1.12. Коэффициент запаса

В результате испытаний на растяжение и сжатие мы получаем основные данные о механических свойствах материала. Теперь рассмотрим вопрос о том, как использовать полученные результаты испытаний в практических расчетах инженерных конструкций на прочность.

Как уже указывалось в основным и наиболее распространенным является метод расчета по напряжениям. Согласно этому методу, расчет на прочность ведут по наибольшему напряжению возникающему в некоторой точке нагруженной конструкции. Напряжение называется максимальным рабочим напряжением. Оно не должно превышать определенного значения, свойственного данному материалу и условиям работы конструкции.

Расчет по напряжениям ведут по формуле

где некоторое предельное для данного материала напряжение; число, большее единицы, называемое коэффициентом запаса или просто запасом. Обычно бывает так, что размеры конструкции уже известны и назначены, например, из эксплуатационных соображений или соображений технологичности. Расчет на прочность является поверочным. В этом случае подсчитывают и определяют фактический коэффициент запаса

Если этот запас удовлетворяет конструктора, считается, что поверочный расчет дал положительный результат.

Когда конструкция находится в стадии проектирования и некоторые характерные размеры должны быть назначены непосредственно из требований прочности, значение задают заранее. Искомый размер получают из условия

где - допускаемое напряжение.

Остается решить вопрос, какое напряжение принимать за предельное и как назначать

Для того чтобы избежать в работающей конструкции образования заметных остаточных деформаций, за величину для пластичных материалов принимается обычно предел текучести. Тогда наибольшее рабочее напряжение составляет долю от (рис. 1.54) К оэффициент в этом случае

Рис. 1.54

обозначается через и называется коэффициентом запаса по текучести. Для хрупких, а в некоторых случаях и для умеренно пластичных материалов за принимают предел прочности Тогда получаем

где - коэффициент запаса по пределу прочности.

Как говорилось в расчет по напряжениям не является единственно возможным.

Если расчет ведут по предельной нагрузке, то аналогично может быть введено понятие запаса по предельной нагрузке

где - соответственно предельная и рабочая нагрузки. В случае расчета на жесткость

где - предельное и рабочее перемещения.

Значение выбирают на основе ряда различных соображений, выходящих в большинстве случаев за пределы вопросов, рассматриваемых в курсе сопротивления материалов.

Прежде всего, коэффициент запаса не может быть назначен без учета конкретных условий работы рассчитываемой конструкции. Коэффициент по существу, определяют исходя из практического опыта создания аналогичных конструкций за прошедшее время и уровня развития техники в данный период. В каждой области техники уже сложились свои традиции, свои требования, свои методы и, наконец, своя специфика расчетов, в соответствии с которыми назначают коэффициент запаса. Так, при проектировании стационарных строительных сооружений, рассчитанных на долгие сроки службы, принимают довольно большие значения коэффициента запаса . В авиационной технике, где на конструкцию накладывают серьезные ограничения по массе, коэффициенты запаса (или так называемые коэффициенты безопасности) устанавливают по пределу прочности в интервале . В связи

с ответственностью конструкции в этой области техники сложилась практика проведения обязательных статических испытаний отдельных узлов и целых летательных аппаратов для прямого определения предельных нагрузок.

Выбор коэффициента запаса зависит от методов расчета напряжений, степени точности этих методов и серьезности тех последствий, которые повлечет за собой разрушение детали.

Значение коэффициента запаса зависит и от свойств материала. В случае пластичного материала запас по пределу текучести может быть меньшим, чем в случае расчета детали из хрупкого материала. Это достаточно очевидно, поскольку хрупкий материал более чувствителен к различным случайным повреждениям и неожиданным дефектам производства. Кроме того, случайное повышение напряжений в пластичном материале может вызвать только небольшие остаточные деформации, в хрупком же материале последует прямое разрушение.

Изучение вопросов о конкретном выборе коэффициента запаса входит как составная часть в такие дисциплины, как прочность самолета, прочность конструкций и пр. Правильность выбора коэффициента запаса определяется в значительной мере опытом и искусством расчетчика и конструктора.