Коэффициентом безопасности называют отношение предельных напряжений к максимальным напряжениям, возникающим при работе детали.
1. Коэффициент безопасности при статических нагрузках можно определять по формулам:
для пластичных материалов
для хрупких материалов
(1.11)
2. Коэффициент безопасности при переменных (циклических) нагрузках с учетом основных факторов, влияющих на предел выносливости, для любого материала определяют по формулам:
при симметричном цикле
(1.12)
при асимметричном цикле, когда с возрастанием нагрузки цикл остается подобным рабочему , т. е. возрастание напряжений происходит по направлению ОМN (рис. 1.3):
Рис. 1.7. Диаграмма предельных напряжений
(1.13)
при асимметричном цикле, когда среднее напряжение не меняется, а амплитуда растет, т. е. по линии МР (рис. 1.3):
(1.14)
При совместном действии нормального σ а и касательного τ а напряжений (изгиб, кручение), изменяющихся синфазно,
(1.15)
где s σ ; s τ – коэффициент безопасности по нормальным и касательным напряжениям (1.24. . .1.26) с заменой σ на τ.
Допустимое значение коэффициента безопасности [s] назначают на основании опыта проектирования и эксплуатации машин или рассчитывают с учетом требуемой надежности деталей. При отсутствии необходимых данных допустимый коэффициент безопасности приближенно можно определить на основе так называемого дифференциального метода как произведение частных коэффициентов :
где s 1 – коэффициент, учитывающий степень точности расчета. Расчет приводить к завышенным напряжениям и степень завышения определить трудно: s 1 = 1, расчет приводит к заведомо заниженным напряжениям; s 1 = 1,2...1,3; s 2 – коэффициент, учитывающий однородность механических свойств материала. Для деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей при высокой температуре отпуска, s 2 = 1,2...1,3; для деталей, изготовленных из высокопрочных сталей с пониженными пластическими свойствами (с низкой температурой отпуска) и высокопрочных чугунов, s 2 = 1,3...1,5; для деталей из стального литья s 2 = 1,5...2; для чугунных деталей s 2 = 2...2,5; для деталей из цветных сплавов (кованых и катаных) s 2 = 1,5...2; s 3 – коэффициент, учитывающий степень ответственности детали. Поломка детали не вызывает остановки машины: s 3 = 1; поломка детали вызывает остановку машины: s 3 = 1,1...1,2; поломка детали вызывает аварию: s 3 = 1,2…1,3.
Коэффициент безопасности по пределу прочности выбирается довольно большим. Например, для высокопрочных сталей – около 2...2,5, для серого чугуна 3...3,5, для стального и цветного литья 2,5...3, для особо хрупких материалов 4...6.
Коэффициент безопасности по пределу текучести для пластичных материалов (сталей) при достаточно точных расчетах выбирают 1,2...1,5 и выше. Коэффициент безопасности при контактных нагружениях можно принять 1,1...1,2. Коэффициент безопасности по пределу выносливости – 1,3...2,5. Например, при недостаточно полном объеме экспериментальных данных о нагрузках и характеристиках материала или ограниченном числе натурных испытаний [s] = 1,5...2; при малом объеме или отсутствии экспериментальных испытаний и пониженной однородности материала (литые и сварные детали) [s] = 2...3.
Пример. Определить коэффициент безопасности для вала d = 60 мм с одной шпоночной канавкой, который нагружен в опасном сечении изгибающим моментом М = 1,5 · 10 6 Н · мм и крутящим моментом Т = 4 · 10 6 Н · мм. Материал вала – сталь 40ХН (табл. 1.2, σ b = 1000 Н/мм 2 ; σ -1F = 530 Н/мм 2). Поверхность вала шлифованная. Напряжение изгиба изменяется по симметричному циклу, кручения – по пульсирующему. Срок службы N LE > N 0
Решение.
1. При сложном напряженном состоянии (изгиб и кручение) коэффициент безопасности определяется по выражению (1.15)
где s σ , s τ – коэффициент безопасности по изгибу и кручению.
2. По формуле определяем коэффициент безопасности по нормальным напряжениям при симметричном цикле изгиба:
Здесь амплитудное и наибольшее напряжения цикла равны и определяются по формуле:
где W = 18 760 мм 3 – момент сопротивления изгибу вала d = 60 мм, ослабленного шпоночным пазом.
3. Находим эффективный коэффициент концентрации напряжений для валов с одной шпоночной канавкой при изгибе (σ b = 1000 Н/мм) К σ = 2,3; масштабный фактор ε = 0,77; коэффициент состояния поверхности β = 0,88.
4. Коэффициент безопасности по касательным напряжениям при пульсирующем цикле нагружения по формуле:
5. По выражению определим амплитудное и среднее напряжения:
где W р = 4 · 10 4 мм 3 - момент сопротивления кручению вала ослабленного шпоночным пазом.
Мы беседуем сегодня с заместителем директора одного из ведущих отечественных предприятий – производителей измерительных трансформаторов ООО «Электрощит-Ко» Виктором Владимировичем Легостовым .
– Виктор Владимирович, ООО «Электрощит-Ко» в этом году отмечает 10 лет с момента ввода в эксплуатацию первого трансформатора собственного производства. За счет каких аспектов вам удалось в столь относительно небольшой срок стать одним из лидеров отрасли?
– Если коротко – это правильно построенная система производства, важнейшим свойством которой является точное выполнение технических требований заказчика.
Используя европейскую технологию и оборудование, а также импортные материалы высокого качества, мы создаем изделия нестандартного исполнения, не имеющие аналогов в нашей стране.
– Почему зарубежные технологии, импортные материалы и оборудование? Не хотите поддерживать российского производителя?
– У нашего производства две ключевые специализации: производство трансформаторов по заданным заказчиком техническим характеристикам; производство трансформаторов для систем с повышенным требованием к безопасности.
К сожалению, на сегодняшний день оборудование и материалы, необходимые для производства такого уровня, не производятся в России. При этом мы постоянно ведем работу с отечественными поставщиками, пытаемся стимулировать улучшение качества их продукции. Убежден, что это и есть наилучшая поддержка производителя.
– Виктор Владимирович, расскажите, какие особенности отличают ваши трансформаторы от аналогов.
– Использование нашей технологии и импортных материалов позволяет нам маленький прибор насытить по максимуму, в отличие от аналогов других производителей, которые в такой же габарит, используя российские материалы, могут вложить гораздо меньше возможностей.
Сейчас многие производители научились делать трансформаторы с высокими классами точности, но создать прибор с набором требуемых заказчиком конкретных нестандартных параметров зачастую не удается. Некоторые из российских производителей сами заказывают у нас сложные трансформаторы.
Используемая нами программа расчета трансформатора позволяет в течение 10–15 минут произвести расчет любого трансформатора. Меняя и подставляя различные варианты параметров, мы получаем физическую модель трансформатора. Все реально рассчитанные варианты возможно изготовить. Большинство производителей изготавливают приборы конвейерно и, на выходе сделав измерения, фиксируют параметры, отправляют прибор на склад и потом, при появлении такого запроса, предлагают заказчику. Мы же изначально исходим из запроса и делаем такой прибор, который был заказан.
Более того, на сегодняшний день мы единственные в России комплектуем заказы магнитопроводами с идентичными параметрами намагничивания, что позволяет изготовить трансформаторы с идентичными электрическими характеристиками.
Кроме того, мы первыми в России стали проводить испытания изоляции по классу «А» с замером уровня частичных разрядов.
Применение наших трансформаторов на объектах атомной энергетики, таких, как Нововоронежские АЭС, Калининская АЭС, Белоярская АЭС, Кольская АЭС, подтверждает высокий уровень надежности и безопасности.
– Актуально ли сегодня производство трансформаторов по заданным эксплуатационным параметрам?
– Экономия всегда актуальна. Применение трансформаторов с параметрами, не отвечающими реальным требованиям систем учета и защиты, приводит к более значительным финансовым потерям из‑за увеличения токовой погрешности и выхода трансформаторов из заявленного класса точности.
Потребность в автоматизации и разделении цепей учета и измерения вызвала появление новых разработок, основными принципами которых являются малые габариты, увеличенное число обмоток, защита информации, технологичность, надежность, многовариантность характеристик.
В этом плане ООО «Электрощит-Ко» является законодателем мод в развитии трансформаторостроения России.
Нами впервые в России стали серийно производиться трансформаторы тока с классом точности 0,2S и 0,5S в сочетании с высокими нагрузками, с заданными конкретными значениями коэффициентов безопасности приборов и предельной кратности, с высоким током термической стойкости при малых номинальных токах, трансформаторы с разными коэффициентами трансформации измерительных и защитных цепей, переключением первичных токов для уменьшения или увеличения коэффициента трансформации.
– Посредством чего достигается высокий класс точности в ваших трансформаторах?
– Для трансформаторов с высоким классом точности мы используем сердечники из пермаллоя. Этот материал позволяет обеспечивать задаваемый класс точности, его физические свойства позволяют преобразовать сигнал с минимальными потерями. Мало кто использует пермаллой, он достаточно сложен в использовании и не производится в России. Проще использовать аморфные сплавы, но они не имеют механической прочности, сердечник из такого материала нужно помещать в специальный короб, что увеличивает габарит трансформатора.
– Трансформаторы с переключением. Расскажите, в каких случаях возникает в них необходимость.
– Это трансформаторы двойного использования. Первая сфера их применения – когда производство строится на старых мощностях. Например, ранее все уставки были сделаны на 600 А по первичному току, а в реальности в цепях уже 250‑300 А.
Трансформатор с переключением – это прибор, который может работать как 300 / 5 и как 600 / 5. Одним трансформатором можно обеспечивать измерение и защиту как на более низкий, так и на более высокий уровень с возможностью увеличения в будущем мощности сетей.
Вторая сфера применения – когда необходимо сохранить старую систему технического учета и релейной защиты, а коммерческий учет сделать по более низким мощностям. Для решения этой задачи возможно применение трансформатора с разным коэффициентом трансформации, т. е. для коммерческого учета обмотка будет 300 / 5, а защитная обмотка и технический учет будет 600 / 5. Все это возможно сделать в одном корпусе. При этом вторичная обмотка для коммерческого учета рассчитывается на длительное время работы при 600 А.
– Коэффициент трансформации выдерживается строго 1:2?
– Пропорции могут быть разными, например 500 А на 600 А, 600 А на 1000 А, на 1500А, 600 А на 800 А. Бывает и 1:3, но это сложно в исполнении. Всегда необходимо рассматривать конкретные задачи и просчитывать любой прибор индивидуально.
– Как правильно задать вторичные нагрузки?
– Это очень важный момент. Программа, которую мы применяем, позволяет сделать расчет нагрузок с погрешностью, максимально приближенной к нулевой отметке в коридоре токовых угловых погрешностей.
Для примера рассмотрим зависимость абсолютной погрешности трансформатора тока с коэффициентом трансформации 100 / 5 класса точности 0,5, с номинальной нагрузкой 10 ВА (рис. 1) Из этой зависимости видно, что уменьшение или увеличение прилагаемой нагрузки на трансформатор тока приводит к значительному увеличению абсолютной величины погрешности измерений. На графике видны возможные варианты выхода из класса вследствие недогрузки или перегрузки, если реально трансформатор был рассчитан на 10 ВА.
– Что такое коэффициент безопасности и обязательно ли его задавать?
– Это коэффициент, который показывает, во сколько раз увеличится вторичный ток на измерительной обмотке, если ток первичной цепи резко возрастет. Измерительная обмотка построена таким образом, что при возникновении короткого замыкания сердечник быстро насыщается и ток в ней перестает расти. Например, вторичный ток 5 А, а коэффициент 10, тогда максимально возможный ток, который возникнет во вторичной обмотке, будет равен 50 А.
График (см. рис. 2) показывает разницу коэффициента безопасности приборов при использовании разных марок электротехнической стали. Из графика видно, что даже у трансформатора ТЛО-10 при снижении нагрузки на измерительной обмотке коэффициент безопасности приборов резко возрастает и уже не может обеспечить защиту измерительных приборов в момент короткого замыкания в первичной цепи. При проектировании системы учета и защиты необходимо учитывать фактическую вторичную нагрузку во вторичной цепи измерительной обмотки и коэффициент безопасности приборов, который должен быть указан в сопроводительной документации на конкретный трансформатор. В цепях учета, уже находящихся в эксплуатации, эти параметры можно с достаточной точностью измерить и привести систему в соответствие.
Используя трансформаторы с правильно выбранным коэффициентом безопасности приборов в действующих сетях, нет необходимости применять дополнительные меры защиты для счетчиков старого образца.
– Какой диапазон коэффициента безопасности приборов и от чего он зависит? Если заказчик задает конкретный коэффициент, возможно ли его сделать?
– Диапазона коэффициента не существует, это всегда конечное число и зависит практически только от применяемых материалов, их качества и характеристик, технологии изготовления, и заказчик может выбрать коэффициент безопасности по своему усмотрению.
– Расскажите еще об одном важном параметре – коэффициенте номинальной предельной кратности обмоток защиты. Насколько важно его задавать при заказе трансформатора?
– Очень часто потребители или проектные организации запрашивают кривую предельной кратности. Один из основных параметров, который заносится в паспорт прибора, – напряжение намагничивания, точка, в которой кривой участок переходит в линейный. Во сколько бы ни вырастал ток в первичной обмотке, на вторичной обмотке ток расти перестает. Если мы рассматриваем коэффициент безопасности приборов и предельную кратность, физическая суть у этих параметров одинакова.
Коэффициент предельной кратности указывает, до какого значения будет расти ток при коротком замыкании в первичной обмотке, до какого предела мы должны питать релейную защиту, чтобы она сработала. Коэффициент предельной кратности равен 10, это говорит о том, что при коротком замыкании в первичной цепи ток во вторичной обмотке будет до 50 А, не более. Если, предположим, релейная защита рассчитана на срабатывание при токе 75 А, то коэффициента 10 будет недостаточно, т. е. короткое замыкание защита «не увидит», поэтому заказчик ставит предельную кратность, например 15, но это предельное значение, и надо брать 16, чтобы релейная защита среагировала и отключила все приборы до того момента, как сердечник начнет насыщаться.
Кривая предельной кратности необходима для расчета работы автоматики при использовании стандартного прибора. На нашем предприятии потребитель может заказать трансформатор с любой кратностью при необходимой нагрузке.
– Виктор Владимирович, на ООО «Электрощит-Ко» работают зарубежные специалисты. Какие функции они выполняют?
– Зарубежные специалисты работают на предприятии в сфере обеспечения качества продукции и разработки новых продуктов. Кроме того, они являются консультантами по улучшению техпроцесса, по эргономике производства, по планированию новых производственных мощностей. Без ложной скромности хочу отметить, что производственный процесс в ООО «Электрощит-Ко» не хуже и даже лучше некоторых зарубежных аналогичных производств. При разработке нашего производства нами были рассмотрены и учтены ошибки других производителей.
– В чем конкретно воплотился этот отрицательный опыт?
– Ни в одном производстве в мире нет трехступенчатого метрологического контроля по всей технологической цепочке.
Система маршрутных карт на каждый прибор, контроль предыдущих технологических операций последующими, мотивация персонала в сфере контроля и обеспечения качества позволяют полностью исключить изготовление бракованных приборов. Процент брака производства на сегодня не поднимается выше 0,1 процента.
– Виктор Владимирович, вы сегодня говорили о тонкостях правильного выбора параметров трансформаторов тока. При заинтересованности в разъяснении ваши специалисты могут на местах дать консультации по этим вопросам?
– Технический центр нашей компании проводит семинары для специалистов проектных и эксплуатационных организаций на следующие темы:
оптимальный выбор параметров измерительных трансформаторов, максимально адаптированный под конкретные системы учета;
совмещение релейных систем защиты и автоматики с техническим учетом;
расчет и изготовление релейных обмоток с необходимой предельной кратностью.
В ближайшее время всех приглашаем на выставку «Энергетика и электротехника» в Санкт-Петербурге 22‑25 мая (выставочный комплекс «Ленэкспо», павильон 7, стенд № F24) и на выставку «Электро-2012» в Москве 13‑16 июня.
– Благодарим вас за столь подробную и интересную информацию. Надеемся, что многие технические специалисты заинтересуются приведенными данными. Ждем от вас новых публикаций.
Коэффициент безопасности
показатель, характеризующий условия движения на конкретном участке дороги (например, в населенном пункте или на кривой в плане) и подходе к нему. Используется для выявления опасных участков дорог.
Строительный словарь .
Смотреть что такое "Коэффициент безопасности" в других словарях:
Коэффициент безопасности - С – коэффициент, определяющий степень повышения контрольной нагрузки по отношению к нагрузке на изделие, соответствующей его расчетной несущей способности. [ГОСТ 8829 94] Рубрика термина: Теория и расчет конструкций Рубрики энциклопедии:… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Поправочный коэффициент к экспериментальному или расчетному значению взрывоопасности, определяющий предельно допустимую величину этого параметра (концентрации, температуры, давления и т.д.) для данного производственного процесса. EdwART. Словарь… … Словарь черезвычайных ситуаций
F используется при определении расчётных нагрузок на летательный аппарат Рp по значениям эксплуатационных максимальных нагрузок Рэ и равен: f = Pр/Рэ. К. б. вводится для обеспечения высокого уровня надёжности летательного аппарата по условиям… … Энциклопедия техники
коэффициент безопасности - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN safety coefficientfactor of safetyf/s … Справочник технического переводчика
коэффициент безопасности - 3.99 коэффициент безопасности (safety class resistance factor): Поправочный коэффициент к значению нагрузки или другого параметра (давления, температуры, концентрации и т.д.), определяющей степень повышения или понижения контрольного значения по… …
коэффициент безопасности С - 3.6 коэффициент безопасности С: Коэффициент, определяющий степень увеличения контрольной нагрузки по отношению к нагрузке на изделие, соответствующей его расчетной несущей способности. Источник: ГОСТ Р 54271 2010: Анкеры для контактной сети… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
коэффициент безопасности - saugos laipsnis statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. degree of safety vok. Sicherheit, f; Sicherheitsfaktor, m; Sicherheitsgrad, m rus. коэффициент безопасности, m; степень безопасности, f pranc. coefficient de sécurité, m; degré …
коэффициент безопасности - saugos faktorius statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. safety factor vok. Sicherheitsfaktor, m; Sicherheitsgrad, m rus. коэффициент безопасности, m pranc. coefficient de sécurité, m; facteur de sécurité, m … Radioelektronikos terminų žodynas
коэффициент безопасности Энциклопедия «Авиация»
коэффициент безопасности - f используется при определении расчётных нагрузок на летательный аппарат Pр по значениям эксплуатационных максимальных нагрузок Pэ и равен: f = Pp/Pэ. К. б. вводится для обеспечения высокого уровня надёжности летательного аппарата по… … Энциклопедия «Авиация»
Лениво пока фотографии из командировки выкладывать. Потому - продолжу "умничать".
Расчет любой конструкции на прочность, необязательно самолёта, начинается с определения собственно нагрузки на эту конструкцию. Необходимо определить, что мы в итоге хотим получить от изделия, какие нагрузки оно должно выдерживать. Понятное дело, я буду говорить об нагрузках на самолет.
Очевидно, что при полете крыло самолета нагружено распределенной нагрузкой - подъемной силой. На заглавном рисунке эта эпюра нагрузки показана на правой консоли и обозначена буквой q.
Интенсивность этой распределенной нагрузки должна быть такой, чтобы общая результирующая подъемной силы была равна:
Y = f*Ny*m, где:
f - коэффициент безопасности (не путать с запасом прочности)
Ny - максимальная эксплуатационная перегрузка (та, которая записана в РЛЭ в разделе ограничения)
m - масса летательного аппарата.
По порядку об этих трех параметрах.
Коэффициент безопасности f показывает во сколько раз разрушающая нагрузка (перегрузка в общем случае) больше максимальной эксплуатационной. Авиационные конструкции расчитываются не по допускаемым напряжениям, как в общем машиностроении, а по разрушающим. Потому что, понятно - культура веса, минимизация массы - основное направление деятельности инженеров при проектировании самолетов. Относительная близость к разрушающим нагрузкам компенсируется высокой точностью определения нагрузок на самолет и применением различных методов расчета, для получения уверенного результата расчета.
Диапазон величин коэффициента безопасности для многоразового летательного аппарата лежит в пределах f = 1.5....2.5 в зависимости от режима полета и типа конструктивного элемента. Максимальные коэффициенты безопасности применяют к герметичным конструкциям, которые нагружены избыточным давлением - баллоны высокого давления, гермокабины, пассажирские салоны. Почему минимальное значение коэффициента безопасности равно 1.5 для самолетов? Одним из требований к авиационной конструкции гласит, что в самолете должны отстутствовать необратимые пластические деформации материала. То есть при достижении предельных эксплуатационных перегрузок самолет не должен, грубо говоря, потерять форму безвозвратно. Это уже завязано на параметр материала - предел текучести. Т.е. такие напряжения, при которых материал возвращается к своим первоначальным размерам полностью и деформируется упруго после снятия нагрузки. А разрушающие напряжения для большинства металлов примерно в 1.5 раза больше предела текучести.
Максимальная эксплуатационная перегрузка Ny зависит от типа проектируемого летательного аппарата. Различают несколько групп самолетов, разделенных по величине максимальной эксплуатационной перегрузки:
1. Неманевренные самолеты. Это самолеты с максимальной Ny не более 2.5 ед.
Это все пассажирские и транспортные самолеты.
2. Ограниченно маневренные самолеты с максимальной экслуатационной Ny лежащей в интервале от 2.5 до 6 единиц. Сюда относятся фронтовые бомбардировщики, штурмовики, тяжелые перехватчики (Су-24, Су-25, МиГ-25, МиГ-31)
3. Маневренные самолеты. Самолеты с максимальной эксплуатационной перегрузкой от 6 до 9 единиц. Это - все современные истребители.
4. Спортивно-пилотажные самолеты. Этот те экстремальные самолеты, которые могут выходить на перегрузки до Ny=+12 единиц - Су-29, Су-31, Як-55, наверное зарубежные аналоги - всякие Extra 300.
Исходя из класса самолета определяется и природа возникновения максимальных эксплуатационных перегрузок. Для неманевренных самолетов выход на максимальные перегрузки связан с полетом в неспокойном воздухе, для остальных - максимальные перегрузки достигаются в следствии, естессна, криволинейного полета - маневрирования.
Масса самолета. Было бы просто сказать, что мол самолет должен без проблем выходить на максимальную перегрузку при максимальной взлетной массе. И на значительном числе самолетов такое условие выполняется. Правда порой такие жертвы ни к чему и дабы не перетяжелять конструкцию вводятся некоторые ограничения на максимальные массы и максимальные перегрузки.
Вернусь обратно к заглавному рисунку. Если на правой консоли я нарисовал распределение подъемной силы по размаху крыла, то на левой консоли я нарисова эпюру изгибающего момента. Наугад, примерно. Но общую картину она отражает. Следует также заметить, что крыло, помимо изгиба нагружается еще и крутящим моментом, так как линия действия резуьтирующей аэродинамической силы и линия жесткости крыла не совпадают.
Распределение подъемной силы по размаху и по хорде крыла зависит от режима полета самолета. В некоторых случаях максимальным будет изгибающий момент, в некоторых - крутящий, а могут быть и такие случаи, когда вроде и изгибающий момент не максимален, и крутящий тоже. Однако совместное их действие вызывает максимальные напряжения в элементах конструкции. Такие предельные режимы полета называются расчетными случаями (loadcase). Предствляют они собой крайние точки эксплуатационных ограничений самолета (flight envelope). Расчетных случаев - великое множество, к отдельным элементам конструкции и агрегатам могут применяться дополнительные комбинации нагрузок и для них количество расчетных случаев может исчисляться десятками, а то и сотнями.
В таблице ниже приведены несколько основных полетных случаев:
В шапке таблицы названия расчетных случаев - А, А-штрих, B, C, D и D-штрих, слева - параметры полета самолета:
Су - коэффициент подъемной силы крыла
ny - перегрузка
q - скоростной напор.
f - коэффициент безопасности принимаемый для данного расчетного случая.
Случай А - полет самолета при максимальной эксплуатационной перегрузке на углах атаки соответствующих максимальному коэффициенту подъемной силы (близких к критическому углу атаки для самолета). Скоростной напор при этом не будет максимальным, а будет зависить от описаного в таблице соотношения. Этот расчетный случай возможен при энергичном вводе самолета в вертикальный маневр, действие на самолет вертикального порыва воздуха.
Случай А-штрих - криволинейный полет самолета при предельном скоростном напоре и максимальной эксплуатационное перегрузке. Подъемная сила одинакова в двух этих случаях, она равна весу самолета умноженому на ny. Другое дело, что в расчетном случае А перегрузка реализуется за счет максимального угла атаки, путем быстрого выхода самолета на него и интенсивным торможением, а в случае А-штрих перегрузка реализуется на малых углах атаки при максимальном скоростном напоре. Реализация расчетного случая А-штрих возможна, например при выводе самолета из пикирования. Коэффициент безопасности равен тоже 1.5.
Основная разница - в распределении подъемной силы по размаху и хорде крыла. В случае А распределение будет таким, каким я его нарисовал на заглавной картинке - плавно увеличивающимся от законцовок к фюзеляжу. В случае А-штрих, который характеризуется меньшими углами атаки на диаграмме распределения подъемной силы будут наблюдаться провалы в местах крепления двигателей, внешних подвесок и фюзеляжа. Эти элементы не столь совершенны аэродинамически как профиль крыла, а потому вклад в формирование подъемной силы заметен только на больших углах атаки, коих не наблюдается в случае А-штрих.
Различным будет и распределение нагрузки по хорде крыла. Проще рисунок показать:
Расчетный случай В - полет при перегрузке, примерно в половину от максимальной эксплуатационной, но с отклоненными элеронами. На максимальном скоростном напоре. Это комбинация совместного действия на крыло изгибающего и крутящих моментов умереной величины. f=2
Расчетный случай С - полет на углах атаки соответсвущих нулевой подъемной силе с отклоенными элеронами. Случай характеризуется практически нулевыми изгибающими моментами и максимальным крутящим. Пример - восходящая или нисходящая вертикальная бочка. f=2
Помимо полетных случаев есть еще и различные варианты расчетных случаев при посадке - посадки на основные опоры, посадки на переднюю опору, посадки с боковой перегрузкой, посадки на воду, посадки с убраным шасси. Помимо всего прочего есть уж совсем специальные расчетные случаи. К примеру при расчете нервюр на передней кромке 787 есть такой сучай - заклинивание привода выпуска предкрылка. А привод предкрылка - это такой вал, который идет через переднюю кромку и выпускает секции предкрылка посредством зубчатой передачи. Так вот в этом расчетном случае предполагается, что этот вал заклинивает и весь крутящий момент дожен быть уравновешен узлами крепления двигателя, который и вращает вал. То есть болты должны выдержать перерезывающую силу, да и нервюра сама, будучи довольно ажурной не должна потечь или сломаться. Но это - уже дебри.
Вернемся к картинке, которая была выложена в предыдущем лекционном рассказе. С деформацией крыла 787. Я нашел более красивый вариант:
На этой картинке показана зависимость прогиба крыла в зависимости от величины нагружения.
Neutral - понятное дело, крыло не нагружено.
10 feet In Flight - это положение крыла при полете с перегрузкой Ny = 1G, то есть - равномерный прямолинейный полет.
Limit Load - Этого пункта на картинке нет. А зря. Limit (Maximal) load - это как раз прогиб крыла при действии максимальной эксплуационной перегрузки, Ny = 2.5G Предельная, максимальная нагрузка (перегрузка) - так ее правильно называть.
150% Max Load - это ни что иное как разрушающая нагрузка. Она - это предельная перегрузка умноженая на коэффициент безопасности - те самые 150%. Корректные названия - расчетная нагрузка, разрушающая. По нерусски - ultimate load.
Когда в репортажах или статьях про статиспытания нового самолета говорят, что самолет выдержа 150% расчетной нагрузки - это неверно. 150% максимальной нагрузки - это верно.
Таким образом сравнительно легко можно прикинуть разрушающую перегрузку для любого самолета - достаточно открыть РЛЭ, найти там максимально допустимую перегрузку и умножить ее на 1.5. Для неманевренных самолетов с Ny = 2.5G разрушающая перегрузка будет равна не менее чем 3.75G. Сознательно написал не менее, потому что идеально точно спроектировать самолет не получается, прочнисты всегда перестраховываются и чуть добавляют материала в запас.
В диапазоне от нулевой нагрузки до предельной дожно выполняться требование отсутствия необратимых пластических деформаций в планере самолета. (1G < Ny < 2.5G)
В диапазоне от предельной нагрузки до разрушающей гарантируется неразрушение самолета, но допускается наличие пластических деформаций.(2.5G < Ny < 3.75G)
В диапазоне от расчетной нагрузки и выше не гарантируется по результатам расчета практически ничего. Не, вру. Конструкция должна на статических испытаниях выдержать расчетную нагрузку в течении не менее трех секунд. (Ny >= 3.75G)
Вот известная уже картинка. На ней как раз планер 787 нагружен расчетной нагрузкой:
Часто, да почти всегда, коэффициент безопасности ошибочно называют запасом прочности. Это не так. О различии этих параметров - в следующий раз.
Механические свойства металла проходят проверку в металлургических заводах с помощью выборочных испытаний, поэтому в полнее вероятно попадание в конструкции материала с нижеприведенными свойствами, установленные ГОСТом.
Контроль механических свойств металла происходит на малых образцах во время одноосного растяжения, но фактически металл работает в большеразмерных конструкциях во время сложного напряженного состояния.
Коэффициент безопасности по материалам учитывает воздействия всех этих факторов по снижению несущей способности конструкции.
Установить падение механических свойств против нормативных значений возможно в результате обработки статистических данных заводских испытаний стали, а работу стали в конструкциях – в результате исследования.
По итогу анализов кривых распределения испытаний стали можно определить коэффициент безопасности для назначения расчетного сопротивления стали по пределу текучести.
В результате установления расчетного сопротивления по пределу текучести значения коэффициента k м = 1,1 - 1,2 для стали классов С 38/23 - С 60/45 .
Коэффициент безопасности по материалу принимается повышенным, если идет назначение расчетного сопротивления по временному сопротивлению.
Предположим, что произошли непредвиденные обстоятельства, после чего напряжения в конструкции достигли значения предела текучести, вследствие произошедшего растянутые и изгибаемые элементы стали получать повышенные деформации, но они не придут в негодность, но если напряжения сравняется с временным сопротивлением, то будет разрыв элемента, что никак нельзя допустить. В связи с этим коэффициент безопасности по материалу для расчетного сопротивления для стали классов С 46/33 и С 52/40 равняется 1,5, для 60/45 - С 85/75 = 1,6, а для С 38/23 - С 44/29 = 1,45.
9) Работа и расчет на устойчивость центрально сжатых стержней.
Поведение стержня под нагрузкой характеризуется графиком (рис.2.4,б), где вначале с ростом нагрузки стержень сохраняет прямолинейную форму, с дальнейшим ростом нагрузки, когда стержень теряет свою устойчивость и начинает выпучиваться. Последующий (небольшой) рост внешней нагрузки сопровождается быстрым увеличением поперечного прогиба f . После достижения максимальной нагрузки – второй критической силы - стержень теряет несущую способность (неустойчивое состояние).
Устойчивое состояние может быть при и (точки 1 и 2). Однако при стержень может находиться в устойчивом состоянии (точка 2) и неустойчивом (точка 3) при одинаковой сжимающей силе.
Критическое состояние может быть при и при (точки и ).
 |
Рис.2.4. Работа центрально-сжатого стержня:
а – расчетная схема; б – зависимость между нагрузкой и прогибом стержня
На практике гибкость центрально сжатых стержней (колонн, элементов ферм, рам и т.д.) составляет примерно половину указанных предельных.
В приведенной классической схеме, в которой предполагается, что в момент потери устойчивости нагрузка остается постоянной, тогда на выпуклой стороне стержня происходит разгрузка и материал начинает работать по упругому закону. Однако, если деформация сжатия в процессе продольного изгиба растет или остается постоянной в каждой точке сечения стержня, т.е. разгрузки не происходит, то все сечение находится в пластическом состоянии, характеризуемом касательным модулем деформации .
В этом случае критическое напряжение в пластической области будет В строительных конструкциях встречаются обе схемы работы сжатых стержней. Например, сжатые элементы статически неопределимых систем (ферм, рам) теряют устойчивость по классической схеме - с разгрузкой. В момент потери устойчивости происходит перераспределение усилий между элементами. В колоннах, работающих по статически определимой схеме, будет реализовываться вторая схема – без разгрузки.
До сих пор рассматривался идеально прямой стержень с нагрузкой, приложенной строго по оси. Однако в практике такого не существует. Конструктивное оформление концов сжатых стержней не обеспечивает идеальную центровку, поэтому эти факторы учитываются введением в расчет эквивалентного эксцентриситета сжимающей силы “ ”. Он зависит от гибкости и с ростом ее возрастает. В практических расчетах пользуются , т.е. со случайным эксцентриситетом. Тогда , где - коэффициент устойчивости или его еще называют коэффициентом предельного изгиба при центральном сжатии.
В нормах на проектирование даются формулы и соответствующие таблицы для определения .
10) Работа и расчет на устойчивость внецентренно сжатых и сжато изогнутых стержней.
При одновременном действии на стержень осевой силы и изгибающего момента (вызванного внецентренным приложением нагрузки ) несущая способность его определяется размерами поперечного сечения и предельной прочностью материала.
В упругой стадии работы материала напряжения в поперечном сечении стержня могут быть представлены в виде суммы напряжений от центрального сжатия и от изгиба .
Основы расчета на устойчивость внецентренно сжатых и сжато - изогнутых стержней.
Потеря несущей способности длинных гибких стержней при одновременном действии сжимающей силы и изгибающего момента происходит от потери устойчивости. При этом соответствующее состояние равновесия можно определить так же, как для центрального сжатия, а именно - устойчивое состояние; - неустойчивое состояние; - критическое состояние (где и - приращение работ внешних и внутренних сил).
Внецентренно сжатые стержни реальных металлических конструкций теряют устойчивость при развитии пластических деформаций.
Критическая сила зависит от эксцентриситета “e” . На практике удобнее пользоваться безразмерным относительным эксцентриситетом m=e/ρ , где ρ=W/A - ядровое расстояние со стороны наиболее сжатой фибры стержня.
Формула проверки устойчивости внецентренно сжатого стержня будет
N / (Aφ e) R y γ c
Для обеспечения устойчивости внецентренно сжатых (сжато-изогнутых) стержней целесообразно с целью экономии металла развивать сечение в направлении эксцентриситета. Например, как показано на рис.2.6. При этом возрастает опасность потери устойчивости стержня в перпендикулярном направлении – относительно оси “y” . В связи с этим в формулу проверки устойчивости относительно оси “y ” вводится пониженный коэффициент с.
N / cφ y A γ c R y
где с =N cr .M/N cr =φ y .M/φ y ; φ y .N cr –соответственно коэффициент устойчивости и критическая сила при центральном сжатии; N cr .M. φ y .M – критическая сила и соответствующий коэффициент устойчивости центрального сжатия относительно оси “y” при наличии момента в перпендикулярной плоскости.Коэффициент “c” зависит ототносительного эксцентриситета m x =e/ρ x .формы поперечного сечения стержня и гибкости λy .
 |
Рис.2.6. Наиболее рациональное положение двутаврового сечения при внецентренном сжатии стержней
12) Работа и расчет стыковых сварных соединений.
При проектировании сварных соединений необходимо учитывать их неоднородность, определяемую концентрацией напряжений, изменением механических характеристик металла и наличием остаточного и напряженно-деформированного состояния.
Хорошо сваренные встык соединения имеют небольшую концентрацию напряжений от внешних сил, поэтому прочность таких соединений при растяжении или сжатии зависит от прочностных характеристик основного металла и металла шва. Разделка кромок соединяемых элементов не влияет на статическую прочность соединения и может не учитываться.
Сварной шов в начале и конце, насыщен дефектами (в силу неустановившегося теплового режима сварки), поэтому начало и конец шва следует выводить на технологические планки, после окончания сварки и остывания шва эти планки удаляются. В случае невозможности вывести концевые участки шва на технологические планки расчетная длина шва будет меньше его фактической длины.
С помощью угловых швов выполняются различные виды соединений в металлических конструкциях: тавровые, в угол, внахлест.
Соединения внахлестку выполняются угловыми швами; они могут быть как фланговыми, так и лобовыми.
В соответствии с характером передачи усилий фланговые швы работают одновременно на срез и изгиб. Разрушение шва начинается с конца и происходит как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления, особенно если наплавленный металл прочнее основного.
Лобовые швы передают усилия достаточно равномерно по ширине элемента, но крайне неравномерно по толщине шва, вследствие резкого искривления силового потока при переходе усилия с одного элемента на другой, особенно, напряжения велики в корне шва Разрушение лобовых швов происходит так же как фланговых по одному из двух сечений (металлу шва или по металлу сплавления).
Расчет:
При расчете сварных соединений необходимо учитывать вид соединения, способ сварки (автоматическая, полуавтоматическая, ручная) и сварочные материалы, соответствующие основному материалу конструкции.
Расчет стыковых сварных соединений при действии осевой силы , проходящей через центр тяжести соединения, выполняют по формуле . Отсюда 
где - наименьшая из толщин соединяемых элементов; - расчетная длина шва, равная полной его длине, уменьшенной на , или полной его длине, если концы шва выведены за пределы стыка (например, на технологические планки); - расчетное сопротивление стыковых сварных соединений по пределу текучести (см.СНиП II-23-81*, прил.5); - коэффициент условия работы.
При отсутствии физических методов контроля расчетное сопротивление металла сварного соединения по нормам составляет .
При действии сдвигающей силы Q на стыковой шов, в шве возникают срезывающие напряжения .
Расчетное сопротивление при сдвиге соединения , где - расчетное сопротивление основного металла на сдвиг.
Если расчетное сопротивление металла шва в стыковом соединении меньше расчетного сопротивления основного металла, проверку выполняют по сечению металла шва.
Сварные стыковые соединения, выполненные без применения физических методов контроля качества, при одновременном действии в одном и том же сечении шва нормальных напряжений и , действующих по взаимнперпендикулярным направлениям «Х» и «У» и касательных напряжений следует проверять по формуле:
Расчетная площадь сечения шва при разрушении по металлу шва равна 
, при разрушении по металлу границы сплавления A wz = z k f l w
Расчетным является сечение по металлу границы сплавления. В этом случае расчетная длина шва 
.
Если 
, то расчетным сечением является сечение по металлу шва и напряжение
Если 
, то проверка прочности соединения выполняется по металлу границы сплавления, тогда: ,
где - усилие проходящее через центр тяжести соединения; - расчетная длина шва в сварном соединении, равная суммарной длине всех его участков за вычетом 1 см; и - коэффициенты, принимаемые по табл.4.3 и учитывающие проплавление металла при сварке.
14) Составные балки. Компоновка и подбор сечения.
Балки составного сечения применяют в случаях, когда прокатные балки не удовлетворяют условиям прочности, жесткости, общей устойчивости, т. е. при больших пролетах и больших изгибающих моментах, а также если они экономичнее. Основные типы сечений составных балок показаны на рис. 4, в, г.
Рис. 5. Сечения балок
а - прокатные, б - прессованные, в - сварные, г - клепаные и болтовые
Составные балки применяют, как правило, сварными. Сварные балки экономичнее клепаных. Их сечение обычно состоит из трех листов: вертикального - стенки и двух горизонтальных - полок, которые сваривают на заводе автоматической сваркой. Для балок под тяжелую подвижную нагрузку (большие подкрановые балки) иногда применяют клепаные балки, состоящие из вертикальной стенки, поясных уголков и одного - трех горизонтальных листов. Клепаные балки тяжелее сварных и более трудоемки в изготовлении, но их применение оправдывают благоприятная работа под большими динамическими и вибрационными нагрузками, а также относительная легкость образования мощных поясов.
Для экономии материала в составных балках изменяют сечения по длине в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Упругопластическая работа материала в таких балках допускается с теми же ограничениями, что и для прокатных балок.
Задача компоновки сечений составных балок варианта, и от ее правильного решения во многом зависят экономичность и технологичность балок. Начинать компоновку сечения надо с определения высоты балки, от которой зависят все остальные параметры балок.
13) Работа и расчет болтовых соединений.
Работа на сдвиг является основным видом работы большинства соединений, причем в разных соединениях она имеет свои особенности.
В соединениях на болтах с неконтролируемой силой затяжки гайки грубой, нормальной и повышенной точности, силы стягивания пакета болтами, а следовательно, и развивающиеся силы трения между соединяемыми элементами при действии сдвигающих сил на соединение неопределенны и в большинстве случаев недостаточны для полного восприятия этих сдвигающих сил. Работу такого соединения можно разбить на четыре этапа. На 1-м этапе, пока силы трения между соединяемыми элементами не преодолены, сами болты не испытывают сдвигающих усилий и работают только на растяжение, все соединение работает упруго. Так работают сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах. При увеличении внешней сдвигающей силы силы внутреннего трения оказываются преодоленными и наступает 2-й этап - сдвиг всего соединения на величину зазора между поверхностью отверстия и стержнем болта. На 3-м этапе сдвигающее усилие в основном передается давлением поверхности отверстия на стержень болта; стержень болта и края отверстия постепенно обминаются; болт изгибается, растягивается, так как головка и гайка препятствуют свободному изгибу стержня. Постепенно плотность соединения расстраивается, силы трения уменьшаются и соединение переходит в 4-й этап работы, характеризующийся его упругопластической работой. Разрушение соединения происходит от среза болта, смятия и выкола одного из соединяемых элементов или отрыва головки болта.
Работа эта сильно осложнена неправильностью формы болта и стенки отверстия, поэтому расчет соединения носит условный характер.
Различают также работу одноболтового и многоболтового соединения. В многоболтовом соединении эти же неправильности формы болта и отверстия, а также возможные зазоры между болтом и отверстием неизбежно приводят к неравномерной работе отдельных болтов соединения, что учитывают соответствующим назначением коэффициента условий работы соединения.
Расчет ведут исходя из возможного вида разрушения соединения по срезу болта при толстых соединяемых листах или по смятию поверхности отверстия при тонких листах:
а) расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом по срезу:
(6.1)
Число болтов n в соединении при действии сдвигающей силы N, приложенной к центру тяжести соединения, определяют, предполагая работу всех болтов одинаковой
Расчет самих соединяемых элементов на прочность ведут с учетом ослабления сечения отверстиями по площади нетто Лит, но с допущением упругопластической работы материала соединяемых элементов, учитываемой коэффициентом условий работы. Он принимается: для сплошных балок, колонн и стыковых накладок 1,1, для стержневых конструкций покрытий и перекрытий 1,05 и учитывается одновременно с коэффициентом условий работы всей конструкции;
в) в соединениях на высокопрочных болтах с контролируемой силой натяжения болта (сдвигоустойчивых, фрикционных) силы стягивания соединяемых элементов болтами настолько велики, что при действии сдвигающих сил возникающие в соединении силы трения полностью воспринимают эти сдвигающие силы и все соединение работает упруго.
Решающее значение в работе такого соединения имеют сила натяжения болта (равная расчетному усилию болта на растяжение) и качество поверхностей трения. Расчетное сдвигающее усилие, которое может быть воспринято в соединении элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, может быть определено по формуле:
Аналогично формуле (6.2) необходимое для передачи сдвигающей силы число болтов n в соединении находят, считая распределение силы между болтами равномерным:
