Главная
Каталог техники
Новости
Библиотека
Контакты
Карта сайта








Заключение



В предыдущих главах изложены основные положения курса сопротивления материалов, составляющие комплекс правил и методов для решения простейших задач прочности в инженерном деле.

В то же время, на практике приходится решать более сложные задачи, часто требующие проведения специальных исследований. Будущие инженеры-механики, практическая деятельность которых в той или иной степени связана с вопросами прочности конструкций, должны представлять себе те научные проблемы, которые стоят перед учеными и инженерами-прочнистами на современном этапе технического прогресса. Эти проблемы сводятся к тому, чтобы при проектировании и расчете на прочность и жесткость той или иной реальной детали, на которую действуют известные по величине силовые и тепловые нагрузки, был выбран наиболее подходящий материал с точки зрения оптимальной работы в будущей детали с учетом условий ее эксплуатации, чтобы при этом деталь была минимального веса и имела оптимальные конструктивные формы и технологию ее обработки.

Ниже остановимся на основных научных проблемах в области прочности, диктуемых уровнем современного технического прогресса человечества и перспективами его динамичного развития в ближайшие годы.

Прежде всего необходимо отметить, что в современных условиях развития науки и техники, когда появляются новые классы ранее неизвестных материалов, обладающих часто специфическими свойствами, взгляды на такие материалы и оценку их сопротивления изменились. Создание многих материалов, и в первую очередь композиционных,— дело не только материаловедов, но и в не меньшей степени прочнистов, потому что во многих случаях приходится, строго говоря, конструировать прочный материал, рациональным образом располагая составляющие композиции. При этом многие материалы создаются с наперед заданными свойствами, обеспечивающими их оптимальную работу в той или иной детали с учетом условий ее эксплуатации и характера силовых и тепловых нагрузок.
Существенно изменилось и представление о современных проблемах прочности. В настоящее время такие проблемы возникают, как правило, в связи с реализацией общегосударственных программ по использованию новейших открытий в области физики, механики, биологии и других естественных и технических наук. Это, например, программы, связанные с использованием энергии расщепления атомного ядра, а также с освоением космоса. Именно в этих областях мы сталкиваемся с чрезвычайно тяжелыми эксплуатационными условиями работы элементов конструкций как в отношении интенсивности воздействия внешней среды и уровня силового и теплового нагружения, так и в отношении характера изменения этих воздействий во времени.

Обобщая условия, порождающие проблематику в области прочности, мы имеем основание утверждать, что в подавляющем большинстве эти проблемы возникают при создании машин, аппаратов и конструкций, некоторые элементы которых работают в экстремальных условиях, а их прочность определяет в конечном итоге надежность и долговечность всего агрегата.

К числу экстремальных условий, существенным образом интенсифицирующих разупрочнение материалов в эксплуатации, относятся достаточно высокие температуры (до 3000—4000 К), по-ниженные и весьма низкие температуры (до температуры жидкого гелия — около 4К), интенсивное радиационное облучение, высокотемпературные газы (продукты сгорания), содержащие химически активные примеси, металлические расплавы и морская вода, а также сочетание одновременно действующих различных перечисленных факторов.

Экстремальными следует считать также условия, при которых в эксплуатации протекают неустановившиеся режимы силового и теплового воздействий, в том числе периодические или случайные импульсные нагрузки и резкие теплосмены, т. е. фактически условия, которые имеютместо в реальной эксплуатации большинства стационарных энергетических установок, летательных аппаратов, различного типа турбомашин, корпусов надводных и подводных кораблей, химических установок, трубопроводов, двигателей внутреннего сгорания, подвижного состава железнодорожного транспорта, землеройных машин и т. п. Во многих из этих объектов при эксплуатации сложно сочетаются самые различные факторы, оказывающие неблагоприятное влияние на прочность и долговечность наиболее ответственных элементов конструкций.

Заметим, что классические методы сопротивления материалов без специальных исследований, главным образом экспериментальных, не позволяют учесть влияние многочисленных факторов, сопутствующих реальным условиям эксплуатации, при решении вопросов прочности тех или иных элементов конструкций и прогнозировать их долговечность. В связи с этим можно указать те вопросы и проблемы, стоящие перед прочнистами, решение которых вызывается настоятельными требованиями, запросами современного технического прогресса нашей страны.

Прежде всего внимание должно быть уделено накоплению экспериментальных данных о физико-механических свойствах различных материалов в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным — экстремальным для данного класса материалов, чтобы получить уравнения состояний материала при заданных условиях силового и теплового воздействий.

Отметим, что простейшим выражением уравнения состояния, характеризующего поведение материала под действием статически прикладываемой нагрузки, является графическое представление зависимости деформации испытуемого образца материала от нагрузки в виде диаграммы растяжения Р — Д/, или в относительных координатах — диаграммы напряжений о — е. В других случаях это будут графические или аналитические зависимости исследуемых характеристик прочности или деформативности от тех или иных факторов (времени, температуры, асимметрии цикла, интенсивности облучения и т. п.).

Необходимость проводить в первую очередь экспериментальные исследования различных аспектов сопротивления материалов обусловлена тем, что разупрочняющее влияние перечисленных выше факторов, имеющих место в эксплуатации, нельзя учесть расчетным путем. Чтобы правильно учесть наличие этих факторов на показатели конструктивной прочности материалов, нужно поставить соответствующие хорошо продуманные экспериментальные исследования по методикам, разработка которых часто представляет самостоятельный научный интерес. К тому же установить соответствующие аналитические критериальные зависимости можно только на основе большого количества экспериментальных данных о свойствах материала. Получают их при испытаниях изготовленных из этого материала специальных образцов в тех или иных условиях силового и теплового воздействий заданной длительности и режима изменения этих воздействий во времени.

Следует иметь в виду, что исследовать прочностные и деформационные свойства любого материала — это значит изучать его потенциальные возможности, чтобы выявить специфические свойстра и условия, при которых использование данного материала в конструкции было бы оптимальным. В других случаях нужно выявить те дополнительные модификации технологического и конструкционного характера, которые существенным образом скажутся на улучшении важнейших физико-механических свойств материала, а следовательно, и на повышении их прочности и долговечности при эксплуатации в тех или иных условиях.
Конкретизируя сказанное, приведем перечень вопросов по проблемам прочности, подлежащих решению в ближайшие годы. К числу таких вопросов относятся следующие:
1. Исследование прочности при высоких температурах жаропрочных и тугоплавких материалов при простом и сложном напряженном состояниях как при статических кратковременных и длительных нагрузках, так и при повторно-переменных нагрузках и теплосменах. Особое внимание при этом должно быть обращено на изучение длительной прочности и выносливости материала при неустановившихся режимах силового и теплового воздействия (раздельно и совместно).
2 Изучение основных механических характеристик прочности и пластичности конструкционных материалов при пониженных и низких температурах при статических, повторно-переменных и импульсных нагрузках с учетом конструкционно-технологических факторов для установления уравнений состояния материалов и обоснования критериев предельного состояния и прочности тех или иных типичных элементов конструкций, работающих в условиях низких температур.
3. Изучение влияния реакторного облучения на кратковременную и длительную прочность и пластичность, а также на другие механические свойства конструкционных материалов при различных видах силового и теплового воздействий, установление уравнений состояния различных материалов и получение критериев их прочности, учитывающих эффект влияния радиационного облучения.
4. Изучение влияния агрессивных сред (металлических расплавов, продуктов сгорания, морской воды и др.) на механические свойства конструкционных материалов при длительных статических и повторно-переменных нагрузках в условиях нормальных и высоких температур с целью выявить эффект разупрочнения материалов, обусловленный влиянием среды, а также выбрать оптимальные защитные покрытия исследуемого материала.
5. Изучение влияния различного рода покрытий тугоплавких материалов и их сплавов на показатели прочности и пластичности этих материалов при высоких температурах, чтобы оптимизировать тип покрытия и технологию его нанесения для различных условий эксплуатации элементов конструкций из тугоплавких и жаропроч-ных материалов с покрытием.
6. Исследование характеристик конструкционной прочности композиционных материалов для оптимизации их состава и прочности объектов из композиционных материалов и установления критериев предельного состояния типовых изделий из композиционных материалов и разработки методов их расчетов.
7. Исследование конструкционной прочности хрупких материалов типа стекла и металла с целью создать рациональные инженерные решения
8. Изучение влияния реакторного облучения на кратковременную и длительную прочность и пластичность, а также на другие механические свойства конструкционных материалов при различных видах силового и теплового воздействий, установление уравнений состояния различных материалов и получение критериев их прочности, учитывающих эффект влияния радиационного облучения.
9. Изучение влияния агрессивных сред (металлических расплавов, продуктов сгорания, морской воды и др.) на механические свойства конструкционных материалов при длительных статических и повторно-переменных нагрузках в условиях нормальных и высоких температур с целью выявить эффект разупрочнения материалов, обусловленный влиянием среды, а также выбрать оптимальные защитные покрытия исследуемого материала.
10. Изучение влияния различного рода покрытий тугоплавких материалов и их сплавов на показатели прочности и пластичности этих материалов при высоких температурах, чтобы оптимизировать тип покрытия и технологию его нанесения для различных условий эксплуатации элементов конструкций из тугоплавких и жаропроч-ных материалов с покрытием.
11. Исследование характеристик конструкционной прочности композиционных материалов для оптимизации их состава и прочности объектов из композиционных материалов и установления критериев предельного состояния типовых изделий из композиционных материалов и разработки методов их расчетов.
12. Исследование конструкционной прочности хрупких материалов типа стекла и ситалла с целью создать рациональные инженерные конструкции, в которых бы в наиболее полной мере были реализованы характерные положительные свойства (низкий удельный вес и высокая прочность при сжатии) этих материалов.
13. Дальнейшее развитие механики разрушения и прежде всего теории трещин, а также живучести различного типа инженерных конструкций, имеющих трещины, и установление критериев предельного состояния таких конструкций, а также прогнозирование их долговечности.
14. Вопросы усталости, и в первую очередь малоцикловой усталости, совершенствование методов испытания на усталость, обоснование деформационных критериев малоцикловой усталости, установление физической модели накопления повреждений при повторно-переменных нагрузках, кинетики развития усталостных трещин в тех или иных условиях нагружения, статистический аспект усталости, а также разработка инженерных методов расчета элементов конструкций на прочность при повторно-переменных напряжениях с учетом различных факторов (вида напряженного состояния, конструктивно-технологических особенностей, температуры, начальной напряженности и т. п.).
15. Вопросы расчета напряженно-деформированного состояния как в упругой, так и, особенно, в упруго-пластической области элементов конструкций сложных форм под действием внешних нагрузок (в том числе изменяющихся во времени) и неравномерного нагрева, вызывающего большие термические напряжения, при широком использовании современной вычислительной техники.
16. Исследование физических аспектов прочности материалов и элементов конструкций при широком использовании электронной микроскопии, рентгено-структурного анализа, фрактографии, ультразвуковой дефектоскопии и т. п.
17. Изыскание методов оценки накопления поврежденности материала и установления динамики изменения повреждаемости по мере наработки часов в процессе эксплуатации высоконапряженных ответственных элементов конструкций.

Можно было бы указать и более частные вопросы, представляющие значительный научный интерес и большую практическую ценность для технического прогресса.
Исследование конструктивной прочности рулонированных тонкостенных и толстостенных оболочек типа газопроводных труб и корпусов атомных реакторов Здесь имеются в виду как разработка теории расчета таких систем, так и экспериментальное исследование их напряженно-деформированного состояния (в том числе в упруго-пластической области) и разрушения под действием силовых нагрузок и теплосмен при неравномерном нагреве, а также малоцикловой усталости. Цель — установить их предельное состояние и разработать метод расчета таких объектов на прочность примени-тельно к тем или иным условиям их эксплуатации.

назад