Запас прочности и надежности систем

Введение

Прочность системы, превышающая расчетную нагрузку

В инженерии, коэффициент запаса прочности (КЗП), также известный как (и используемый как синоним) фактор безопасности (SF), показывает, во сколько раз система прочнее, чем требуется для предполагаемой нагрузки. Коэффициенты запаса прочности часто рассчитываются на основе детального анализа, поскольку всестороннее тестирование не представляется возможным для многих проектов, таких как мосты и здания, однако несущая способность конструкции должна быть определена с разумной точностью. Многие системы намеренно создаются значительно прочнее, чем необходимо для нормальной эксплуатации, чтобы обеспечить устойчивость в аварийных ситуациях, при воздействии непредвиденных нагрузок, неправильной эксплуатации или деградации (надежности).

Расчет

Существует несколько способов сравнения запаса прочности конструкций. Все различные расчеты по сути измеряют одно и то же: насколько большую нагрузку сверх расчетной конструкция способна выдержать (или должна выдерживать). Различие между методами заключается в способе расчета и сопоставления значений. Значения запаса прочности можно рассматривать как стандартизированный способ сравнения прочности и надежности различных систем. Использование запаса прочности не гарантирует, что элемент, конструкция или проект являются "безопасными". На то, насколько безопасен тот или иной объект в конкретной ситуации, могут влиять множество факторов, связанных с обеспечением качества, проектированием, производством, монтажом и областью применения.

Фактор проектирования и фактор безопасности

Разница между коэффициентом запаса прочности и конструктивным коэффициентом (конструктивным коэффициентом безопасности) заключается в следующем: коэффициент запаса прочности, или предел текучести, показывает, какую нагрузку проектируемая деталь фактически сможет выдержать (первоначальная расчетная нагрузка). Конструктивный коэффициент, или рабочее напряжение, определяет, какую нагрузку деталь должна выдерживать (расчетная нагрузка при эксплуатации). Конструктивный коэффициент определяется для конкретного применения (обычно задается заранее и часто устанавливается нормативными строительными нормами или политикой) и не является результатом расчета, в то время как коэффициент запаса прочности – это отношение максимальной прочности к предполагаемой нагрузке для конкретной спроектированной детали. Расчетная нагрузка – это максимальная нагрузка, которую деталь может испытать в процессе эксплуатации. Согласно этому определению, конструкция с коэффициентом запаса прочности, равным 1, выдержит только расчетную нагрузку и не более. Любая дополнительная нагрузка приведет к разрушению конструкции. Конструкция с коэффициентом запаса прочности, равным 2, разрушится при нагрузке в два раза превышающей расчетную.

Маржа безопасности

Многие государственные учреждения и отрасли (такие как аэрокосмическая) требуют использования запаса прочности (MoS или M. S.) для определения отношения прочности конструкции к предъявляемым требованиям. Существует два различных определения запаса прочности, поэтому необходимо проявлять осторожность, чтобы определить, какое из них используется в конкретном случае. Одно из применений M. S. – как показатель способности, аналогичный коэффициенту запаса (ФОС). Другое применение M. S. – как показатель соответствия проектным требованиям (верификация требований). Запас прочности можно представить (наряду с коэффициентом резерва, описанным ниже) как величину, отражающую, какая часть общей несущей способности конструкции остается "в резерве" при нагрузке. M. S. как показатель несущей способности конструкции: Это определение запаса прочности, часто встречающееся в учебниках, описывает, какую дополнительную нагрузку сверх расчетной конструкция может выдержать до разрушения. По сути, это мера избыточной несущей способности. Если запас прочности равен 0, деталь не выдержит никакой дополнительной нагрузки до разрушения; если он отрицательный, деталь разрушится до достижения расчетной нагрузки в процессе эксплуатации. Если запас прочности равен 1, она может выдержать одну дополнительную нагрузку, равную максимальной нагрузке, на которую она была рассчитана (то есть в два раза превышающую расчетную нагрузку). M. S. как показатель верификации требований: Многие агентства и организации, такие как NASA и AIAA, определяют запас прочности с учетом коэффициента запаса, то есть запас прочности рассчитывается после применения коэффициента запаса. В случае запаса прочности, равного 0, деталь обладает ровно требуемой прочностью (коэффициент безопасности будет равен коэффициенту запаса). Если для детали требуется коэффициент запаса 3 и запас прочности 1, то ее коэффициент безопасности составит 6 (способность выдерживать две нагрузки, равные ее коэффициенту запаса 3, то есть в шесть раз превышающие расчетную нагрузку до разрушения). Запас прочности, равный 0, означает, что деталь пройдет испытания с коэффициентом безопасности 3. Если в этом определении запас прочности меньше 0, хотя деталь не обязательно разрушится, требование по проектированию не будет выполнено. Удобство этого подхода заключается в том, что для всех применений запас прочности 0 или выше считается приемлемым; нет необходимости знать детали применения или сравнивать с требованиями – достаточно взглянуть на расчет запаса прочности, чтобы определить, соответствует ли проект требованиям. Это полезно для контроля и проверки проектов с различными интегрированными компонентами, поскольку различные компоненты могут иметь различные коэффициенты запаса, а расчет запаса прочности помогает избежать путаницы. Коэффициент безопасности конструкции задается как требование. Для успешного проекта реализованный коэффициент безопасности всегда должен быть равен или превышать расчетный коэффициент безопасности, чтобы запас прочности был больше или равен нулю. Запас прочности иногда, но редко, выражается в процентах, то есть 0,50 M. S. эквивалентно 50% M. S. Если конструкция удовлетворяет этому критерию, говорят, что она имеет "положительный запас прочности", и наоборот, "отрицательный запас прочности", если она не удовлетворяет. В области ядерной безопасности (как это реализовано на объектах, принадлежащих правительству США) запас прочности определяется как величина, которая не может быть уменьшена без рассмотрения контролирующим государственным органом. Министерство энергетики США публикует DOE G 424.1 1, "Руководство по применению при решении вопросов, не подлежащих пересмотру в отношении безопасности", в качестве руководства для определения того, как выявлять и определять, будет ли запас прочности уменьшен предлагаемым изменением. В руководстве разрабатывается и применяется концепция качественного запаса прочности, который может быть неявным или не поддаваться количественной оценке, но может быть концептуально оценен для определения того, произойдет ли увеличение или уменьшение при предлагаемом изменении. Этот подход становится важным при анализе проектов с большими или неопределенными (историческими) запасами прочности, а также тех, которые зависят от "мягких" мер контроля, таких как программные ограничения или требования. Коммерческая атомная промышленность США использовала аналогичную концепцию при оценке планируемых изменений до 2001 года, когда 10 CFR 50.59 был пересмотрен для учета и применения информации, доступной в анализе рисков для конкретных объектов и других инструментах управления рисками.

Many government agencies and industries (such as aerospace) require the use of a margin of safety (MoS or M. S.) to describe the ratio of the strength of the structure to the requirements. There are two separate definitions for the margin of safety so care is needed to determine which is being used for a given application. One usage of M. S. is as a measure of capability like FoS. The other usage of M. S. is as a measure of satisfying design requirements (requirement verification). Margin of safety can be conceptualized (along with the reserve factor explained below) to represent how much of the structure's total capability is held "in reserve" during loading. M. S. as a measure of structural capability: This definition of margin of safety commonly seen in textbooks describes what additional load beyond the design load a part can withstand before failing. In effect, this is a measure of excess capability. If the margin is 0, the part will not take any additional load before it fails, if it is negative the part will fail before reaching its design load in service. If the margin is 1, it can withstand one additional load of equal force to the maximum load it was designed to support (i. e. twice the design load). M. S. as a measure of requirement verification: Many agencies and organizations such as NASA and AIAA define the margin of safety including the design factor, in other words, the margin of safety is calculated after applying the design factor. In the case of a margin of 0, the part is at exactly the required strength (the safety factor would equal the design factor). If there is a part with a required design factor of 3 and a margin of 1, the part would have a safety factor of 6 (capable of supporting two loads equal to its design factor of 3, supporting six times the design load before failure). A margin of 0 would mean the part would pass with a safety factor of 3. If the margin is less than 0 in this definition, although the part will not necessarily fail, the design requirement has not been met. A convenience of this usage is that for all applications, a margin of 0 or higher is passing, one does not need to know application details or compare against requirements, just glancing at the margin calculation tells whether the design passes or not. This is helpful for oversight and reviewing on projects with various integrated components, as different components may have various design factors involved and the margin calculation helps prevent confusion. The design safety factor is provided as a requirement. For a successful design, the realized safety factor must always equal or exceed the design safety factor so that the margin of safety is greater than or equal to zero. The margin of safety is sometimes, but infrequently, used as a percentage, i. e., a 0.50 M. S is equivalent to a 50% M. S. When a design satisfies this test it is said to have a "positive margin", and, conversely, a "negative margin" when it does not. In the field of nuclear safety (as implemented at U. S. government owned facilities) the margin of safety has been defined as a quantity that may not be reduced without review by the controlling government office. The U. S. Department of Energy publishes DOE G 424.1 1, "Implementation Guide for Use in Addressing Unreviewed Safety Question Requirements" as a guide for determining how to identify and determine whether a margin of safety will be reduced by a proposed change. The guide develops and applies the concept of a qualitative margin of safety that may not be explicit or quantifiable, yet can be evaluated conceptually to determine whether an increase or decrease will occur with a proposed change. This approach becomes important when examining designs with large or undefined (historical) margins and those that depend on "soft" controls such as programmatic limits or requirements. The commercial U. S. nuclear industry utilized a similar concept in evaluating planned changes until 2001, when 10 CFR 50.59 was revised to capture and apply the information available in facility specific risk analyses and other quantitative risk management tools.

Резервный коэффициент

Часто используемым в Европе показателем прочности является коэффициент запаса (КЗ). Если прочность и приложенные нагрузки выражены в одних и тех же единицах, коэффициент запаса определяется одним из двух способов, в зависимости от отрасли: приложенные нагрузки включают в себя множество факторов, в том числе коэффициенты запаса.

Доходность и конечные расчеты

Для пластичных материалов (например, большинства металлов) часто требуется проверять коэффициент запаса прочности как по пределу текучести, так и по пределу прочности. Расчет по пределу текучести определяет коэффициент запаса прочности до начала пластической деформации детали. Расчет по пределу прочности определяет коэффициент запаса прочности до разрушения. В хрупких материалах предел текучести и предел прочности часто настолько близки, что их трудно различить, поэтому обычно достаточно рассчитывать только коэффициент запаса прочности по пределу прочности.

Выбор конструктивных факторов

Соответствующие конструктивные факторы определяются рядом соображений, таких как точность прогнозирования действующих нагрузок, прочность, расчеты износа и воздействие окружающей среды, которому изделие будет подвергаться в процессе эксплуатации; последствия инженерных отказов; и стоимость увеличения прочности компонента для достижения необходимого запаса прочности. Например, для компонентов, отказ которых может привести к значительным финансовым потерям, серьезным травмам или смерти, может использоваться коэффициент запаса прочности четыре или выше (часто десять). Для некритических компонентов обычно достаточно коэффициента запаса прочности равного двум. Обычно применяются анализ рисков, анализ видов и последствий отказов и другие инструменты. Значения конструктивных факторов для конкретных областей применения часто регламентируются законом, политикой или отраслевыми стандартами. В строительстве обычно используется коэффициент запаса прочности 2,0 для каждого несущего элемента. Это значение относительно невелико, поскольку нагрузки хорошо известны, а большинство конструкций имеют резерв прочности. Для сосудов под давлением используется коэффициент от 3,5 до 4,0, для автомобилей – 3,0, а для самолетов и космических аппаратов – от 1,2 до 4,0, в зависимости от области применения и используемых материалов. Плавные, металлические материалы обычно используют более низкие значения, а хрупкие материалы – более высокие. В аэрокосмической отрасли обычно используются более низкие коэффициенты запаса прочности, поскольку стоимость, связанная с весом конструкции, высока (то есть самолет с общим коэффициентом запаса прочности 5, вероятно, будет слишком тяжелым для взлета). Именно поэтому детали и материалы для аэрокосмической техники подвергаются очень строгому контролю качества и строгому графику профилактического обслуживания для обеспечения надежности. Обычно применяемый коэффициент запаса прочности составляет 1,5, но для герметичных фюзеляжей – 2,0, а для основных конструкций шасси – часто 1,25. В некоторых случаях соответствие "стандартному" конструктивному фактору для детали может быть непрактичным или невозможным. Затраты (по массе или другим параметрам), связанные с выполнением этого требования, могут сделать систему нежизнеспособной (например, в случае самолетов или космических аппаратов). В таких случаях иногда допускается, чтобы компонент соответствовал коэффициенту запаса прочности ниже нормы, что часто называют "отклонением" от требования. Это часто влечет за собой дополнительный детальный анализ или проверки контроля качества, чтобы гарантировать, что деталь будет работать должным образом, поскольку она будет работать ближе к своим пределам. При циклической, повторяющейся или переменной нагрузке важно учитывать возможность усталости металла при выборе коэффициента запаса прочности. Циклическая нагрузка, значительно ниже предела текучести материала, может привести к разрушению при достаточном количестве циклов.

Appropriate design factors are based on several considerations, such as the accuracy of predictions on the imposed loads, strength, wear estimates, and the environmental effects to which the product will be exposed in service; the consequences of engineering failure; and the cost of over engineering the component to achieve that factor of safety For example, components whose failure could result in substantial financial loss, serious injury, or death may use a safety factor of four or higher (often ten). Non critical components generally might have a design factor of two. Risk analysis, failure mode and effects analysis, and other tools are commonly used. Design factors for specific applications are often mandated by law, policy, or industry standards. Buildings commonly use a factor of safety of 2.0 for each structural member. The value for buildings is relatively low because the loads are well understood and most structures are redundant. Pressure vessels use 3.5 to 4.0, automobiles use 3.0, and aircraft and spacecraft use 1.2 to 4.0 depending on the application and materials. Ductile, metallic materials tend to use the lower value while brittle materials use the higher values. The field of aerospace engineering uses generally lower design factors because the costs associated with structural weight are high (i. e. an aircraft with an overall safety factor of 5 would probably be too heavy to get off the ground). This low design factor is why aerospace parts and materials are subject to very stringent quality control and strict preventative maintenance schedules to help ensure reliability. A usually applied Safety Factor is 1.5, but for pressurized fuselage it is 2.0, and for main landing gear structures it is often 1.25. In some cases it is impractical or impossible for a part to meet the "standard" design factor. The penalties (mass or otherwise) for meeting the requirement would prevent the system from being viable (such as in the case of aircraft or spacecraft). In these cases, it is sometimes determined to allow a component to meet a lower than normal safety factor, often referred to as "waiving" the requirement. Doing this often brings with it extra detailed analysis or quality control verifications to assure the part will perform as desired, as it will be loaded closer to its limits. For loading that is cyclical, repetitive, or fluctuating, it is important to consider the possibility of metal fatigue when choosing factor of safety. A cyclic load well below a material's yield strength can cause failure if it is repeated through enough cycles.

История

Согласно Элишакову, понятие коэффициента запаса прочности в инженерном контексте, по-видимому, впервые было введено в 1729 году Бернаром Форестом де Белидором (1698–1761), французским инженером, работавшим в области гидравлики, математики, гражданского и военного строительства. Философские аспекты коэффициентов запаса прочности были изучены Дорном и Ханссоном.