Войти
В технике коэффициент безопасности (FoS ), также известный как (и взаимозаменяемый) коэффициент безопасности (SF), выражает, насколько надежнее система больше, чем необходимо для предполагаемой нагрузки. Коэффициенты безопасности часто рассчитываются с использованием подробного 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 построены намного сильнее, чем требуется для нормального использования, чтобы учесть чрезвычайные ситуации, неожиданные нагрузки, неправильное использование или ухудшение (надежность ).
Есть два определения коэффициента безопасности (FoS):
Реализованный коэффициент безопасности должен быть больше, чем требуемый проектный коэффициент безопасности. Однако использование между различными отраслями и инженерными группами непоследовательно и сбивает с толку; важно знать, какие определения используются. Причина большой путаницы состоит в том, что различные справочники и агентства по стандартизации по-разному используют определения и термины фактора безопасности. В нормах проектирования и в учебниках по конструкции и машиностроению часто используется термин «коэффициент безопасности» для обозначения доли общих структурных возможностей над необходимыми и реализованными факторами безопасности (первое использование). Во многих учебниках «Прочность материалов» для студентов бакалавриата «Фактор безопасности» используется как постоянное значение, предназначенное в качестве минимального целевого значения для проектирования (повторное использование).
Есть несколько способов сравнить коэффициент безопасности конструкций. Все различные расчеты в основном измеряют одно и то же: какую дополнительную нагрузку сверх ожидаемой конструкция действительно 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 объект, конструкция или конструкция являются «безопасными». Многие факторы обеспечения качества, инженерное проектирование, производство, установка и конечное использование могут влиять на безопасность чего-либо в той или иной конкретной ситуации.
Разница между коэффициентом безопасности и расчетным коэффициентом безопасности (расчетный коэффициент безопасности) заключается в следующем: коэффициент безопасности или предел текучести - это то, насколько фактически спроектированная деталь выдержать сможет (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 нормативными строительными нормами или политикой) и не является фактическим расчетом, коэффициент безопасности - это отношение максимальной прочности к предполагаемой нагрузке для фактический предмет, который был разработан.
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.
Многие правительственные учреждения и отрасли (например, аэрокосмическая) требуют использования запаса прочности (MoS или MS ) 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 (наряду с коэффициентом резерва, поясняемый ниже), чтобы показать, какая часть общей способности конструкции удерживается «в резерве» во время загрузки.
М.С. как мера структурной способности: это определение запаса прочности, обычно встречающееся в учебниках, описывает, какую дополнительную нагрузку сверх расчетной нагрузки 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).
MS в качестве меры проверки требований: многие агентства и организации, такие как NASA и AIAA, определяют запас прочности, включая расчетный коэффициент, другими словами, запас прочности рассчитывается после применения расчетный фактор. В случае запаса, равного 0, деталь имеет точно требуемую прочность (коэффициент безопасности будет равен расчетному коэффициенту). 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, равный 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 в качестве требования].
Для успешного проектирования реализованный коэффициент безопасности всегда должен быть равен или превышать проектный коэффициент безопасности, поэтому запас прочности больше или равно 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 объектах, принадлежащих правительству 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 и 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.
Часто используемый в Европе показатель силы - это «коэффициент резерва (RF)». При выражении прочности и приложенных нагрузок в одних и тех же единицах запасной коэффициент определяется одним из двух способов в зависимости от отрасли:
RF = испытательная прочность / испытательная нагрузка. RF = предельная прочность / предельная нагрузка
Применяемые нагрузки зависят от многих факторов, в том числе применяемых факторов безопасности.
Для пластичных материалов (например, большинства металлов) часто требуется, чтобы коэффициент запаса прочности сравнивался как с yield, так и с пределом сильные стороны. Расчет текучести определяет коэффициент безопасности до тех пор, пока деталь не начнет пластически деформироваться. 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.
Соответствующие проектные коэффициенты основаны на нескольких соображениях, таких как точность прогнозов приложенных нагрузок, прочности, оценки износа и воздействия окружающей среды, которому продукт будет подвергаться в процессе эксплуатации; последствия инженерного сбоя; и стоимость чрезмерной инженерии компонента для достижения этого коэффициента 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). Расчетный коэффициент некритических компонентов обычно может быть равен двум. Анализ рисков, анализ видов и последствий отказов и другие инструменты обычно используются. Факторы проектирования для конкретных приложений часто устанавливаются законом, политикой или отраслевыми стандартами.
В зданиях обычно используется коэффициент запаса прочности 2,0 для каждого элемента конструкции. Значение для зданий относительно низкое, потому что нагрузки хорошо понятны, и большинство конструкций 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 3,0 в зависимости от области применения и материалов. Пластичные, металлические материалы имеют тенденцию использовать более низкое значение, а хрупкие материалы используют более высокие значения. В области аэрокосмической техники обычно используются более низкие коэффициенты проектирования, поскольку затраты, связанные с весом конструкции, высоки (то есть самолет с общим коэффициентом безопасности 5, вероятно, будет слишком тяжелым, чтобы оторваться от земли). Этот низкий коэффициент проектирования 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 равен 2,0, а для конструкций основных стоек шасси он часто составляет 1,25.
В некоторых случаях непрактично или невозможно, чтобы деталь соответствовала «стандарту» расчетный коэффициент. Штрафы (массовые или иные) за выполнение требования помешали бы системе быть жизнеспособной (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 так, как нужно, поскольку она будет загружена ближе к своим пределам.
Для циклических, повторяющихся или непостоянных нагрузок важно учитывать возможность усталости металла при выборе запаса прочности. Циклическая нагрузка значительно ниже предела текучести материала может вызвать отказ, если она повторяется через достаточное количество циклов.
Согласно Элишакову понятие фактора безопасности в инженерном контексте, по-видимому, впервые было введено в 1729 году Бернаром Форестом де Белидором (1698-1761), который был французом инженер, работающий в области гидравлики, математики, гражданского и военного строительства. Философские аспекты факторов безопасности исследовали Доорн и Ханссон
