В технике коэффициент безопасности ( FoS ), также известный как коэффициент безопасности ( SF ) (и используемый взаимозаменяемо с ним), показывает, насколько прочнее система, чем она должна быть для предполагаемой нагрузки. Коэффициенты безопасности часто рассчитываются с использованием подробного анализа, поскольку комплексные испытания нецелесообразны для многих проектов, таких как мосты и здания, но способность конструкции выдерживать нагрузку должна быть определена с разумной точностью.
Многие системы намеренно создаются намного прочнее, чем это необходимо для нормального использования, чтобы учесть аварийные ситуации, непредвиденные нагрузки, неправильное использование или ухудшение надежности ( надежность ).
Существует два определения коэффициента безопасности (FoS):
Реализованный коэффициент безопасности должен быть больше требуемого расчетного коэффициента безопасности. Однако в различных отраслях и инженерных группах использование является непоследовательным и запутанным; используется несколько определений. Причиной большой путаницы является то, что различные справочники и агентства по стандартизации по-разному используют определения и термины фактора безопасности. В строительных нормах , учебниках по строительству и машиностроению «коэффициент безопасности» часто упоминается как доля общей прочности конструкции по сравнению с необходимой. Это реализованные факторы безопасности [1] [2] [3] (первое применение). Во многих книгах по сопротивлению материалов для студентов бакалавриата «Коэффициент запаса прочности» используется как постоянное значение, предназначенное в качестве минимального целевого показателя для проектирования [4] [5] [6] (второе использование).
Существует несколько способов сравнения коэффициента запаса прочности конструкций. Все различные расчеты по сути измеряют одно и то же: какую дополнительную нагрузку сверх запланированной конструкция фактически выдержит (или должна выдержать). Разница между методами заключается в способе расчета и сравнения значений. Значения коэффициента безопасности можно рассматривать как стандартизированный способ сравнения прочности и надежности различных систем.
Использование коэффициента безопасности не означает, что предмет, конструкция или конструкция «безопасны». Многие факторы обеспечения качества , инженерного проектирования , производства , монтажа и конечного использования могут влиять на безопасность чего-либо в той или иной конкретной ситуации.
Разница между коэффициентом запаса прочности и расчетным коэффициентом (расчетным коэффициентом запаса прочности) заключается в следующем: Коэффициент запаса прочности или предел текучести — это то, сколько фактически сможет выдержать проектируемая деталь (первое использование сверху). Фактор проектирования, или рабочее напряжение, — это то, что предмет должен выдерживать (второе использование). Коэффициент проектирования определяется для применения (обычно предоставляется заранее и часто устанавливается нормативными строительными нормами или правилами) и не является фактическим расчетом. Коэффициент безопасности представляет собой отношение максимальной прочности к предполагаемой нагрузке для фактического спроектированного элемента.
- Расчетная нагрузка — это максимальная нагрузка, которую деталь должна когда-либо испытывать в эксплуатации.
Согласно этому определению, конструкция с FOS, равным ровно 1, будет выдерживать только расчетную нагрузку и не более. Любая дополнительная нагрузка приведет к разрушению конструкции. Конструкция с FOS, равнам 2, выйдет из строя при удвоенной расчетной нагрузке.
Многие правительственные 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, какое из них используется для конкретного применения. Одним из вариантов использования MS является мера возможностей, например, FoS. Другое использование MS — это мера удовлетворения проектных требований (проверка требований). Запас безопасности можно концептуализировать (вместе с коэффициентом резерва, поясняемым ниже), чтобы показать, какая часть общей мощности конструкции сохраняется «в резерве» во время нагрузки.
MS как мера прочности конструкции: это определение запаса прочности, обычно встречающееся в учебниках [7] [8], описывает, какую дополнительную нагрузку сверх расчетной нагрузки может выдержать деталь, прежде чем она выйдет из строя. По сути, это мера избыточных возможностей. Если запас равен 0, деталь не будет воспринимать дополнительную нагрузку до выхода из строя; если он отрицательный, деталь выйдет из строя до достижения расчетной нагрузки в процессе эксплуатации. Если запас равен 1, он может выдержать одну дополнительную нагрузку, равную максимальной нагрузке, на которую он рассчитан (т. е. удвоенную расчетную нагрузку).
MS как мера проверки требований: многие агентства и организации, такие как NASA [9] и AIAA [10], определяют запас безопасности, включая расчетный коэффициент, другими словами, запас безопасности рассчитывается после применения расчетного коэффициента. В случае запаса, равного 0, деталь имеет именно необходимую прочность (коэффициент запаса прочности будет равен расчетному коэффициенту). Если есть деталь с требуемым расчетным коэффициентом 3 и запасом 1, эта деталь будет иметь коэффициент безопасности 6 (способна выдерживать две нагрузки, равные ее расчетному коэффициенту 3, выдерживая в шесть раз большую расчетную нагрузку до выхода из строя ). . Запас, равный 0, будет означать, что деталь будет соответствовать коэффициенту запаса прочности, равному 3. Если в этом определении запас меньше 0, хотя деталь не обязательно выйдет из строя, проектные требования не были выполнены. Удобство такого использования заключается в том, что для всех приложений проходной запас равен 0 или выше, не нужно знать детали приложения или сравнивать его с требованиями, просто взглянув на расчет запаса, можно узнать, проходит проект или нет. Это полезно для надзора и анализа проектов с различными интегрированными компонентами, поскольку разные компоненты могут иметь разные конструктивные факторы, а расчет запаса помогает избежать путаницы.
- Коэффициент безопасности конструкции указан как требование.
Для успешного проектирования реализованный коэффициент безопасности всегда должен быть равен проектному коэффициенту безопасности или превышать его, чтобы запас безопасности был больше или равен нулю. Запас прочности иногда, но нечасто, используется в процентах, т.е. 0,50 MS эквивалентно 50% MS. Когда конструкция удовлетворяет этому тесту, говорят, что она имеет «положительный запас» и, наоборот, «положительный запас прочности». отрицательная маржа», когда это не так.
В области ядерной безопасности (как это реализовано на объектах, принадлежащих правительству США) запас безопасности определяется как величина, которая не может быть уменьшена без проверки контролирующим правительственным учреждением. Министерство энергетики США публикует DOE G 424.1-1, «Руководство по использованию при рассмотрении непересмотренных требований по вопросам безопасности» в качестве руководства для определения того, как определить и определить, будет ли снижен запас безопасности в результате предлагаемого изменения. В руководстве разрабатывается и применяется концепция качественного запаса прочности, который может не быть явным или поддающимся количественной оценке, но может быть оценен концептуально, чтобы определить, произойдет ли увеличение или уменьшение при предлагаемом изменении. Этот подход становится важным при изучении проектов с большими или неопределенными (историческими) запасами, а также проектов, которые зависят от «мягких» средств контроля, таких как программные ограничения или требования. Коммерческая атомная промышленность США использовала аналогичную концепцию при оценке запланированных изменений до 2001 года, когда 10 CFR 50.59 был пересмотрен с целью сбора и применения информации, доступной в анализах рисков для конкретных объектов и других количественных инструментах управления рисками.
Мерой силы, часто используемой в Европе, является коэффициент резерва (RF). Поскольку прочность и приложенные нагрузки выражаются в одних и тех же единицах, коэффициент запаса определяется одним из двух способов в зависимости от отрасли:
Прилагаемые нагрузки имеют множество факторов, в том числе применяемые факторы безопасности.
Для пластичных материалов (например, большинства металлов) часто требуется, чтобы коэффициент запаса проверялся как по пределу текучести , так и по пределу прочности. Расчет текучести определит запас прочности до тех пор, пока деталь не начнет пластически деформироваться . Окончательный расчет определит коэффициент безопасности до отказа. В хрупких материалах предел текучести и предел прочности часто настолько близки, что их невозможно отличить друг от друга, поэтому обычно приемлемо рассчитывать только предельный коэффициент запаса прочности.
Соответствующие расчетные факторы основаны на нескольких соображениях, таких как точность прогнозирования приложенных нагрузок , прочности, оценок износа и воздействия окружающей среды , которому изделие будет подвергаться при эксплуатации; последствия инженерного сбоя; и стоимость перепроектирования компонента для достижения этого фактора безопасности . Например, для компонентов, отказ которых может привести к значительным финансовым потерям, серьезным травмам или смерти, может использоваться коэффициент безопасности четыре или выше (часто десять). Некритические компоненты обычно могут иметь коэффициент проектирования, равный двум. Обычно используются анализ рисков , режимы отказов и анализ последствий , а также другие инструменты. Факторы проектирования для конкретных приложений часто определяются законом, политикой или отраслевыми стандартами.
В зданиях обычно используется коэффициент запаса прочности 2,0 для каждого элемента конструкции. Ценность зданий относительно невелика, поскольку нагрузки хорошо изучены, а большинство конструкций являются резервными . В сосудах под давлением используется от 3,5 до 4,0, в автомобилях — 3,0, а в самолетах и космических кораблях — от 1,2 до 4,0 в зависимости от применения и материалов. Для пластичных металлических материалов обычно используются более низкие значения, а для хрупких материалов — более высокие значения. В области аэрокосмической техники обычно используются более низкие расчетные коэффициенты, поскольку затраты, связанные с весом конструкции, высоки (т.е. самолет с общим коэффициентом безопасности 5, вероятно, будет слишком тяжелым, чтобы оторваться от земли). Именно этот низкий конструктивный фактор является причиной того, что детали и материалы для аэрокосмической промышленности 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 непрактично или невозможно, чтобы деталь соответствовала «стандартному» расчетному фактору. Штрафы (массовые или иные) за выполнение этого требования сделают систему нежизнеспособной (например, в случае с самолетами или космическими кораблями). В этих случаях иногда решается позволить компоненту соответствовать более низкому, чем обычно, коэффициенту безопасности, что часто называют «отказом» от этого требования. Это часто сопровождается дополнительным детальным анализом или проверками контроля качества, чтобы гарантировать, что деталь будет работать так, как хотелось бы, поскольку она будет загружена ближе к предельным значениям.
Для циклических, повторяющихся или нестабильных нагрузок при выборе коэффициента запаса важно учитывать возможность усталости металла . Циклическая нагрузка, значительно ниже предела текучести материала, может привести к разрушению, если она повторяется достаточное количество циклов.
По мнению Элишакова [12] [13], понятие коэффициента безопасности в инженерном контексте, по-видимому, было впервые введено в 1729 году Бернаром Форестом де Белидором (1698-1761) [14] , французским инженером, работавшим в области гидравлики, математики, гражданского строительства, и военное машиностроение. Философские аспекты факторов безопасности занимались Дорном и Ханссоном. [15]
