Фактор безопасности - Factor of safety

Смотрите также: Коэффициент безопасности (физика плазмы)

В машиностроении коэффициент безопасности (FoS), также известный как (и взаимозаменяемый с) коэффициент безопасности (SF), показывает, насколько сильнее 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 построены намного сильнее, чем требуется для нормального использования, чтобы учесть чрезвычайные ситуации, неожиданные нагрузки, неправильное использование или ухудшение (надежность ).

Определение

Есть два определения коэффициента безопасности (FoS):

• Отношение абсолютной прочности конструкции (структурной способности) к фактической приложенной нагрузке; это мера надежность особого дизайна. Это расчетное значение, которое иногда для ясности называют реализованный коэффициент безопасности.
• Постоянное требуемое значение, установленное законом, стандарт, Технические характеристики, контракт или обычай, которому структура должна соответствовать или превосходить. Это можно назвать расчетный фактор, расчетный коэффициент безопасности или же требуемый запас прочности.

Реализованный коэффициент безопасности должен быть больше требуемого расчетного коэффициента безопасности. Однако использование между различными отраслями и инженерными группами непоследовательно и сбивает с толку; используется несколько определений. Причина большой путаницы состоит в том, что различные справочники и агентства по стандартизации по-разному используют определения и термины фактора безопасности. Коды дизайна и структурный и машиностроение в учебниках часто используется термин «коэффициент безопасности» для обозначения доли общих структурных возможностей над необходимыми и являются реализованными факторами безопасности.^[1][2][3] (первое использование). Многие студенты сопротивление материалов книги используют «Фактор безопасности» как постоянную величину, предназначенную как минимальную цель для проектирования.^[4][5][6] (второе использование).

Расчет

Есть несколько способов сравнить коэффициент надежности конструкций. Все различные расчеты в основном измеряют одно и то же: какую дополнительную нагрузку сверх ожидаемой конструкция фактически выдержит (или должна выдержать). Разница между методами заключается в способе вычисления и сравнения значений. Значения коэффициента безопасности можно рассматривать как стандартизованный способ сравнения прочности и надежности между системами.

Использование запаса прочности не означает, что элемент, конструкция или конструкция являются «безопасными». Много гарантия качества, инженерный дизайн, производство Факторы, установка и конечное использование могут повлиять на безопасность чего-либо в той или иной ситуации.

Расчетный коэффициент и запас прочности

Разница между коэффициентом безопасности и расчетным коэффициентом (расчетным коэффициентом безопасности) заключается в следующем: коэффициент безопасности или предел текучести - это то, сколько разработанная деталь фактически сможет выдержать (первое «использование» сверху). Расчетный фактор или рабочее напряжение - это то, что требуется для того, чтобы изделие могло выдержать (второе «использование»). Расчетный коэффициент определяется для приложения (обычно предоставляется заранее и часто устанавливается регулирующими органами). строительные нормы или политика) и не является фактическим расчетом, коэффициент запаса прочности - это отношение максимальной прочности к предполагаемой нагрузке для фактически спроектированного объекта.

${\displaystyle {\text{Factor of safety}}={\frac {\text{yield stress}}{\text{working stress}}}}$

• Расчетная нагрузка - это максимальная нагрузка, которую деталь должна когда-либо испытывать при эксплуатации.

Согласно этому определению, конструкция с FOS ровно 1 будет поддерживать только расчетную нагрузку и не более. Любая дополнительная нагрузка приведет к разрушению конструкции. Конструкция с FOS 2 выйдет из строя при двойной расчетной нагрузке.

Запас прочности

Многие государственные учреждения и отрасли (например, авиакосмическая промышленность) требуют использования запас прочности (MoS или же РС.) для описания соотношения прочности конструкции к требованиям. Есть два разных определения запаса прочности, поэтому необходимо внимательно определить, какое из них используется для данного приложения. Одно использование M.S. как мера возможностей, как FoS. Другое использование M.S. является мерой удовлетворения проектных требований (проверка требований). Можно концептуально представить запас прочности (вместе с коэффициентом резерва, поясняемый ниже), чтобы представить, какая часть общей мощности конструкции удерживается «в резерве» во время загрузки.

РС. как мера структурной способности: это определение запаса прочности, обычно встречающееся в учебниках.^[7][8] описывает, какую дополнительную нагрузку сверх расчетной может выдержать деталь до выхода из строя. По сути, это мера избыточных возможностей. Если запас равен 0, деталь не будет принимать никаких дополнительных нагрузок до того, как выйдет из строя, если значение отрицательное, деталь выйдет из строя до достижения расчетной нагрузки при эксплуатации. Если запас равен 1, он может выдержать одну дополнительную нагрузку, равную максимальной нагрузке, на которую он был рассчитан (т. Е. Удвоенной расчетной нагрузке).

${\displaystyle {\text{Margin of safety}}={\frac {\text{failure load}}{\text{design load}}}-1}$

${\displaystyle {\text{Margin of safety}}={\text{factor of safety}}-1}$

РС. как мера проверки требований: многие агентства и организации, такие как НАСА^[9] и AIAA^[10] определить запас прочности, включая проектный коэффициент, другими словами, запас прочности рассчитывается после применения проектного коэффициента. В случае запаса 0 деталь находится точно на требуется прочности (коэффициент запаса прочности равен расчетному). Если имеется деталь с требуемым расчетным коэффициентом 3 и запасом 1, то эта деталь будет иметь коэффициент безопасности 6 (способна выдерживать две нагрузки, равные ее расчетному коэффициенту 3, выдерживая шестикратную расчетную нагрузку до разрушения) . Запас 0 будет означать, что деталь будет проходить с коэффициентом безопасности 3. Если запас меньше 0 в этом определении, хотя деталь не обязательно выйдет из строя, требования к конструкции не были выполнены. Удобство этого использования заключается в том, что для всех приложений проходит маржа 0 или выше, не нужно знать детали приложения или сравнивать с требованиями, просто взглянув на расчет маржи, можно узнать, прошел ли проект или нет. Это полезно для надзора и проверки проектов с различными интегрированными компонентами, так как разные компоненты могут иметь различные факторы проектирования, а расчет маржи помогает предотвратить путаницу.

Расчетный коэффициент безопасности = [предоставляется как требование]

${\displaystyle {\text{Margin of safety}}={\frac {\text{failure load}}{\text{design load × design safety factor}}}-1}$

${\displaystyle {\text{Margin of safety}}={\frac {\text{realized factor of safety}}{\text{design safety factor}}}-1}$

Для успешного проектирования реализованный коэффициент безопасности всегда должен быть равен или превышать расчетный коэффициент безопасности, чтобы запас прочности был больше или равен нулю. Иногда, но нечасто, запас прочности используется в процентах, например, 0,50 M.S. эквивалентно 50% M.S. Когда дизайн удовлетворяет этому тесту, говорят, что он имеет «положительный запас», и, наоборот, «отрицательный запас», когда это не так.

В области ядерной безопасности (как это реализовано на государственных объектах США) запас прочности был определен как величина, которая не может быть уменьшена без проверки контролирующим государственным учреждением. Министерство энергетики США издает DOE G 424.1-1 «Руководство по применению при рассмотрении требований к непроверенным вопросам безопасности» в качестве руководства для определения того, как определить и определить, будет ли снижен запас прочности 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) полями, а также тех, которые зависят от «мягких» элементов управления, таких как программные ограничения или требования. Коммерческая ядерная промышленность США использовала аналогичную концепцию при оценке запланированных изменений до 2001 года, когда 10 CFR 50.59 был пересмотрен для сбора и применения информации, доступной в анализе рисков для конкретных объектов и других инструментах количественного управления рисками.

Резервный фактор

Мерилом силы, часто используемым в Европе, является резервный фактор (РФ). Поскольку прочность и прилагаемые нагрузки выражены в одних и тех же единицах, коэффициент резерва определяется одним из двух способов в зависимости от отрасли:

RF = предел прочности / пробная нагрузка
RF = предел прочности / предельная нагрузка

Прикладываемые нагрузки имеют множество факторов, в том числе применяемые факторы безопасности.

Расчет доходности и предела

Для пластичных материалов (например, большинства металлов) часто требуется, чтобы коэффициент безопасности сравнивался с обоими урожай и окончательный сильные стороны. Расчет урожайности определит коэффициент безопасности до тех пор, пока деталь не начнет деформироваться пластически. Окончательный расчет определит коэффициент безопасности до отказа. Для хрупких материалов эти значения часто настолько близки, что их невозможно различить, поэтому обычно приемлемо рассчитывать только предельный коэффициент безопасности.

Выбор факторов проектирования

Соответствующие проектные факторы основаны на нескольких соображениях, таких как точность предсказаний наложенных грузы, сила, носить оценки, а относящийся к окружающей среде эффекты, которым будет подвергаться продукт в процессе эксплуатации; последствия инженерного сбоя; и стоимость чрезмерной инженерии компонента для достижения этого коэффициента безопасности. Например, компоненты, чьи отказ может привести к значительным финансовым потерям, серьезным травмам или смерти. Используйте коэффициент безопасности четыре или выше (часто десять). Расчетный коэффициент некритических компонентов обычно может быть равен двум. Анализ риска, анализ режимов и последствий отказов, и другие инструменты. Факторы проектирования для конкретных приложений часто устанавливаются законом, политикой или отраслевыми стандартами.

Здания обычно используют коэффициент безопасности 2,0 для каждого элемента конструкции. Стоимость зданий относительно невысока, поскольку нагрузки хорошо известны, а большинство конструкций избыточный. Сосуды под давлением используют от 3,5 до 4,0, автомобили используют 3,0, а самолеты и космические аппараты используют от 1,2 до 3,0 в зависимости от области применения и материалов. Пластичный, металлические материалы, как правило, используют более низкое значение, а хрупкий материалы используют более высокие значения. Поле аэрокосмическая техника обычно использует более низкие расчетные коэффициенты, потому что затраты, связанные с весом конструкции, высоки (т. е. самолет с общим коэффициентом безопасности 5, вероятно, будет слишком тяжелым для отрыва от земли). Этот низкий коэффициент проектирования является причиной того, что детали и материалы для аэрокосмической промышленности подвергаются очень строгим требованиям. контроль качества и строгие графики профилактического обслуживания для обеспечения надежности. Обычно применяемый коэффициент безопасности составляет 1,5, но для герметичного фюзеляжа он равен 2,0, а для конструкций основных стоек шасси он часто составляет 1,25.^[11]

В некоторых случаях соответствие детали "стандартному" расчетному коэффициенту непрактично или невозможно. Штрафы (массовые или иные) за выполнение требования могут помешать жизнеспособности системы (например, в случае самолета или космического корабля). В этих случаях иногда определяется, чтобы компонент соответствовал более низкому, чем обычно, коэффициенту безопасности, что часто называется «отказом» от требования. Это часто сопровождается дополнительным подробным анализом или проверкой контроля качества, чтобы гарантировать, что деталь будет работать должным образом, поскольку она будет загружена ближе к предельным значениям.

Для циклической, повторяющейся или колеблющейся нагрузки важно учитывать возможность усталость металла при выборе запаса прочности. Циклическая нагрузка значительно ниже предела текучести материала может вызвать отказ, если она повторяется через достаточное количество циклов.

В соответствии с Елисаков ^[12][13] понятие запаса прочности в инженерном контексте, по-видимому, впервые было введено в 1729 г. Бернар Форест де Белидор (1698-1761) ^[14] который был французским инженером, работавшим в области гидравлики, математики, гражданского и военного строительства. Философские аспекты факторов безопасности исследовали Доорн и Ханссон. ^[15]

Смотрите также

• Инженерная терпимость
• Расчет предельного состояния
• Вероятностный дизайн
• Резервирование (полное управление качеством)
• Жертвенная часть - Компонент спроектирован так, чтобы в первую очередь выйти из строя, чтобы защитить остальную часть устройства.
• Статистическая интерференция
• Верификация и валидация

Примечания

1. Янг, В .: Формулы Рорка для напряжения и деформации, 6-е изд. Макгроу-Хилл, 1989.
2. Шигли Дж. И Мишке К. Стандартное руководство по проектированию машин, стр. 2-15. МакГроу-Хилл, 1986.
3. ASME BTH-1: Конструкция крюковых подъемных устройств, Раздел 1-5, ASME, 2005.
4. Бир, Ф. и Джонсон, Р: Механика материалов, второе издание. Макгроу-Хилл, 1992.
5. Тимошенко С: Сопротивление материалов, Том 1. Кригер, 1958.
6. Бьюкенен, Г: Механика материалов, Стр. 55. Холт, Рейнхарт и Ватсон, 1988.
7. Берр, А. и Читэм, Дж .: Механический дизайн и анализ, 2-е издание, раздел 5.2. Прентис-Холл, 1995.
8. Жювинолл, Р: Напряжение, деформация и сила, раздел 14.13, стр. 295. McGraw-Hill, 1967.
9. НАСА-STD-5001: Конструктивное проектирование и факторы испытаний для аппаратуры космического полета, раздел 3. НАСА, 2008.
10. AIAA S-110: Космические системы - конструкции, конструктивные элементы и конструктивные узлы, раздел 4.2. AIAA, 2005.
11. Берр, А. и Читэм, Дж.: Механический дизайн и анализ, 2-е издание, раздел 5.2. Прентис-Холл, 1995.
12. Елисаков, И. Факторы безопасности и надежность: друзья или враги?, Дордрехт: Kluwer Academic Publishers, 2004 г.
13. Элишаков И., Взаимосвязь между факторами безопасности и надежностью, NASA / CR-2001-211309, 2001.
14. де Белидор, Бернар Форест, La science des ingénieurs, dans la pipeite des travaux de fortification et d'architecture civile, Париж: Chez Claude Jombert 1729
15. Дорн Н. и Ханссон С.О. Должен ли вероятностный дизайн заменять факторы безопасности ?, Философия и технологии, 24 (2), стр 151-16, 2011

дальнейшее чтение

• Лаланн, К., Разработка спецификации - 2-е изд., ISTE-Wiley, 2009 г.