Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Планирование испытаний на надежность механических конструкций. Монография.pdf
Программа обеспечения прочностной надежности…
ГЛАВА 1
Программа обеспечения прочностной надежности
механической конструкции
Проблема обеспечения надежности механической конструкции
затрагивает длинный перечень вопросов, которые должны быть решены при ее проектировании и отработке [1, 2]. При этом предусматривается, что разработчики механической конструкции должны:
– использовать опыт предыдущих разработок и существующие
технические решения;
– применять унифицированные узлы;
– производить опережающую разработку и отработку ком-
плектующих вновь вводимых элементов
и проводить опережающее
исследование вновь применяемых материалов;
– приблизить экспериментальную отработку всех конструктивных решений к условиям эксплуатации и применения механической конструкции;
– разрабатывать методы оценки показателей надежности, основанные на ускоренных (на запас) методах испытаний, а также
использовании физико-механических, химических и других
свойств материалов;
– разрабатывать методы оценки коэффициентов
безопасности,
проводить математическое (статистическое) моделирование прочности и состояния сборки конструкции при эксплуатации и применении;
–
определять и уточнять исходные данные для оценки и обес-
печения надежности механической конструкции.
Мероприятия по обеспечению надежности механической конструкции проводят на следующих стадиях разработки: техническое
предложение, эскизный проект, опытный образец.
Комплексную схему проблемы обеспечения прочностной надежности на стадии конструирования и опытной отработки механической конструкции можно представить в виде
алгоритма:
1. Стадия технического предложения.
1.1. Предварительный анализ и исследование новых материалов.
11
12
Глава 1
1.2. Предварительное исследование узлов, не имеющих аналогов.
1.3. Предварительный анализ нагрузок и условий эксплуата-
ции механической конструкции.
1.4. Предварительные исследования прочности элементов ме-
ханической конструкции.
1.5. Предварительный анализ механической конструкции.
1.6. Прогнозирование надежности механической конструкции.
1.7. Составление справки по надежности.
2. Стадия эскизного проектирования.
2.1. Исследование новых материалов.
2.2. Исследование новых узлов, не имеющих аналогов.
2.3. Анализ и определение критериев и критериальных пара-
метров.
2.4. Анализ нагрузок и условий эксплуатации.
2.5. Прочностной расчет механической конструкции.
2.6. Статистическое моделирование работоспособности и проч-
ности конструкции.
2.7. Разработка конструкторской документации (КД) (эксизно-
го проекта (ЭП)).
2.8. Разработка методов оценки надежности и коэффициентов
безопасности.
2.9. Отработка приборов и оценка их надежности.
2.10. Прогнозирование надежности
и коэффициентов безопас-
ности механической конструкции.
2.11. Отчет по надежности механической конструкции.
2.12. Рекомендации по корректировке КД.
3. Стадия опытно-конструкторской отработки.
3.1. Составление технических требований.
3.2. Разработка КД.
3.3. Составление общей программы отработки конструкции.
3.4. Составление частных программ по видам испытаний.
3.5. Уточнение критериев и критериальных параметров.
3.6. Проведение прочностных расчетов по видам нагружений
3.7. Исследование новых материалов, разбросов их физико-
механических характеристик.
3.8. Исследование узлов, не имеющих аналогов, разброса пре-
дельных нагрузок.
.
Программа обеспечения прочностной надежности…
13
3.9. Разработка методов испытаний.
3.10. Проведение лабораторной конструкторско-технологи-
ческой отработки (ЛКТО) изделия с выявлением предельных нагрузок и определением коэффициентов запаса.
3.11. Разработка и уточнение методов оценки надежности
изделия.
3.12. Статистическое моделирование работоспособности и проч-
ности конструкции.
3.13. Оценка надежности изделия.
3.14. Отчет по надежности изделия.
3.15. Рекомендации по контролю надежности в серии
по уточ-
нению и повышению надежности при эксплуатации.
Таким образом, результаты расчетов, экспериментов и т. п.
можно математически (статистическими методами) обрабатывать
и использовать при получении количественных оценок показателей
надежности.
Как следует из алгоритма, для решения проблемы обеспечения
надежности механической конструкции привлекаются все службы
разработчика и смежные организации: физики, конструкторы, расчетчики
-прочнисты, технологи, экспериментаторы, работники
службы надежности. Задача последних – подведение итогов работы
всех служб, оценка показателей надежности конструкции.
Основные работы, объединенные в одно целое при оценке показателей надежности и коэффициентов безопасности, показаны на
структурной схеме (рис. 1.1).
14
Глава 1
материалов
Механические
характеристики
нагрузки
Предельные
по моделям
Точность
Исследование и статистическая обработка
Действующая
Точность
оборудования
испытательного
оборудования
нагрузка
испытательного
конструкции в целом и его распределение
Анализ показателя прочностной надежности
надежности
Разработка методов оценки показателей
безопасности
Разработка методов оценки коэффициентов
надежности
критериев
Выбор критериальных
параметров и определение
Оценка показателей
Оценка
безопасности
коэффициентов
Рис. 1.1. Схема оценки показателей надежности и коэффициентов безопасности механической конструкции
Нагрузки, действующие на конструкцию
ГЛАВА 2
Нагрузки, действующие на конструкцию
В процессе эксплуатации на изделие действуют обязательно
присутствующие нагрузки, величины которых или остаются постоянными, или изменяются по какому-то закону, или являются случайными. Нагрузки задаются заказчиком в техническом задании
(ТЗ) на изделие.
Внешние воздействующие факторы (ВВФ), нагрузки, действующие на изделие, регламентируются ГОСТ 21964-76 [26]. В нем
устанавливаются номенклатура и
характеристики внешних воздей-
ствующих факторов.
ВВФ делятся на классы:
– механические,
– климатические,
– биологические,
– радиационные,
– электромагнитные,
– специальных сред,
– термические.
Будем рассматривать только нагрузки: статические, квазистатические, динамические, тепловые. К статическим и квазистатическим нагрузкам относятся воздействия типа ускорения системы,
механическое давление, сила и т. п., при этом воздействие на
лие, узел, деталь не меняется или меняется незначительно. При передаче статических нагрузок на изделие все его части находятся
в равновесии. Ускорения элементов конструкции отсутствуют или
настолько малы, что ими можно пренебречь [27].
Если же эти ускорения значительны и изменение скорости
элементов конструкции происходит за сравнительно небольшой
период времени, то мы
имеем дело с приложением динамических
нагрузок. Примерами таких нагрузок могут служить внезапно приложенные нагрузки, ударные или повторно-переменные нагрузки.
15
изде-
16
Глава 2
Внезапно приложенные нагрузки предаются на сооружение
сразу полной своей массой. Таковы давления колес электровоза
при въезде на мост.
Ударные нагрузки возникают при быстром изменении скорости соприкасающихся элементов конструкции, например при ударе
копра о сваю, воздействии ударной волны на изделие.
Повторно-переменные нагрузки действуют на элементы конструкции, повторяясь значительное число
раз. Во многих случаях
нагрузка представляет собой комбинацию нескольких видов динамических воздействий.
При динамическом нагружении системы важно изменение
(в большинстве случаев увеличение) внешней нагрузки на элементах конструкции. Это изменение характеризуется коэффициентом
динамичности
k , который показывает, во сколько раз, например,
d
ускорение на узле изделия выше, чем на конструкции как на твердом теле. Коэффициент динамичности в первую очередь зависит от
жесткости системы, а так как она случайна, то и коэффициент ди-
намичности случаен и характеризуется средним значением
и средним квадратическим отклонением
W
вариации
риации
. Коэффициент динамичности
k
d
W
можно определить по экспериментальным данным при
k
d
или коэффициентом
σ
k
d
k и коэффициент ва-
d
k
d
испытании конструкции на ударные нагрузки.
Температурные нагрузки изменяют сборочные усилия изделия. При быстром изменении перепадов температур в некоторых
деталях конструкции могут возникнуть напряжения растяжения
и привести к появлению недопустимых деформаций или к разрушению деталей, соединений.
ГЛАВА 3
Предельные состояния конструкций изделий
Конструкция изделия может быть представлена как система
силовых (несущих) и несиловых элементов. Несущие элементы
конструкции – это элементы, предназначенные для восприятия силовых воздействий со стороны других элементов или внешних воздействий, а также для связи всех элементов конструкции в единую
механическую систему. Остальные элементы являются несиловыми. Наряду с этим одни
и те же узлы (детали) изделия при одних
действующих нагрузках могут быть силовыми, а при других – несиловыми. При решении вопросов прочности изделия обычно оперируют частями конструкции [27], на которые можно расчленить
изделие при расчете на прочность и экспериментальной отработке,
т. е. делается упор на выявление предельных нагрузок деталей, узлов изделия.
Предельная нагрузка – нагрузка, при которой достигается пре-
дельное состояние узла изделия.
Предельные состояния изделия могут быть вызваны:
– разрушением одного или нескольких элементов изделия;
– изменением геометрических размеров или конфигурации
конструкции;
– текучестью или плавлением материала, сдвигами в соедине-
ниях, ползучестью или чрезмерным раскрытием стыков, появлением трещин в деталях.
Разрушение деталей, не влекущее выход изделия из строя, не является его предельным состоянием. Однако здесь ограничения могут
быть наложены с точки зрения безопасности эксплуатации изделия.
Критериями являются дефекты, приводящие к изменению эксплуатационных характеристик изделия сверх заданных пределов.
Критерии устанавливаются по результатам опытов и расчетов. При
определении изменения критериальных параметров
учитывается
разброс параметров, связанный с технологией изготовления материалов, деталей и самого изделия.
17
18
Глава 3
Критериальные параметры должны контролироваться при
проведении испытаний. По мере накопления новых расчетов и экспериментальных данных критерии должны уточняться и корректироваться.
Глава 4
ГЛАВА 4
Коэффициенты вариации предельных нагрузок
В процессе эксплуатации на изделие действуют статические,
квазистатические, ударные и тепловые нагрузки [26].
Предельные нагрузки при таких видах нагружения характеризуют разрушение детали или появление недопустимых перемещений, т. е. появление пластических деформаций в опасных сечениях
детали. Рассеяние предельных нагрузок деталей и изделия в целом
может быть оценено по данным натурных испытаний
или косвенным путем: с привлечением корреляционно-регрессионного анализа,
физики разрушения, путем сравнения разброса предельных нагрузок
с разбросом ведущего фактора для деталей прототипов и т. п.
В практике оценки прочности и надежности конструкций принято [1, 4–13], что разброс предельных нагрузок по разрушению
и появлению пластических деформаций определяется разбросом
предела прочности и
предела текучести материала соответственно.
4.1. Оценка коэффициента вариации предельных нагрузок
по данным натурных испытаний деталей и изделия в целом
С целью выявления предельной нагрузки узлы и детали изделия могут испытывать по различным планам [28], которые отличаются друг от друга числом испытываемых образцов, последовательностью проведения испытаний, методом фиксирования значений предельной нагрузки и т. п.
Большинство планов испытаний, встречающихся на практике,
могут быть представлены комбинацией следующих достаточно
простых видов
испытаний:
1) испытания с фиксированием конкретного значения пре-
дельной нагрузки;
2) испытания с фиксированием интервала, в котором находит-
ся предельная нагрузка;
19
20
F
Коэффициенты вариации предельных нагрузок
3) испытания нагрузкой, превосходящей предельную нагрузку
(точно неизвестно, при какой конкретно нагрузке произошло разрушение);
4) испытание нагрузкой, не превосходящей предельную (без-
отказные испытания).
Выборка, полученная в результате комбинации перечисленных планов испытаний, является в общем случае многократно цензурированной [29].
Пусть предельная нагрузка имеет нормальное распределение
с известными параметрами m и
рованной выборки функция правдоподобия имеет вид
, ,..., , , ,
Lm Q Q f m Q Fm Q Fm Q
где
1
fQ e
1
2
ll
12
niii
11
ii
l
3
Fm Q Fm Q
11
ii
Qm
–
2
2
σ. Для такой многократно цензури-
l
,1,,
2
4
ii
'"
– плотность распределения предельной
нагрузки;
2
xm
–
Q
Qedx
1
2
–
2
2
– функция распределения предель-
ной нагрузки (закон Гаусса);
– значение нагрузки, при которой фиксировались результа-
Q
i
ты испытаний;
'"
,
QQ
l
,…,l4 – число элементов, испытанных с фиксированием пре-
1
– интервал, в котором разрушилась i-я деталь;
ii
дельной нагрузки, интервала для предельной нагрузки, не превосходящей заданный уровень нагрузок, неразрушенных элементов.
При этом предполагается, что все проведенные испытания
были независимыми. Неизвестные параметры m и σ могут
быть оценены из условия максимума функции правдоподобия или,