Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард (книги онлайн .txt) 📗

Во время войны английские авиаконструкторы были поставлены перед необходимостьюразумного компромисса между прочностью и другими качествами самолета. Потерибомбардировщиков от действий немецкой противовоздушной обороны были оченьбольшими, примерно один из 20 самолетов не возвращался из каждого боевоговылета [120]. Напротив,потери самолетов вследствие разрушения конструкции были незначительными - многоменьше одного самолета из 10 тыс. Вес силовой конструкции самолета составляетпримерно треть его общего веса, и было бы, видимо, разумным еще уменьшить его вобмен на другое оборудование, дающее самолету дополнительные преимущества. Вэтом случае число катастроф несколько увеличилось бы, но сэкономленный такимобразом вес позволил бы увеличить число и калибр пушек или толщину брони, чтопривело бы к существенному общему снижению потерь. Но авиаторы не хотели дажеслышать об этом. Они предпочитали больший риск быть сбитыми гораздо меньшемуриску аварии по техническим причинам.

Чувство возмущения поломкой конструкции, по мнению Пагсли, унаследованонами от далеких предков, испытывавших постоянный страх, кроме всего прочего,и оттого, что сук или ветка дерева, на котором они жили, сломаются, и ихдети, да и они сами, окажутся в пасти какого-нибудь саблезубого тигра илипещерного медведя. Как бы то ни было, инженеры не могут не считаться сэтим чувством, хотя возникающий вследствие этого дополнительный вес можетзачастую привести и к увеличению опасности.

О точности расчетов на прочность

Любой рациональный подход к вопросам прочности и надежности требуетот инженера умения предсказать с достаточной точностью прочность предлагаемойим новой конструкции, даже если он толком не знает, на сколько времениэтой прочности хватит. Как мы видели в гл. 3, прочность таких простых конструкций,как канаты, цепи, прямые колонны или балки, можно рассчитать достаточнонадежно. Но этого не получается в случае весьма сложных конструкций, таких,как самолеты и корабли, для которых вопросы прочности особенно важны. Зная,что имеется огромный опыт проектирования различных сооружений, что существуетобширная и математически изощренная литература на эту тему, что читаютсябесконечные лекции по теории конструкций, мы можем не поверить последнемуутверждению. Но это действительно так.

Рассмотрим, например, статистику прочности самолетов. Так как экономиявеса здесь очень важна, а последствия разрушения всегда ужасны, проектированиесамолетов, естественно, ведется со всей тщательностью. Дотошно проверяетсякаждая деталь. Чертежи и расчеты делают высококвалифицированные специалисты,используя при этом самые передовые научные методы.

После окончания работы все расчеты совершенно независимо проверяютсядругой группой специалистов. Таким образом, окончательные результаты настолькобезошибочны и точны, насколько это вообще в человеческих силах. Наконец,для полной надежности полномасштабная модель самолета испытывается на стендахдо разрушения.

За последние годы было разработано лишь несколько новых моделей самолетов,так что современные данные статистически недостоверны. Однако, когда самолетыбыли проще и дешевле, сравнительно большое число моделей разрабатывалосьпо крайней мере до стадии опытного образца. В Англии между 1935 и 1955 гг. было построено и испытано на прочность около ста типов самолетов. Поэтомурезультаты, полученные в этот период, позволяют делать статистически достоверныевыводы.

Естественно, что величина требуемой прочности зависит от размеров и назначениясамолета. Однако можно сказать, что каждое конструкторское бюро стремится ктакой прочности, при которой самолет разрушится только при нагрузке,составляющей 120% от предельной эксплуатационнойнагрузки [121].

Если бы проектирование конструкций хоть сколько-нибудь походило на точнуюнауку, можно было бы ожидать, что результаты различных испытаний, нанесенныена график, или гистограмму, тесно соберутся вокруг величины, равной 120%от расчетной нагрузки, с очень небольшим разбросом. Другими словами, результатыдолжны изображаться узким "нормальным распределением", примерно таким,как показано на рис. 153. Однако известно, что в жизни ничего подобногоне происходит. Реальная гистограмма скорее похожа на рис. 154.

Рис. 153. Ожидаемое статистическое распределениевеличины разрушающей нагрузки самолета (схематическая диаграмма).

Рис. 154. Действительное распределение прочностисамолетов, испытанных на разрушение в течение 1935-1955 гг. (весьма приближенно).

Экспериментальная прочность оказывается почти равномерно распределенноймежду 50 и 150% от требуемой расчетной нагрузки. Поэтому можно утверждать,что даже наиболее выдающиеся конструкторы могут ошибиться в предсказаниипрочности самолета в 2-3 раза. Некоторые из испытанных самолетов имелименьше половины нужной прочности; некоторые были слишком прочны и поэтомуоказались значительно тяжелее, чем могли бы быть.

Что касается кораблей, то, оказывается, для них вообще не существуетданных, на которые можно было бы опереться, так как корабли почти никогдане подвергались испытаниям на разрушение в лабораторных условиях. Поэтомуневозможно сказать, хорошо или плохо делают свою работу конструкторы кораблей,по крайней мере в отношении расчетов на прочность. Однако, как мы виделив гл. 4, число аварий, вызванных конструктивными недостатками судов, весьмазначительно, и в настоящее время количество катастроф на тонно-милю, по-видимому,растет.

Что касается мостов, то расчеты на прочность здесь проще, чем в предыдущихслучаях, в основном благодаря более определенным нагрузкам. И все же количествоаварий современных мостов также довольно велико.

Проектирование с помощью эксперимента

Погрешности теоретического проектирования делают, конечно, необходимымиэкспериментальные исследования прочности всех разрабатываемых самолетов.Однако выгоды эмпирического подхода оказываются даже шире. Мы полагали,что целью конструктора является такая ситуация, при которой конструкцияразрушается, как только нагрузка достигнет расчетной величины. Но маловероятно,что даже тщательным образом рассчитанная конструкция окажется равнопрочнее.

На испытательном стенде конструкция разрушается в одном, самом слабомместе, 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 обладаетизлишней прочностью, в которой просто нет необходимости. Но при этом мыничего не можем сказать о том, где и насколько можно облегчить конструкцию.Хотя повторные испытания больших сооружений требуют непомерных затрат времении денег, но там, где это возможно, все-таки лучше сделать так, чтобы первоеразрушение произошло при меньших нагрузках, чем требуемые. Такое испытаниеобнаруживает слабое место, которое следует усилить, затем испытание повторяюти т. д.

Один из самых удачных самолетов в истории авиации - бомбардировщик временвторой мировой войны "Москито" - первоначально разрушался в заднем лонжеронекрыла при 86% расчетной нагрузки. Постепенным упрочнением конструкции самолетабыла достигнута величина 118%. Своими выдающимися боевыми качествами этотсамолет был в значительной степени обязан чрезвычайно легкой и прочнойсиловой конструкции.

Грубо говоря, это - дарвиновский метод; так природа совершенствоваласвои собственные конструкции, правда, она имела на то больше времени именьше задумывалась о ценности жизни, чем нынешние инженеры. Аналогичныйметод с замечательным размахом используют автомобильные фирмы, а такжефирмы, выпускающие дешевые изделия массового производства. Они порой умышленновыбрасывают на прилавки менее прочную продукцию, чтобы на основании жалобпокупателей постепенно выявить дефекты своих изделий.