Модели прочностной надежности
Моделью называется совокупность представлений, зависимостей, условий, ограничений, описывающих процесс, явление. Прочностной надежностью называется отсутствие отказов, связанных с разрушениемили недопустимыми деформациями элементов конструкций. С понятием прочностной надежности связаны такие показатели качества, как прочность, жесткость и устойчивость. Под прочностью понимается способность конструкции сопротивляться действию внешних нагрузок, не разрушаясь. Жесткостью конструкции называется ее способность препятствовать развитию недопустимых по условиям эксплуатации деформаций. Устойчивость конструкции это ее способность сохранять первоначальную форму равновесия.
Обеспечение высоких показателей надежности конструкций на стадии проектирования связано с разработкой модели прочностной надежности. С помощью таких моделей выбирается материал и необходимые размеры элементов конструкций, оценивается сопротивление материалов внешним воздействиям. Модель прочностной надежности включает в себя модели: материала, формы, нагружения и разрушения.
Модели материала.В механике материалов и конструкций используется модель сплошного однородного деформируемого тела. Деформируемым называется тело, которое после приложения внешних нагрузок изменяет свою форму и размеры. Модель сплошной среды позволяет рассматривать тело как непрерывную среду и применять методы математического анализа. Физические свойства конструкционных материалов с учетом внешних воздействий (температура, скорость нагружения, облучение и т.п.) меняются; модели материала должны учитывать такие свойства, как упругость, пластичность и ползучесть.
Модели формы. Построение модели формы основано на схематизации конструкции и ее элементов по геометрическим признакам. Стержень - тело, один из размеров которого значительно больше, чем два других характерных габаритных размера (размеры поперечного сечения). Стержень можно образовать движением в пространстве плоской фигуры, центр тяжести которой скользит вдоль некоторой кривой (оси стержня), а сама фигура остается перпендикулярной к этой кривой, и ее положения образуют совокупность поперечных сечений стержня. Оболочка - тело, один из размеров которого мал по сравнению с двумя другим и габаритными размерами. Геометрическое место точек, равноудаленных от образующих оболочку поверхностей, называется ее срединной поверхностью. Толщина оболочки измеряется вдоль нормали к срединной поверхности. Если срединная поверхность является плоскостью, то такой элемент называют пластиной. Методами теории пластин и оболочек рассчитываются трубные доски реакторов и подогревателей, плоские и выпуклые днища резервуаров, тонкостенные корпуса теплообменных аппаратов, тонкостенные трубы, оболочки градирен и т. д. Тело, у которого все три габаритных размера имеют одинаковый порядок, называется массивным телом. Для расчета таких элементов (толстостенные корпуса сосудов высокого давления, диски паровых и газовых турбин, фундаментные плиты и т.д.) привлекаются методы теории упругости.
Модели нагружения. Эти модели содержат схематизацию внешних нагрузок по координатам, времени, а также по воздействию внешних полей и сред. Силовые нагрузки, действующие на конструкции, можно разделить на три группы: 1) объемные или массовые силы; 2) поверхностные силы; 3) сосредоточенные силы. Объемные нагрузки действуют па каждую частицу внутри тела.
К таким нагрузкам относятся: собственный вес конструкции, силы инерции, силы магнитного притяжения и т.п. Поверхностные нагрузки распределены по значительным участкам и являются результатом взаимодействия различных конструктивных элементов одного с другимили с другими физическими объектами (например, давление жидкости или газа на стенки сосуда, давление ветра на оболочку градирни и т.п.). Если силы действуют на небольшую поверхность конструкции, тоих можно рассматривать как сосредоточенные нагрузки, условно приложенные в одной точке. По характеру действия нагрузки можно разделить на статические и динамические. Статическая нагрузка возрастает от нуля до своего номинального значения и остается постоянной во время эксплуатации конструкции. Переменное, или динамическое, нагружение - нагружение, изменяющееся во времени. Часто встречающимся видом переменного нагружения являются циклические нагрузки, характеризующиеся периодическим изменением значения и/или знака. Модели нагружения должны учитывать воздействие полей и сред. Наиболее существенным является воздействие температурного поля. Изменение температуры элементов конструкций вызывает температурные деформации. Если они не удовлетворяют уравнениям совместности деформаций, то в элементах конструкций возникают температурные напряжения, значения которых часто оказываются соизмеримы со значениями напряжений, возникающих от воздействия внешних сил. Кроме того, изменение температуры влияет на механические характеристики конструкционных материалов. В некоторых случаях приходится учитывать влияние нейтронного облучения, электромагнитного поля, воздействие коррозионных сред.
Модели разрушения представляют собой уравнения (условия), связывающие параметры работоспособного состояния элемента конструкции в момент разрушения с параметрами, обеспечивающими прочность. Эти условия называют условиями (критериями) прочности. Нарушение прочности соответствует переходу конструкции или ее элементов в предельное состояние, при котором ее дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно. В зависимости от характера разрушения материала различают два типа предельных состояний: хрупкое разрушение и появление пластических деформаций (текучести). В зависимости от условий нагружения имеют место четыре модели разрушения: статическое разрушение, длительное статическое, малоцикловое, усталостное (многоцикловое) разрушение. При повышенных температурах (для стальных и титановых сплавов выше 400 °С, для жаропрочных сплавов выше 600 °С) рассматривается длительная прочность. Сопротивление материала зависит не только от значения действующего усилия, но и от длительности его воздействия.