствием, как разрушение моста. Оценки риска с помощью КА делались также и для крупных сооружений (мосты, супертанкеры, вышки высокочастотной элект­ ропередачи), имеющих составные части, подверженные рас­ тягивающим напряжениям в -окрестности температуры нуле­ вой пластичности (NDT). В этих случаях необходимо опре­ делить вероятность хрупкого разрушения основных элемен­ тов конструкций, особенно в отсутствие их избыточности, так как разрушение основных элементов может привести к пол­ ному разрушению очень большой интенсивности. Этим по­ следним аспектом исчерпывается основное содержание этого пленарного доклада.

2. РИСК ВЫХОДА МОСТА ИЗ СТРОЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

Для иллюстрации применения комбинированного анализа (КА) к оценке надежности конструкций остановимся на ре­ зультатах оценки риска, выполненных недавно Объедине­ нием по исследованию разрушения. В 1967 г. разрушение моста Пойнт Плезнт Бридж (ППБ) через реку Огайо при­ вело к гибели 46 человек и очень большим экономическим потерям. Авария произошла в результате разрушения кри­ тического элемента конструкции (стержня с проушинами) вследствие усталости и (или) коррозии с последующим хруп­ ким разрушением. Мост был изготовлен из стали марки 1060 и испытывал относительно высокие растягивающие напря­

жения (До = 264 МПа на поверхности стержней)

при тем­

пературе

ниже температуры

нулевой пластичности

NDT «

» 4 0 ° С ) .

К Объединению по

исследованию разрушения об­

ратились с запросом определить вероятность разрушения по­ добного моста, содержащего стержни с проушинами, но из­

готовленного из другой стали

(марки

1035) и подверженного

более

низким номинальным

напряжениям

(До =

141 МПа

на поверхности

стержней) при температуре

ниже

темпера­

туры

нулевой

пластичности

(TNDT »

20°С), на

основании

1) разрушения данного моста (одна экспериментальная точ­ ка), 2) отсутствия разрушения других стержневых мостов и 3) некоторых лабораторных испытаний. Ниже мы называем этот мост, подлежащий исследованию, как умеренно напря­ женный или УН-мост.

Все стальные мосты, будь то опорные или подвесные, содержат элементы, нагруженные растягивающими напря­ жениями. Подвесные и консольные мосты буквально подве­ шиваются стальными тросами или лее стержневыми связями,

сделанными из наборов стержней с проушинами (называе­ мых так в силу их формы). Эти стержни стягиваются бол­ тами в соединения из двух и более. В случаях, когда связь состоит только из двух стержней, нагрузки таковы, что при разрушении одного из стержней второй не может выдержать внезапно приложенной полной нагрузки. Такое нагружение, следовательно, является «неизбыточным» в том смысле, что разрушение одного стержня ведет к разрушению всей связи. Если же связь, содержащая два стержня, в свою очередь также неизбыточна в отношении всего моста в целом, разру­ шение стержня ведет к полному выходу его из строя. Это и имело место в случае разрушения моста «Пойнт Плезнт Бридж». Однако в большинстве мостовых конструкций число стержней, соединяемых в звено связи, велико (до 12), и если один, два или даже несколько стержней разрушается, звено не будет разрушено. В таких случаях разрушение одного стержня не всегда ведет к разрушению связи и выходу моста из строя.

Мост, который мы анализировали, содержал несколько двухстержневых неизбыточных звеньев, таких, что разруше­ ние одного из стержней, возможно, могло бы привести к раз­ рушению всего моста. Поэтому для оценки надежности мостовой конструкции необходимо было определить вероят­ ность разрушения одного стержня. Как и в большинстве во­ просов, связанных с надежностью конструкций, для сравне­ ния в первую очередь необходимо было найти и исследовать существующие данные по разрушению и получить информа­ цию о скорости разрушения. Для определения скорости раз­ рушения были применены инженерные методы анализа на­ пряженного состояния и методы механики разрушения, поз­ воляющие учесть разницу в уровне напряжений, свойствах материалов и других важных параметрах между исследуемым мостом и теми, информация о которых была использована.

В таблице объединены данные о мостах с различными характеристиками. Первая колонка составлена по всем мо­ стам, имеющимся в описи. Приведенные данные говорят об очень низкой скорости разрушения (примерно 10"6 разру­ шений мостов в год). Девять из десяти аварий приходятся на сварные и стальные опорные мосты, а не на консольные и стержневые.

Разновидности консольных и подвесных мостов, имею­ щие тот же тип, что и оба рассматриваемых нами моста, были также рассмотрены отдельно. Так как стальных под­ весных мостов оказалось только 64 и разрушился из них только один (мост «Пойнт Плезнт Бридж»), качество оценки скорости разрушения всех стальных подвесных мостов было

Таблица

Оценочные скорости разрушения мостов федеральных средств сообщения

 

Число

МОСТОВ \

Время эксплуатации

Число раз­

 

(в годах)

рушений

64

 

 

 

2,473 • 103

1

(стальные, стальные

не­

 

прерывные,

подвесные)

 

262 698

 

 

1,05 • 107 *)

10

(Национальный

реестр

 

всех

мостов

федераль­

 

ных

путей

сообщения

 

США)

 

 

 

 

3

 

 

 

128

1

(имеют стержни из ма­

 

териала марки

1060)

 

 

14

 

 

 

550

0

(имеют стержни из мате­

 

риала

марки 1035)

 

 

Скорость разруше­

ния (число разру­ шенных мостов

в год)

4,04 • 10"4

50 СЛ

О

7,9 • 10

0

*) Среднее время эксплуатации одного моста принято равным 40 годам.

относительно высоким. Три1) из 64 мостов имели стержни из стали марки 1060, подверженные относительно высоким уровням напряжений. Скорость разрушения их очень вы­ сока (8*10“3 разрушений мостов в год). Из оставшихся 61 моста 14 изготовлены из стали марки 1035 и состоят из стержней, работающих при умеренных уровнях рабочих на­ пряжений или более низких.

По этим 14 мостам удалось получить точную документа­ цию о числе разрушений стержней с характерным для рас­ сматриваемого моста уровнем напряжений. Мы определили,

что в

течение

40 лет не был

разрушен

ни один из

17600

стержней,

подверженных

умеренным

напряжениям

(следовательно, наилучшей оценкой скорости разрушения яв­ ляется нуль). Однако этой вычисленной скорости разрушения недостаточно для оценки риска, так как при относительно не­ большом объеме эксплуатационных данных верхняя граница оценки, отвечающая 95%-ной степени достоверности, может оказаться неприемлемо высокой (5*10-3 разрушений мостов в год). Следовательно, необходимо было видоизменить смысл

*) Мост ППБ и два других моста, один из которых (мост Святой Марии) такой же, как мост ППБ, был закрыт, а другой, имеющий избы­ точную конструкцию, еще эксплуатируется.

используются для получения разброса усталостной выносли­ вости стержней. Разброс результатов испытаний является основным параметром при комбинированном анализе, так как он определяет разброс эксплуатационных данных номи­

нально

идентичных

стержней,

подверженных напряжениям

в одном

и том же

диапазоне,

и следовательно, определяет

Р и с . 3.

Результаты

простого анализа риска, использующего данные уста­

лостных

испытаний

стержней с проушинами из материала марки 1060

с необработанной после изготовления поверхностью; 103

число циклов

до разрушения; а — уровень напряжений; точка Р соответствует первому разрушению одного из 664 стержней при 46%-ном снижении о, точка М—

первому

разрушению одного

из более чем 10!б стержней. Уравнение линии

регрессии

lg N = 13,02734 —

4,34155 Ig о#у б — среднеквадратичное откло­

 

нение величины log JV, равное 0,21590.

вероятность разрушения как моста «Пойнт Плезнт Бридж», так и рассматриваемого УН-моста. После 40 лет эксплуата­ ции вследствие естественной неоднородности материала и различия поверхностных условий (например, начального раз­ мера коррозионных углублений) имеет место значительный разброс характеристик усталостной прочности. Кроме того, между напряжением и средней усталостной долговечностью существует логарифмическая зависимость с показателем сте­ пени 4,34, типичная для такого рода разрушения.

Если используется модель с логарифмически-нормальным распределением времени отказов, то первое разрушение од­

ного

из 664 стержней соответствует отказу при отклонении

от

линии регрессии, равном 2,97 среднеквадратичного

отклонения, как показано на рис. 3. Этот результат опреде­ ляет также надежное число стандартных лабораторных ис­ пытательных циклов, соответствующих 40 годам существова­

углубление глубиной 1 мм), то отношение С усталостных дол­ говечностей двух деталей, эксплуатируемых при уровнях на­ пряжений di и о2 в среде, характеризуемой Ъ\ и D2, равно

(3)

Следовательно, если для определения долговечности N\ при условиях, помеченных индексом 1, имеются обширные экс­ плуатационные данные, то долговечность при условиях 2 мо­ жет быть определена по известным значениям С и N\ в виде

(4)

N2 определяет, таким образом, среднюю или характерную долговечность исследуемой конструкции.

Вероятность разрушения и срок эксплуатации t часто подчиняются двухпараметрическому неусеченному распреде­ лению Вейбулла с функцией распределения

F ( / ) = l - e x p ( - № )а),

(5)

где р — масштабный параметр распределения, отражающий характерное время безаварийной эксплуатации, соответ­ ствующее значению F = 0,63; а — параметр формы распре­ деления, характеризующий разброс долговечности.

Распределение Вейбулла с его плавным быстро убываю­ щим хвостом гораздо более ограничено в использовании для оценок вероятности разрушения на ранней стадии эксплуата­ ции по сравнению с обычно применяемыми моделями вре­ мени отказов.

Как подробно описано в [2], данные лабораторных испы­ таний значительно чаще используются для предсказания па­ раметра разброса а, так как для достаточно точной оценки а требуются данные по крайней мере десяти наблюдений раз­ рушения. Среднее квадратическое отклонение \ogN от линии регрессии для усталостного разрушения стержней было вы­ числено по 50 экспериментальным точкам, показанным на рис. 3, и оказалось равным 6 = 0,2159. Параметр разброса Вейбулла а связан с 6 соотношением

0,557

(6)

так что

а = 2,60

(7)

наилучшим образом характеризует разброс усталостной долговечности, обусловленный поверхностными свойствами материала стержней.

Если параметр С в уравнении (3) определен с помощью моделей механики разрушения, то для оценки характерного времени безотказной эксплуатации р при некоторых извест­ ных или произвольных условиях обычно требуются эксплуа­ тационные' данные о разрушении. В [2] показано, что наи­ лучшая оценка характерной долговечности стальных стерж­ ней может быть получена по 1) числу аварий (г = 1); 2) уровням рабочих напряжений а/*, 3) времени эксплуата­

ции U и 4) коррозионному

сопротивлению Di

17 600

имею­

щихся мостовых

стержней;

причем

данные,

учитывающие

поведение этих стержней, объединены в формуле

 

 

Г

17 600

-| I/O.

 

 

Ро =

7 £ (U (<т,У<То)7А')а

= 440 лет,

(8)

где п = 4,34 по данным лабораторных испытаний роста уста­ лостных трещин. При анализе предполагалось, что для ис­ следуемого УН-моста D\/D2= 2; это означает, что эффект внешней среды приведет к двукратному увеличению скоро­ сти роста усталостных трещин в более чувствительном по сравнению с УН материале моста «Пойнт Плезнт Бридж», так как вероятность водородного растрескивания больше в материале с большей прочностью на разрыв.

На

рис.

4 приведено распределение

Вейбулла с Ро = 440

лет и а =

2,6 и показано положение точки, отвечающей пер­

вому

разрушению (через t = 40 лет

эксплуатации) одного

из 664 одинаковых стержней моста «Пойнт Плезнт Бридж» (F = 0,0015). Из рис. 4, очевидно, следует, что факт первого разрушения после 40 лет эксплуатации хорошо согласуется со значением параметра разброса а = 2,6, полученным не­ зависимо по данным лабораторных исследований усталости, и является подтверждением справедливости аналитического метода. Хотя, конечно, любое разрушение одного из 17 600 УН-стержней могло бы значительно изменить результаты рис. 4 и сделать аналитический метод несостоятельным.

Далее исследование надежности можно провести с учетом избыточности и вычислить вероятность разрушения конструк­ ции вследствие разрушения стержня, а следовательно, и скорость разрушения исследуемого моста на последующие

15 лет эксплуатации. Наилучшая

вычисленная

оценка

со­

ставляет 1,9-10—6 аварий в год, что очень близко

к значению

0,95• 10-6, полученному по данным

NBI 1 о всех

мостах,

как

это показано в таблице, и служит дальнейшим обоснованием комбинированного анализа, описанного выше. Кроме того,

*) NBI — National Bridge Inventory,

она указывает, что риск разрушения исследуемого моста почти таков же, что и всех 262 000 мостов, имеющихся в описи.

Р и с . 4. Оценка распределения вероятности разрушения стержня моста «Пойнт Плезнт Бридж», изготовленного из материала AISI 1060. Харак­ терное время р было оценено по эксплуатационным данным. Параметр раз­ броса Вейбулла а = 2,6 оценивался по результатам лабораторных уста­ лостных испытаний. Наблюдается соответствие первого разрушения с полу­ ченным распределением (рр означает стержень из материала AISI 1060),

Рр — вероятность разрушения; ррр = 440 лет, Рр = 1 — ехр [— (//440)2,6];

значок + соответствует первому разрушению одного из 664 рр-стержней после 40 лет эксплуатации.

Резюмируя, отметим, что проведенный выше комбиниро­ ванный анализ требует входной информации трех основных типов:

1) Эксплуатационных данных при одних и тех же усло­ виях для определения вероятности разрушения основных элементов (характерного времени безотказной работы).

2) Знания или предположения о соотношении между уров­ нями рабочих напряжений, факторами влияния внешней сре­

ды, начальными размерами дефектов в эксплуатационных и исследуемых условиях для определения константы С, а сле­ довательно, характерного времени безотказной работы N2 и Ро исследуемого сооружения.

3) Достаточного числа лабораторных испытаний для оп­ ределения разброса соответствующих параметров (т. е. по­ казателя п скорости роста трещины), параметра разброса усталостной долговечности а.

Как только эти параметры установлены, комбинирован­ ный анализ может быть использован для предсказания раз­ рушения при различных условиях, предусматриваемых про­ ектами, путем надлежащего применения соотношений (2),

(4)и (7).

3.ВЕРОЯТНОСТЬ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Вероятность того, что конструкция выйдет из строя в ре­ зультате хрупкого разрушения, связана с тремя различными

инезависимыми параметрами:

1)рп{а) — вероятностью того, что дефекты размера а введены в единичный объем в процессе изготовления или

эксплуатации.

2) P (R \a,s)— вероятностью того, что дефект отбраковы­ вается в процессе приемочного контроля, если его размер а превышает некоторый заданный размер s.

3) P (F\a) — вероятностью разрушения при наличии

в

конструкции дефекта размера а.

 

Тогда вероятность разрушения Pf элементарного объема

Vu дается [4] выражением

 

оо

 

P {F \a )[l- P (R \a , s)]pn(a)da.

(9)

о

 

В течение последних двадцати лет для уменьшения вероят­ ности хрупкого разрушения было разработано несколько спе­ циальных и комплексных методов. Они сводятся к следую­ щему:

1)Минимизировать рп(а) посредством применения спе­ циально изготовленных материалов, защиты от коррозии, вы­ сококачественной сварки и т. д.

2)Максимизировать P (R \a,s) путем увеличения чувстви­

тельности при дефектоскопии (минимизации размера дефек­ тов, которые могут быть зарегистрированы) и увеличения

числа осмотров (чтобы исключить ошибки персонала и ме­ ханизмов).

3) Минимизировать P(F\a) посредством поддержания низких уровней напряжений в материалах с малой трещиностойкостью при рабочей температуре.

Все эти действия ведут к увеличению расходов вследствие снижения качественных показателей работы в расчете на воз­ росшую цену материала, затраты на осмотры или металлоем­ кость. Суммарные расходы на сооружение зависят от затрат на производство См, контроль С/, ремонт CR и затрат, свя­ занных с разрушением, CF. Издержки вследствие разруше­ ния CFPF явно или неявно учитываются в практике проекти­ рования и конструирования. Например, если расходы, обу­ словленные разрушением, могут быть велики (как в случае катастрофического хрупкого разрушения ядерного сосуда давления), PF поддерживается на очень низком уровне, даже если это связано с большими затратами на производство и приемочный контроль. Наоборот, если CF не столь велико (хрупкое разрушение железнодорожного вагона), то PF мо­ жет быть выше, а денежные затраты на производство и конт­ роль вагона будут ниже,-чем для ядерного сосуда давления.

В определенный период времени «приемлемая» для дан­ ного типа конструкций вероятность разрушения PF в основ­ ном определяется уровнем развития науки и техники в соответствии с установленными нормами и стандартами. На­ пример, чем больше общественность озабочена безопас­ ностью, тем более дорогостоящим общество считает разру­ шение. Следовательно, CF возрастает, PF уменьшается, а См

и/или С;

возрастает для конструкций

данного

класса. Риск

I = f-S,

которому

соответствует уменьшение

PF с увеличе­

нием CV, остается постоянным или уменьшается в зависимо­

сти от того, чем

большее количество

людей

подвергается

опасности при разрушении конструкции [1].

Для предупреждения хрупкого разрушения при проекти­ ровании стальных конструкций в простейшем случае суще­ ствует три основных способа. Они схематично показаны на рис. 5, содержащем график Кю в зависимости от темпера­ туры для конструкционных сталей (су < 700 МПа) и высо­ копрочных сталей, способных выдерживать высокие нагрузки (оу > 1200 МПа). Чтобы подчеркнуть разнообразие свойств материалов, данные приводятся в виде полосообразных зон. Кроме того, показаны три области, отвечающие возможным комбинациям К и температуры Т для каждого из данных критериев конструирования. Размер зон наложения К и Кю определяет вероятность разрушения.

Наивысшие эксплуатационные характеристики при за­ данном весе, оцененные по принятым нормам проектирова­ ния, предупреждающим возникновение текучести или устало­ сти, достигаются для конструкций с неизбыточными элемен­ тами, имеющими высокий предел текучести и работающими

Р и с . 5. Схематичное сравнение возможных областей At изменения коэф­ фициента интенсивности напряжений при нагружении и критического коэф­

фициента интенсивности напряжений в зависимости

от температуры для

низко-

и высокотрещиностойких материалов. В области А\

и Аз

коэффи­

циент

интенсивности может попадать не только в

конструкциях

из мате­

риалов

с высокой трещиностойкостью, тогда как

область

А2 допустима

лишь

для конструкций из материалов с

высокой

трещиностойкостью.

Т — температура,

Т\ — температура нулевой

пластичности для материалов

 

 

с низким пределом текучести оу.

 

 

 

при больших

отношениях о/оу. Для

1200 МПа ^

оу ^ 1700

МПа уровни номинальных напряжений порядка 700 МПа не являются необычными. При /Ci с = 50 МПа-м,/а это дает кри­ тический размер аКр трещин в элементе конструкции порядка 1,3—2,5 мм. Для достижения вероятности разрушения мень­ шей, чем, скажем, Ю-4—10~6, для составной части конструк­ ции за год эксплуатации, величина рп(а) должна быть мала, a P(R\a, s) велика. Оба этих фактора приводят к очень вы­ сокой цене таких материалов и к тому, что их использование

ограничено главным образом военной промышленностью, где расходы имеют меньшее значение, чем в коммерческих пред­ приятиях.

Второй интересующий нас аспект касается тех элементов конструкций, вероятность разрушения которых должна оста­ ваться очень малой в силу 'катастрофических последствий разрушения. Серьезные последствия возможны, если

1)конструкция является неизбыточной, так что разру­ шение элемента конструкции немедленно ведет к полному хрупкому разрушению всей конструкции;

2)при разрушении выделяются большие количества энер­ гии и/или вредных веществ;

3)большое число людей подвергается воздействию вы­ свобожденной энергии или веществ;

4)стоимость материала для замены или ремонта очень

велика; 5) проектирование-на основе критерия «течь перед раз­

рушением» не подходит, так как при этом может происхо­ дить выделение опасных элементов.

Ядерные сосуды давления и корпуса подводных лодок — два класса сооружений, подходящих под категорию разру­ шений с серьезными последствиями.

Крайне малая вероятность разрушения может быть до­ стигнута в большинстве случаев путем поддержания низких

напряжений, а также за счет снижения

рп(а) и повышения

P (R \a,s). Вероятность P (F\a) будет,

как правило, ниже,

чем для материалов, способных выдерживать высокие на­ грузки, так как уровни номинальных напряжений будут ниже (порядка 140—280 МПа) по сравнению с 700 МПа. Главной гарантией безопасности работы конструкции является работа при температурах много больших NDT, так что Ki с и дина­

мическая трещиностойкость

велики.

Например,

если

Kic =

= 280 МПа-м‘/а и а = 280 МПа, то

а кР= 0,3 м. Это

значе­

ние столь неправдоподобно

(величина рп(акр)

мала)

и де­

фекты настолько заметны (величина

P(R\aK?i s)

велика), что

вероятность разрушения пренебрежимо мала.

 

 

Третья интересующая нас область связана с конструк­ ционными сталями с низким пределом текучести, эксплуа­ тируемыми при температуре, равной или ниже NDT. Как от­ мечалось в разд. 2 настоящего доклада, элементы конструк­ ций мостов, выполненные из стали марки 1035 (и А-7), обыч­ но эксплуатируются при температуре ниже NDT. Другие марки сталей, такие, как А-36, API-50, 60 и 70 и А-514, также часто используются при рабочих температурах ниже NDT, не испытывая хрупкого разрушения,

Указанное явление имеет несколько причин, большинство из которых связано с тем обстоятельством, что вероятность начала разрушения мала. Причины эти таковы:

1.Максимальные номинальные напряжения малы, поряд­ ка 30—70 МПа. Следовательно, для /Cic > 50 МПа-м,/з ве­ личина а кр равна 0,2 м даже при температуре NDT. Вероят­ ность образования трещины такого размера незначительна, если только элемент конструкции не подвергается чрезмер­ ным нагрузкам и напряжения от движущейся (переменной) нагрузки остаются ниже предела усталости. В этих случаях при приложении чрезмерных нагрузок (например, ударов бульдозера о трубопровод) возникают большие дефекты, спо­ собные распространяться на значительные расстояния (на сотни метров или даже километры).

2.Малы размеры дефектов начального распределения. Большие начальные размеры дефектов возможны только в случаях крайне низкого качества производства, а также в

сварных конструкциях или

зонах повышенной твердости

(Rc > 25),

подвергающихся

водородному

охрупчиванию.

В элементах

конструкций, находящихся в

подобных усло­

виях, произошло несколько хрупких разрушений, таких, как разрушение основного элемента моста «Брайт Бенд Бридж» и стержня моста «Пойнт Плезнт Бридж». В первом случае разрушение началось от большой трещины в сварном соеди­ нении (а = 30 мм), подвергавшейся растягивающим напря­ жениям около 200 МПа. В последнем случае зародышем трещины было коррозионное углубление, которое в свою оче­ редь инициировало образование трещин в области повышен­ ной твердости в стали 1060 в результате коррозии под на­ пряжением. Хотя вероятность распределения дефектов рп(а) в областях сварки больше по сравнению с основным метал­ лом или фланцевыми соединениями, только работа при тем­ пературе ниже NDT при наличии сварки свидетельствует о действительной возможности хрупкого разрушения, а не толь­ ко его вероятности. Фактически лишь небольшая часть свар­ ных швов содержит дефекты, большинство которых, как пра­ вило, являются затупленными порами, а не острыми трещи­ нами. Следовательно, рп(акр) скорее всего много меньше 1,0, а не равно 1,0, как предполагается в «худшем случае» при исследовании методами механики разрушения.

3. Вокруг некоторых сварных швов имеются области вы­ соких остаточных напряжений; многие сварные соединения, однако, свободны от напряжений. Но даже в сварных соеди­ нениях, не подвергавшихся снятию напряжений, высокие ос­ таточные напряжения необязательно действуют в большом

объеме Vu. Градиент остаточных напряжений вокруг сварных швов может быть очень крутым (рис. 6). Следовательно, хотя хрупкое разрушение может начаться от дефекта свар­ ного соединения при К = Kic, оно не будет иметь возмож­ ность распространяться = K ID) за пределы зоны термического влияния, если только уровень номинальных напряжен ний недостаточно высок (минимум от 80 до 100 МПа для

Ри с . 6. Предполагаемое

распределение

остаточного напряжения, обу­

словленного

сварным соединением трубы;

-------

нижняя

граница распре­

деления остаточного напряжения;-------- верхняя

граница

распределения

остаточного

напряжения;

х расстояние

до поверхности, t толщина

 

трубы, а — остаточное

напряжение.

 

трещин, простирающихся меньше чем на 80 мм внутрь обла­ сти высоких остаточных напряжений вблизи сварного соеди­

нения). На

рис.

7 показана «запретная»

зона, где

К <

Кю,

о которой

трещина останавливается около сварного

шва,

прежде чем она

подрастет до достаточно

большого

размера

и сможет распространяться в области номинальных напря­ жений, действующих во всем элементе конструкции.

Четырнадцать лет назад Пеллини и Пузак [5] предста­ вили обстоятельный доклад, в котором они описали условия,

требуемые для хрупкого разрушения в стальных конструк­ циях. Рис. .8, заимствованный из этого доклада, объединяет категории хрупких разрушений, установленные ими после де­ тального анализа большого числа разрушений. Основными выводами, сделанными из этого доклада, были следующие: Г) хрупкое разрушение может быть инициировано малыми

Р и с . 7. Схематичное представление возможности остановки трещин в ма­ териале, подверженном высоким остаточным напряжениям а, вызывающим быстрое хрупкое разрушение.

Замечание: /Cavaii имеющееся налицо значение /С, обусловленное гра­

диентами напряжений, вызванными

совместным действием приложенных

и остаточных

напряжений.

дефектами, если они подвергались нагружению до предела текучести при температуре ниже NDT, и 2) при температуре значительно выше NDT, зависящей от уровня номинальных напряжений, можно ожидать задержку крупномасштабных трещин.

Некоторые инженеры неверно истолковывают диаграмму анализа разрушения, считая, что конструкции не должны эксплуатироваться при температуре ниже NDT, в силу того

что малые дефекты трудно обнаружить и нагрузки, при ко­ торых достигается предел текучести, всегда возможны. На самом деле большинство конструкций, таких, как мосты, башни, железные дороги, роторы турбин и т. д., часто экс­ плуатируются при температурах ниже NDT без разрушений

Ри с * 8. Выводы обсуждения анализа разрушения обозначены катего­ риями от А до F , соответствующими -различным зонам диаграммы раз­

рушения (согласно [5]).

Катего­

Температура

Размер дефектов и характер нагружения

рия

А

Ниже NDT

Нагружение вызывает пластические деформации малых

в

Ниже NDT

дефектов

Высокие остаточные напряжения действуют на малые

С

Ниже NDT

дефекты

Нагружение в пределах упругости -больших дефектов

DМежду NDT н Нагружение в пределах упругости больших дефектов CAT

Е

При FTE

Нагружение вызывает пластические деформации дефек­

F

Выше FTE и

тов средней величины

Нагружение очень больших дефектов напряжениями,

 

FTP

близкими к пределу прочности

и не вызывают серьезных несчастных случаев. Как было от­

мечено выше, низкая частота разрушений является след­ ствием того, что1

1) Вероятность существования крупных дефектов в обла­ сти больших растягивающих напряжений очень мала,

2) Кю велико при температурах на 50 °С ниже NDT. Кроме того, имеет место небольшое увеличение Кю при пере­ ходе от температур, скажем, NDT —20 °С до NDT +20 °С. Следовательно, вероятность разрушения, будучи малой, не изменится значительно вблизи NDT (как может измениться Кю) (рис. 9). Поэтому расположение рабочей температуры по отношению к NDT слабо влияет на возможность начала разрушения.

3) Надежность конструкции зависит от разброса напря­ жений, размера дефектов и свойств материалов в той мере,

г,°с

Р и с .

9.

Сравнение температурных зависимостей трещиностойкости стали

марки

А

533 В (согласно [5]),

определенной при статических,

динами­

ческих

и ударных испытаниях

с осциллографированием образцов

с пред­

варительно нанесенной трещиной. 1 К\с [9]; 2 Кы [18, 19]; 3 K\d [14] Величина К для кривых 3 и 2 равна соответственно ~ 106 и 104 (фунт/дюйм3/2)/с.

в какой она зависит от конкретных значений указанных па­ раметров.

Разброс в температурах нулевой пластичности, уровне на­ пряжений и рабочих температурах фактически приводит к тому, что вероятность разрушения, основанная на (NDT + + я°С) -подходе, оказывается менее надежной или оптималь­ ной, чем можно было бы полагать, хотя еще недавно этот подход был общепринятым, ввиду того что число хрупких разрушений, происходящих в конструкциях, эксплуатируе­ мых при температурах существенно выше NDT, мало. Цен­ ность подхода заключается главным образом в том, что он позволяет гарантировать остановку трещин в тех случаях, когда последствия хрупкого разрушения значительны,