В инженерии устойчивость к повреждениям — это свойство конструкции, связанное с ее способностью безопасно выдерживать дефекты до тех пор, пока не будет произведен ремонт. Подход к инженерному проектированию для учета устойчивости к повреждениям основан на предположении, что дефекты могут существовать в любой конструкции, и такие дефекты распространяются по мере использования. Этот подход обычно используется в аэрокосмической технике , машиностроении и гражданском строительстве для управления распространением трещин в конструкции посредством применения принципов механики разрушения . Конструкция считается устойчивой к повреждениям, если была реализована программа технического обслуживания, которая приведет к обнаружению и ремонту случайных повреждений, коррозии и усталостных трещин до того, как такие повреждения снизят остаточную прочность конструкции ниже приемлемого предела.
Структуры, от которых зависит человеческая жизнь, давно признаны нуждающимися в элементе отказоустойчивости . Описывая свой летательный аппарат, Леонардо да Винчи отметил, что «при конструировании крыльев следует сделать одну хорду, которая будет выдерживать нагрузку, и более свободную в том же положении, чтобы, если одна сломается под нагрузкой, другая была в состоянии выполнять ту же функцию». [1]
До 1970-х годов преобладающей инженерной философией конструкций самолетов было обеспечение сохранения летной годности при поломке одной детали, требование избыточности, известное как отказоустойчивость . Однако достижения в механике разрушения , наряду с печально известными катастрофическими усталостными отказами, такими как у de Havilland Comet, привели к изменению требований к самолетам. Было обнаружено, что явление, известное как многоочаговое повреждение , может привести к появлению множества мелких трещин в конструкции, которые медленно растут сами по себе, со временем соединяясь друг с другом, создавая гораздо большую трещину и значительно сокращая ожидаемое время до отказа [2]
Не все конструкции должны демонстрировать обнаруживаемое распространение трещин для обеспечения безопасности эксплуатации. Некоторые конструкции работают по принципу проектирования с безопасным сроком службы , где принимается крайне низкий уровень риска посредством сочетания испытаний и анализа, что деталь никогда не образует обнаруживаемую трещину из-за усталости в течение срока службы детали. Это достигается за счет значительного снижения напряжений ниже типичной усталостной способности детали. Конструкции с безопасным сроком службы применяются, когда стоимость или невозможность проверок перевешивают издержки веса и затраты на разработку, связанные с конструкциями с безопасным сроком службы. [1] Примером компонента с безопасным сроком службы является лопасть ротора вертолета . Из-за чрезвычайно большого количества циклов, выдерживаемых вращающимся компонентом, необнаруживаемая трещина может вырасти до критической длины за один полет и до того, как самолет приземлится, привести к катастрофическому отказу, который не могло бы предотвратить регулярное техническое обслуживание.
Для обеспечения непрерывной безопасной эксплуатации устойчивой к повреждениям конструкции разрабатываются графики инспекций. Этот график основывается на многих критериях, в том числе:
Эти факторы влияют на то, как долго конструкция может нормально работать в поврежденном состоянии, прежде чем один или несколько интервалов проверки дадут возможность обнаружить поврежденное состояние и выполнить ремонт. Интервал между проверками должен быть выбран с определенной минимальной безопасностью, а также должен уравновешивать расходы на проверки, весовой штраф за снижение усталостных напряжений и альтернативные издержки, связанные с тем, что конструкция не будет использоваться для технического обслуживания.
Производители и операторы самолетов, поездов и гражданских инженерных сооружений, таких как мосты, финансово заинтересованы в том, чтобы график проверок был максимально экономически эффективным. В примере с самолетами, поскольку эти сооружения часто приносят доход, существуют альтернативные издержки, связанные с обслуживанием самолета (доход от потерянных билетов), в дополнение к стоимости самого обслуживания. Таким образом, желательно, чтобы это обслуживание выполнялось нечасто, даже если такие увеличенные интервалы приводят к увеличению сложности и стоимости капитального ремонта. Рост трещин, как показывает механика разрушения , имеет экспоненциальный характер; это означает, что скорость роста трещин является функцией показателя текущего размера трещины (см. закон Пэриса ). Это означает, что только самые большие трещины влияют на общую прочность конструкции; небольшие внутренние повреждения не обязательно снижают прочность. Желание делать интервалы проверок нечастыми в сочетании с экспоненциальным ростом трещин в конструкции привело к разработке методов неразрушающего контроля , которые позволяют инспекторам искать очень маленькие трещины, которые часто невидимы невооруженным глазом. Примерами этой технологии являются вихревые токи , ультразвук , проникающие краски и рентгеновские инспекции. Выявляя структурные трещины, когда они очень малы и растут медленно, эти неразрушающие инспекции могут сократить количество проверок технического обслуживания и позволяют обнаружить повреждение, когда оно небольшое, и все еще недорогое для ремонта. Например, такой ремонт может быть выполнен путем сверления небольшого отверстия на кончике трещины, таким образом фактически превращая трещину в замочную скважину . [3]