В машиностроении коэффициент безопасности ( FoS ) или фактор безопасности ( SF ) выражает, насколько прочнее система, чем ей нужно для предполагаемой нагрузки. Коэффициенты безопасности часто рассчитываются с использованием детального анализа, поскольку всестороннее тестирование нецелесообразно для многих проектов, таких как мосты и здания, но способность конструкции выдерживать нагрузку должна быть определена с разумной точностью. Многие системы намеренно строятся намного прочнее, чем необходимо для нормального использования, чтобы учесть аварийные ситуации, неожиданные нагрузки, неправильное использование или ухудшение ( надежность ). Запас прочности ( MoS или MS ) является связанной мерой, выраженной как относительное изменение .
Существует два определения коэффициента запаса прочности (FoS):
Реализованный коэффициент безопасности должен быть больше требуемого расчетного коэффициента безопасности. Однако в различных отраслях промышленности и инженерных группах использование этого термина непоследовательно и запутанно; используется несколько определений. Причиной большой путаницы является то, что различные справочники и агентства по стандартизации используют определения и термины коэффициента безопасности по-разному. Строительные нормы , учебники по структурному и машиностроению часто ссылаются на «коэффициент безопасности» как на долю общей структурной способности по сравнению с тем, что необходимо. Это реализованные коэффициенты безопасности [1] [2] [3] (первое использование). Во многих книгах по прочности материалов для бакалавриата «коэффициент безопасности» используется как постоянное значение, предназначенное в качестве минимального целевого показателя для проектирования [4] [5] [6] (второе использование).
Существует несколько способов сравнения коэффициента безопасности для конструкций. Все различные расчеты в основе своей измеряют одно и то же: какую дополнительную нагрузку сверх той, что предназначена, конструкция фактически выдержит (или должна будет выдержать). Разница между методами заключается в способе расчета и сравнения значений. Коэффициенты безопасности можно рассматривать как стандартизированный способ сравнения прочности и надежности систем.
Использование фактора безопасности не означает, что элемент, структура или конструкция являются «безопасными». Многие факторы обеспечения качества , инженерного проектирования , производства , установки и конечного использования могут влиять на то, является ли что-то безопасным в любой конкретной ситуации.
Разница между коэффициентом безопасности и расчетным коэффициентом (расчетным коэффициентом безопасности) заключается в следующем: коэффициент безопасности или предел текучести — это то, сколько фактически сможет выдержать спроектированная деталь (первое использование сверху). Расчетный коэффициент или рабочее напряжение — это то, что элемент должен выдерживать (второе использование). Расчетный коэффициент определяется для конкретного применения (обычно предоставляется заранее и часто устанавливается нормативными строительными нормами или политикой) и не является фактическим расчетом, коэффициент безопасности — это отношение максимальной прочности к предполагаемой нагрузке для фактического элемента, который был спроектирован.
- Расчетная нагрузка — это максимальная нагрузка, которую деталь может испытывать в процессе эксплуатации.
Согласно этому определению, конструкция с FOS, равным ровно 1, выдержит только расчетную нагрузку и не более. Любая дополнительная нагрузка приведет к отказу конструкции. Конструкция с FOS, равным 2, выйдет из строя при нагрузке, вдвое превышающей расчетную.
Многие государственные учреждения и отрасли (например, аэрокосмическая) требуют использования запаса прочности ( MoS или MS ) для описания отношения прочности конструкции к требованиям. Существует два отдельных определения запаса прочности, поэтому необходимо внимательно определить, какой из них используется для данного приложения. Одно использование MS — это мера возможностей, например FoS. Другое использование MS — это мера удовлетворения проектных требований (проверка требований). Запас прочности можно концептуализировать (вместе с фактором резерва, который поясняется ниже), чтобы представить, какая часть общей возможности конструкции удерживается «в резерве» во время нагрузки.
MS как мера структурной возможности: Это определение запаса прочности, обычно встречающееся в учебниках [7] [8], описывает, какую дополнительную нагрузку сверх проектной нагрузки может выдержать деталь до выхода из строя. По сути, это мера избыточной возможности. Если запас равен 0, деталь не будет воспринимать никакой дополнительной нагрузки до выхода из строя, если он отрицательный, деталь выйдет из строя до достижения проектной нагрузки в процессе эксплуатации. Если запас равен 1, она может выдержать одну дополнительную нагрузку, равную максимальной нагрузке, на которую она была рассчитана (т. е. вдвое больше проектной нагрузки).
MS как мера проверки требований: Многие агентства и организации, такие как NASA [9] и AIAA [10], определяют запас прочности, включая коэффициент прочности конструкции, другими словами, запас прочности рассчитывается после применения коэффициента прочности конструкции. В случае запаса 0 деталь имеет точно требуемую прочность (коэффициент прочности будет равен коэффициенту прочности конструкции). Если есть деталь с требуемым коэффициентом прочности конструкции 3 и запасом 1, деталь будет иметь коэффициент прочности 6 (способность выдерживать две нагрузки, равные ее коэффициенту прочности конструкции 3, выдерживая нагрузку в шесть раз больше расчетной до отказа ) . Запас 0 будет означать, что деталь пройдет с коэффициентом прочности 3. Если запас меньше 0 в этом определении, хотя деталь не обязательно выйдет из строя, требование конструкции не выполнено. Удобство такого использования заключается в том, что для всех приложений запас 0 или выше считается проходящим, не нужно знать подробности приложения или сравнивать с требованиями, просто взглянув на расчет запаса, можно узнать, проходит конструкция или нет. Это полезно для контроля и проверки проектов с различными интегрированными компонентами, поскольку разные компоненты могут иметь разные конструктивные факторы, а расчет запаса помогает избежать путаницы.
- Коэффициент запаса прочности конструкции указывается в качестве требования.
Для успешного проектирования реализованный коэффициент безопасности должен всегда быть равен или превышать коэффициент безопасности проекта, так что запас безопасности больше или равен нулю. Запас безопасности иногда, но нечасто, используется в процентах, т. е. 0,50 MS эквивалентен 50% MS. Когда проект удовлетворяет этому тесту, говорят, что он имеет «положительный запас», и, наоборот, «отрицательный запас», когда нет.
В области ядерной безопасности (в том виде, в котором она реализована на государственных объектах США) запас прочности определяется как величина, которая не может быть уменьшена без проверки контролирующим государственным учреждением. Министерство энергетики США публикует DOE G 424.1-1, «Руководство по внедрению для использования при решении нерассмотренных требований к вопросам безопасности» в качестве руководства для определения того, как идентифицировать и определить, будет ли запас прочности уменьшен предлагаемым изменением. Руководство разрабатывает и применяет концепцию качественного запаса прочности, который может быть неявным или не поддающимся количественной оценке, но может быть оценен концептуально, чтобы определить, произойдет ли увеличение или уменьшение при предлагаемом изменении. Этот подход становится важным при рассмотрении проектов с большими или неопределенными (историческими) запасами и тех, которые зависят от «мягких» элементов управления, таких как программные ограничения или требования. Коммерческая ядерная промышленность США использовала аналогичную концепцию при оценке планируемых изменений до 2001 года, когда 10 CFR 50.59 был пересмотрен с целью сбора и применения информации, доступной в анализах рисков, характерных для конкретных объектов, и других количественных инструментах управления рисками.
Мерой прочности, часто используемой в Европе, является коэффициент запаса (RF). При прочности и приложенных нагрузках, выраженных в одних и тех же единицах, коэффициент запаса определяется одним из двух способов в зависимости от отрасли:
Прикладываемые нагрузки имеют множество факторов, включая применяемые коэффициенты запаса прочности.
Для пластичных материалов (например, большинства металлов) часто требуется, чтобы коэффициент запаса прочности проверялся как по пределу текучести, так и по пределу прочности. Расчет текучести определит коэффициент запаса прочности до тех пор, пока деталь не начнет пластически деформироваться . Окончательный расчет определит коэффициент запаса прочности до разрушения. В хрупких материалах предел текучести и предел прочности часто настолько близки, что их невозможно различить, поэтому обычно приемлемо рассчитывать только предельный коэффициент запаса прочности.
Соответствующие факторы проектирования основаны на нескольких соображениях, таких как точность прогнозов по приложенным нагрузкам , прочность, оценки износа и воздействия окружающей среды , которым будет подвергаться продукт в процессе эксплуатации; последствия инженерного сбоя; и стоимость избыточного проектирования компонента для достижения этого фактора безопасности [ необходима ссылка ] . Например, компоненты, отказ которых может привести к существенным финансовым потерям, серьезным травмам или смерти, могут использовать фактор безопасности четыре или выше (часто десять). Некритические компоненты, как правило, могут иметь фактор проектирования два. Обычно используются анализ рисков , анализ видов и последствий отказов и другие инструменты. Факторы проектирования для конкретных приложений часто предписываются законом, политикой или отраслевыми стандартами.
Здания обычно используют коэффициент безопасности 2,0 для каждого структурного элемента. Значение для зданий относительно низкое, поскольку нагрузки хорошо понятны, а большинство структур избыточны . Сосуды под давлением используют от 3,5 до 4,0, автомобили используют 3,0, а самолеты и космические корабли используют от 1,2 до 4,0 в зависимости от области применения и материалов. Пластичные металлические материалы, как правило, используют более низкие значения, в то время как хрупкие материалы используют более высокие значения. Область аэрокосмической техники обычно использует более низкие коэффициенты проектирования, поскольку затраты, связанные с весом конструкции, высоки (т. е. самолет с общим коэффициентом безопасности 5, вероятно, будет слишком тяжелым, чтобы оторваться от земли). Этот низкий коэффициент проектирования является причиной того, что аэрокосмические детали и материалы подлежат очень строгому контролю качества и строгим графикам профилактического обслуживания, чтобы обеспечить надежность. Обычно применяемый коэффициент безопасности составляет 1,5, но для герметичного фюзеляжа он составляет 2,0, а для основных конструкций шасси он часто составляет 1,25. [11]
В некоторых случаях нецелесообразно или невозможно, чтобы деталь соответствовала «стандартному» расчетному фактору. Штрафы (массовые или иные) за соответствие требованиям не позволят системе быть жизнеспособной (например, в случае самолетов или космических кораблей). В этих случаях иногда решается позволить компоненту соответствовать более низкому, чем обычно, фактору безопасности, что часто называется «отказом» от требования. Это часто влечет за собой дополнительный подробный анализ или проверки контроля качества, чтобы гарантировать, что деталь будет работать так, как требуется, поскольку она будет нагружена ближе к своим пределам.
Для циклической, повторяющейся или колеблющейся нагрузки важно учитывать возможность усталости металла при выборе коэффициента безопасности. Циклическая нагрузка, значительно ниже предела текучести материала, может привести к отказу, если она повторяется в течение достаточного количества циклов.
Согласно Элишакову [12] [13], понятие фактора безопасности в инженерном контексте, по-видимому, впервые было введено в 1729 году Бернаром Форестом де Белидором (1698-1761) [14] , французским инженером, работавшим в области гидравлики, математики, гражданского и военного строительства. Философские аспекты факторов безопасности изучались Дорном и Ханссоном. [15]
