Конструкции, или почему не ломаются вещи | Страница 62 | Онлайн-библиотека
Рассмотрим, например, статистику прочности самолетов. Так как экономия веса здесь очень важна, а последствия разрушения всегда ужасны, проектирование самолетов, естественно, ведется со всей тщательностью. Дотошно проверяется каждая деталь. Чертежи и расчеты делают высококвалифицированные специалисты, используя при этом самые передовые научные методы.
После окончания работы все расчеты совершенно независимо проверяются другой группой специалистов. Таким образом, окончательные результаты настолько безошибочны и точны, насколько это вообще в человеческих силах. Наконец, для полной надежности полномасштабная модель самолета испытывается на стендах до разрушения.
За последние годы было разработано лишь несколько новых моделей самолетов, так что современные данные статистически недостоверны. Однако, когда самолеты были проще и дешевле, сравнительно большое число моделей разрабатывалось по крайней мере до стадии опытного образца. В Англии между 1935 и 1955 гг. было построено и испытано на прочность около ста типов самолетов. Поэтому результаты, полученные в этот период, позволяют делать статистически достоверные выводы.
Естественно, что величина требуемой прочности зависит от размеров и назначения самолета. Однако можно сказать, что каждое конструкторское бюро стремится к такой прочности, при которой самолет разрушится только при нагрузке, составляющей 120% от предельной эксплуатационной нагрузки.
Если бы проектирование конструкций хоть сколько-нибудь походило на точную науку, можно было бы ожидать, что результаты различных испытаний, нанесенные на график, или гистограмму, тесно соберутся вокруг величины, равной 120% от расчетной нагрузки, с очень небольшим разбросом. Другими словами, результаты должны изображаться узким "нормальным распределением", примерно таким, как показано на рис. 153. Однако известно, что в жизни ничего подобного не происходит. Реальная гистограмма скорее похожа на рис. 154.
Экспериментальная прочность оказывается почти равномерно распределенной между 50 и 150% от требуемой расчетной нагрузки. Поэтому можно утверждать, что даже наиболее выдающиеся конструкторы могут ошибиться в предсказании прочности самолета в 2-3 раза. Некоторые из испытанных самолетов имели меньше половины нужной прочности; некоторые были слишком прочны и поэтому оказались значительно тяжелее, чем могли бы быть.
Что касается кораблей, то, оказывается, для них вообще не существует данных, на которые можно было бы опереться, так как корабли почти никогда не подвергались испытаниям на разрушение в лабораторных условиях. Поэтому невозможно сказать, хорошо или плохо делают свою работу конструкторы кораблей, по крайней мере в отношении расчетов на прочность. Однако, как мы видели в гл. 4, число аварий, вызванных конструктивными недостатками судов, весьма значительно, и в настоящее время количество катастроф на тонно-милю, по-видимому, растет.
Что касается мостов, то расчеты на прочность здесь проще, чем в предыдущих случаях, в основном благодаря более определенным нагрузкам. И все же количество аварий современных мостов также довольно велико.
Проектирование с помощью эксперимента
Погрешности теоретического проектирования делают, конечно, необходимыми экспериментальные исследования прочности всех разрабатываемых самолетов. Однако выгоды эмпирического подхода оказываются даже шире. Мы полагали, что целью конструктора является такая ситуация, при которой конструкция разрушается, как только нагрузка достигнет расчетной величины. Но маловероятно, что даже тщательным образом рассчитанная конструкция окажется равнопрочнее.
На испытательном стенде конструкция разрушается в одном, самом слабом месте, следовательно, во всех остальных точках прочность конструкции выше. Если силовая конструкция самолета разрушается как раз при требуемых 120% расчетной нагрузки, то это значит, что большая часть конструкции обладает излишней прочностью, в которой просто нет необходимости. Но при этом мы ничего не можем сказать о том, где и насколько можно облегчить конструкцию. Хотя повторные испытания больших сооружений требуют непомерных затрат времени и денег, но там, где это возможно, все-таки лучше сделать так, чтобы первое разрушение произошло при меньших нагрузках, чем требуемые. Такое испытание обнаруживает слабое место, которое следует усилить, затем испытание повторяют и т. д.
Один из самых удачных самолетов в истории авиации - бомбардировщик времен второй мировой войны "Москито" - первоначально разрушался в заднем лонжероне крыла при 86% расчетной нагрузки. Постепенным упрочнением конструкции самолета была достигнута величина 118%. Своими выдающимися боевыми качествами этот самолет был в значительной степени обязан чрезвычайно легкой и прочной силовой конструкции.
Грубо говоря, это - дарвиновский метод; так природа совершенствовала свои собственные конструкции, правда, она имела на то больше времени и меньше задумывалась о ценности жизни, чем нынешние инженеры. Аналогичный метод с замечательным размахом используют автомобильные фирмы, а также фирмы, выпускающие дешевые изделия массового производства. Они порой умышленно выбрасывают на прилавки менее прочную продукцию, чтобы на основании жалоб покупателей постепенно выявить дефекты своих изделий.
Таким образом, значительная доля проектирования элементов с заданной прочностью сводится к своеобразной игре, в которой последовательно латаются слабые места нагружаемой системы. Чем сложнее конструкция, тем это становится труднее и ненадежнее. Но, к счастью, проектирование большинства изделий, от мебели до самолетов, не становится совершенно невозможным благодаря тому, что требования нужной жесткости часто оказываются значительно важнее требований прочности. И конструкция, имеющая достаточную жесткость, зачастую автоматически оказывается и достаточно прочной. Так как перемещения конструкции зависят скорее от ее общего вида, чем от существования "слабейших" мест, то расчеты на жесткость делать проще и они гораздо надежнее расчетов на прочность. Именно это мы имеем в виду, говоря о проектировании "на глаз".
Сколько она будет служить?
В основу рассмотрения прочности и устойчивости каменных соборов профессор
Жак Хейман положил любопытный принцип:
Для большинства конструкций гниение и коррозия являются очень активными факторами разрушения. Отчасти именно страх перед гниением заставил английских архитекторов и инженеров отвернуться от древесины. Однако "бедные невежественные" жители США, Канады, Скандинавских стран и Швейцарии строят около 1500 тыс. деревянных домов в год, по-видимому ни мало не беспокоясь о гниении, и было бы неплохо посмотреть, как же они с ним справляются. Использование древесины в этих странах растет.
Разные породы деревьев подвержены гниению в весьма различной степени, и регистр "Ллойда" устанавливает определенный срок службы для каждого сорта древесины, используемой в кораблестроении. Однако при современном уровне знаний и технологии можно добиться практически неограниченного срока службы любой древесины.
Большинство металлов ржавеет, причем современная мягкая сталь ржавеет гораздо быстрее, чем викторианское кованое железо или чугун, поэтому борьба с коррозией является в некотором смысле проблемой последнего времени. Ручной труд сейчас очень дорог, поэтому велика стоимость окраски и содержания стальных конструкций. Одна из важных причин широкого распространения железобетона заключается в том, что армирующая бетон сталь не ржавеет.