Алан Арнольд Гриффит и теория хрупкого разрушения материалов

Введение

Британский инженер (1893–1963)

Алан Арнольд Гриффит В то время общепринятым было представление о том, что прочность материала составляет E/10, где E – модуль Юнга для данного материала. Однако было хорошо известно, что эти материалы зачастую разрушаются при нагрузках, составляющих лишь тысячную часть этого предсказанного значения. Гриффит обнаружил, что в любом материале присутствует множество микроскопических трещин, и предположил, что именно эти трещины снижают общую прочность материала. Это объясняется тем, что любая полость в твердом теле или царапина на поверхности концентрирует напряжение, что уже было известно специалистам-машинистам. Эта концентрация позволяет напряжению достичь значения E/10 на вершине трещины задолго до того, как это могло бы произойти для материала в целом. На основе этих исследований Гриффит сформулировал собственную теорию хрупкого разрушения, используя концепции энергии упругой деформации. Его теория описывала поведение распространения трещин эллиптической формы, учитывая задействованную энергию. Гриффит описал распространение трещин с точки зрения внутренней энергии системы в связи с увеличением длины трещины, которое выражается уравнением

где Ue представляет собой упругую энергию материала, Us – площадь поверхности трещины, W – работа, приложенная к образцу, а dc – прирост длины трещины. Это соотношение было использовано для установления критерия Гриффита, который утверждает, что когда трещина способна распространиться настолько, чтобы вызвать разрушение материала, прирост энергии поверхности равен потере энергии деформации, и считается основным уравнением для описания хрупкого разрушения. Поскольку высвобождаемая энергия деформации прямо пропорциональна квадрату длины трещины, потребность в энергии для ее распространения превышает доступную энергию деформации только при относительно небольшой длине трещины. После достижения критической длины трещины Гриффита она становится опасной. Работа, опубликованная в 1920 году ("Феномен разрыва и текучести в твердых телах"), привела к новому пониманию во многих отраслях промышленности. "Нагартовка" материалов в результате таких процессов, как холодная прокатка, перестала быть загадкой. Конструкторы самолетов получили лучшее понимание причин разрушения своих конструкций, даже если они были построены с запасом прочности, превышающим необходимый, и вскоре стали прибегать к полировке металла для удаления трещин. Позднее, в 1950-х годах, эту работу обобщили Г. Р. Ирвин, Р. С. Ривлин и А. Г. Томас, применив ее практически ко всем материалам, а не только к хрупким.

Турбинные двигатели

В 1926 году Гриффит опубликовал основополагающую работу «Аэродинамическая теория проектирования турбин». Он показал, что неудовлетворительная работа существующих турбин была вызвана недостатком в их конструкции, из-за которого лопасти работали в режиме сваливания, и предложил современный профиль лопастей, который значительно повысил бы их эффективность. В работе описывался двигатель с осевым компрессором и двухступенчатой турбиной, первая ступень которой приводила в действие компрессор, а вторая – вал передачи мощности для привода воздушного винта. Эта ранняя конструкция стала предшественницей турбовинтового двигателя. В результате работы Комитет по аэронавтическим исследованиям поддержал небольшую экспериментальную установку с одноступенчатым осевым компрессором и одноступенчатой осевой турбиной. Работа была завершена в 1928 году с созданием рабочего прототипа, на основе которого была построена серия конструкций для испытания различных концепций. Примерно в это же время Фрэнк Уиттл написал свою диссертацию о турбинных двигателях, используя центробежный компрессор и одноступенчатую турбину, а избыточная мощность выхлопных газов использовалась для продвижения самолета. В 1930 году Уиттл представил свою работу в Министерство авиации, которое передало ее Гриффиту для получения отзывов. Указав на ошибку в расчетах Уиттла, он отметил, что большой лобовой размер компрессора сделает его непрактичным для использования в самолетах, а сам выхлоп обеспечит незначительную тягу. Министерство авиации ответило Уиттлу, что не заинтересовано в его проекте. Уиттл был разочарован, но друзья из Королевских ВВС убедили его продолжить работу над этой идеей. Уиттл запатентовал свою конструкцию в 1930 году и смог начать разработку в Power Jets в 1935 году. Гриффит стал главным научным сотрудником, ответственным за новую лабораторию Министерства авиации в Южном Кенсингтоне. Именно там он изобрел противоточную газовую турбину, в которой диски компрессора и турбины чередовались, вращаясь в противоположных направлениях. Между каждым вращающимся диском не требовался стационарный статор. Было сложно спроектировать лопасти для обеспечения необходимого угла закрутки и сложно герметизировать каналы потока компрессора и турбины друг от друга. В 1931 году он вернулся в Королевский авиационный исследовательский институт (RAE), чтобы возглавить исследования двигателей, но только в 1938 году, когда он стал начальником отдела двигателей, началась работа над разработкой двигателя с осевым потоком. Хейн Констант присоединился к отделу двигателей, который начал работу над первоначальной конструкцией Гриффита без противотока, сотрудничая с производителем паровых турбин Metropolitan Vickers (Metrovick). Через короткое время работа Уиттла в Power Jets начала демонстрировать значительный прогресс, и Гриффиту пришлось пересмотреть свою позицию относительно непосредственного использования реактивной струи для создания тяги. Быстрая переработка конструкции в начале 1940 года привела к созданию Metrovick F.2, который впервые был запущен позднее в том же году. F.2 был готов к летным испытаниям в 1943 году с тягой 2150 лб и был установлен в качестве замены двигателей на Gloster Meteor, F.2/40, в ноябре. Меньший двигатель привел к конструкции, которая больше напоминала Me 262 и имела улучшенные характеристики. Тем не менее, двигатель был признан слишком сложным и не был запущен в серийное производство. Гриффит присоединился к Rolls Royce в 1939 году и работал там до 1960 года, когда он вышел на пенсию с поста главного научного сотрудника компании. Он предложил компоновку простого турбореактивного двигателя, использующего осевой компрессор и одноступенчатую турбину, под названием AJ.65, который позже был переименован в Avon – первый серийный осевой турбореактивный двигатель компании. Он также предложил различные схемы двухконтурности, некоторые из которых были слишком сложными в механическом плане, но одна из них использовала два компрессора последовательно, компоновку, впоследствии использованную в Conway. Гриффит провел новаторские исследования в области технологий вертикального взлета и посадки (VTOL), например, управления в висении с помощью воздушных струй. Он предложил использовать батареи небольших, простых и легких турбореактивных двигателей для подъема самолета в горизонтальном положении, так называемый «плоский подъемник». Управление в висении исследовалось с использованием испытательного стенда Rolls Royce для измерения тяги, но с использованием обычных двигателей с отклоняемой тягой. Батарея из четырех подъемных двигателей была использована в Short SC.1.

In 1926, Griffith published the seminal paper An Aerodynamic Theory of Turbine Design. He demonstrated that the woeful performance of existing turbines was due to a flaw in their design which meant the blades were "flying stalled", and proposed a modern airfoil shape for the blades that would dramatically improve their performance. The paper went on to describe an engine using an axial compressor and two stage turbine, the first stage driving the compressor, the second a power take off shaft that would power a propeller. This early design was a forerunner of the turboprop engine. As a result of the paper, the Aeronautical Research Committee supported a small scale experiment with a single stage axial compressor and single stage axial turbine. Work was completed in 1928 with a working tested design, and from this a series of designs was built to test various concepts. At about this time, Frank Whittle wrote his thesis on turbine engines, using a centrifugal compressor and single stage turbine, the leftover power in the exhaust being used to push the aircraft along. Whittle sent his paper to the Air Ministry in 1930, who passed it on to Griffith for comment. After pointing out an error in Whittle's calculations, he stated that the large frontal size of the compressor would make it impractical for aircraft use, and that the exhaust itself would provide little thrust. The Air Ministry replied to Whittle saying they were not interested in the design. Whittle was crestfallen, but was convinced by friends in the RAF to pursue the idea anyway. Whittle patented his design in 1930 and was able to start Power Jets in 1935 to develop it. Griffith went on to become the principal scientific officer in charge of the new Air Ministry Laboratory in South Kensington. It was here that he invented the contraflow gas turbine, which used compressor/turbine discs alternately rotating in opposite directions. No stationary stator was required in between each spinning disc. It was difficult to design the blades for the correct amount of swirl and difficult to seal the compressor flow passage from the turbine flow passage. In 1931 he returned to the RAE to take charge of engine research, but it was not until 1938, when he became head of the Engine Department, that work on developing an axial flow engine actually started. Hayne Constant joined the Engine Department, which started work on Griffith's original non contraflow design, working with steam turbine manufacturer Metropolitan Vickers (Metrovick). After a short period, Whittle's work at Power Jets started to make major progress and Griffith was forced to re evaluate his stance on using the jet directly for propulsion. A quick redesign in early 1940 resulted in the Metrovick F.2, which ran for the first time later that year. The F.2 was ready for flight tests in 1943 with a thrust of 2,150 lbf, and flew as replacement engines on a Gloster Meteor, the F.2/40 in November. The smaller engine resulted in a design that looked considerably more like the Me 262, and had improved performance. Nevertheless, the engine was considered too complex, and not put into production. Griffith joined Rolls Royce in 1939, working there until 1960, when he retired from his post as the company's Chief Scientist. He proposed an arrangement for a simple turbojet engine, which used an axial compressor and single stage turbine, called the AJ.65 and renamed Avon, the company's first production axial turbojet. He also proposed various bypass schemes, some too complex mechanically but including one which used 2 compressors in series, the arrangement subsequently used in the Conway. Griffith carried out pioneering studies into vertical take off and landing (VTOL) technology, such as controlling in the hover using air jets. He proposed using batteries of small, simple, lightweight turbojets for lifting the aircraft in a horizontal attitude, a 'flat riser'. Control in the hover was investigated using the Rolls Royce Thrust Measuring Rig but using conventional engines with deflected thrust. A battery of four lift engines was used in the Short SC.1.

Наследие

Гриффит увековечен ежегодной медалью и премией имени А. А. Гриффита, присуждаемыми Институтом материалов, минералов и горного дела за вклад в материаловедение. Присуждение премии было прекращено в 2021 году.