Введение
В проектировании с гарантированным сроком службы изделия рассчитаны на вывод из эксплуатации по истечении заданного срока. Концепция гарантированного срока службы особенно актуальна для простых металлических самолетов, где элементы конструкции подвергаются переменным нагрузкам на протяжении всего срока эксплуатации, что делает их уязвимыми к металлической усталости. В определенных областях, таких как крылья или хвостовое оперение, обрушение конструкции в полете будет катастрофическим. Метод проектирования с гарантированным сроком службы применяется в критически важных системах, которые либо очень сложно ремонтировать, либо отказ которых может привести к серьезному ущербу для жизни и имущества. Эти системы рассчитаны на работу в течение многих лет без необходимости проведения ремонта. Недостатком подхода, основанного на гарантированном сроке службы, является необходимость делать существенные предположения относительно переменных нагрузок, воздействующих на самолет, и если эти предположения окажутся неверными, трещины могут начать формироваться до вывода компонента из эксплуатации. Для преодоления этого недостатка были разработаны альтернативные подходы к проектированию, такие как концепции "безопасного отказа" и отказоустойчивости.
Автомобильная промышленность
Одним из аспектов подхода, ориентированного на безопасность, является планирование и прогнозирование долговечности механизмов в автомобильной промышленности. Этот подход сформировался еще в середине 1800-х годов, когда с появлением паровой машины усилилась повторяющаяся нагрузка на механические конструкции (Oja 2013). По словам Майкла Оджи, инженеры и ученые начали понимать влияние циклического напряжения (или деформации) на срок службы компонента; была разработана кривая, связывающая величину циклического напряжения (S) с логарифмом числа циклов до разрушения (N) (Oja 2013). Кривая S-N стала основополагающей зависимостью в расчетах на безопасный срок службы. Эта кривая зависит от множества факторов, включая отношение максимальной нагрузки к минимальной (R-отношение), тип исследуемого материала и регулярность приложения циклических напряжений (или деформаций). Сегодня эта кривая по-прежнему используется, путем экспериментального тестирования лабораторных образцов при различных уровнях непрерывной циклической нагрузки и определения числа циклов до разрушения (Oja 2013). Майкл Оя отмечает, что "неудивительно, что с уменьшением нагрузки увеличивается срок службы образца" (Oja 2013). Практическим ограничением экспериментальных исследований является частотный диапазон гидравлических испытательных машин. Нагрузка, при которой достигается высокая долговечность, стала рассматриваться как предел прочности материала на усталость (Oja 2013).
Структура воздушного судна
Существует два основных типа конструкции самолета: с заданным ресурсом (safe life) и отказоустойчивая (fail safe). Первый тип характеризуется низкой остаточной прочностью при отказе основного несущего элемента, в то время как второй предусматривает альтернативные схемы распределения нагрузки, благодаря чему, при появлении трещины в основном несущем элементе, сохраняется остаточная прочность за счет перераспределения нагрузки на соседние элементы. В современных самолетах используются отказоустойчивые конструкции с до тремя альтернативными схемами распределения нагрузки, однако в 1947 году основная несущая конструкция была с заданным ресурсом. Это не имело большого значения для временной конструкции, предназначенной для эксплуатации в спокойных верхних слоях атмосферы, но на высоте около 150 метров (500 футов) нагрузки и напряжения становились более переменными.
Структура вертолета
Философия безопасной конструкции применяется ко всем вертолетным конструкциям. В современных армейских вертолетах, таких как UH-60 Black Hawk, композиционные материалы составляют до 17 процентов массы фюзеляжа и несущего винта (Reddick). Гарольд Реддик отмечает, что «с развитием крупных научно-исследовательских проектов в области композиционных конструкций вертолетов, таких как Advanced Composite Airframe Program (ACAP), и проектов по методам производства и технологиям (MM&T), таких как UH-60 Low Cost Composite Blade Program, предполагается, что в течение нескольких лет композиционные материалы смогут применяться к 80 процентам массы фюзеляжа и несущего винта вертолета в серийном производстве» (Reddick). В связи с этим, крайне важно внедрить обоснованные и четкие критерии проектирования, чтобы обеспечить композиционным конструкциям высокую усталостную прочность для снижения эксплуатационных расходов и хорошую поврежденную толерантность для обеспечения безопасности полетов. Критерии безопасной конструкции и поврежденной толерантности применимы ко всем критически важным компонентам вертолета (Reddick).