го облака, которое сопровождается формированием огненного шара. Другим примером катастрофических разрушений является развивающееся разрушение трубопроводов, обусловленное механической усталостью, коррозией, эрозией, старением. Такое разрушение сопровождается появлением и развитием трещины, движущейся вдоль образующей трубы со скоростью несколько сотен метров в секунду и достигающей длины от десятков метров до десятков километров. Таким образом, тысячи тонн перекачиваемого продукта (часто экологически опасного) оказываются выброшенными в окружающую среду.
Именно крупномасштабные разрушения несущих элементов конструкций в результате аварий и катастроф могут привести к максимально возможному ущербу. Эти разрушения непосредственно связаны как с проявлением роли человеческого фактора, так
ис ролью внутренних (материаловедческих) и внешних (механического воздействия) факторов. Кроме того, возникновение и развитие аварий и катастроф, как правило, сопровождаются распространением существующих технологических дефектов и образованием трещин в зонах повышенной концентрации напряжений. Поэтому решение проблемы обеспечения безопасности сложных технических систем включает в себя анализ и обеспечение безопасности
иживучести несущих элементов конструкций в сильно поврежденных состояниях по критериям механики зарождения и развития трещин.
Причины появления значительного числа связанных с материалом и чисто механических воздействий при возникновении аварийных состояний систем заключаются в следующем:
–отсутствие или недостаточный учет при проектировании
ирасчетах взаимодействия повреждающих факторов от усталости, износа, эрозии, коррозии, фреттинга (фреттинг или фреттинг-кор- розия – коррозия при минимальном повторяющемся (локальном) перемещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной среды);
–недостаточное внедрение существующих современных методов расчета, контроля, современной технологии, а также использование устаревших норм и стандартов;
–недостаточные разработка и использование современных научных подходов к проблеме безопасности;
46
– отсутствие принципиально новых бездефектных высокопрочных конструкционных материалов и материалов с высокой живучестью.
Следовательно, необходимо создание научных основ анализа и обеспечения безопасности и живучести механических систем в рамках механики катастроф. Как и всякое направление научных исследований, механика катастроф характеризуется, прежде всего, своим объектом или предметом исследования, а также методами, на основе которых проводится анализ изучаемых явлений и процессов в рамках сформулированного предмета.
Предметом механики катастроф являются собственно аварии, связанные с механическими и физико-химическими повреждениями и разрушениями, последствия которых имеют принципиальное с точки зрения безопасности значение, т. е. те аварии, которые характеризуются большим ущербом.
Методы механики катастроф – это совокупность моделей, теоретических положений и принципов науки о материалах, их прочности, в том числе с учетом трещин, больших пластических деформаций, экстремальных нагрузок, динамических эффектов, повреждений от физических полей и коррозионных сред. Кроме того, первоначальные и последующие стадии повреждений и разрушений могут вызывать вторичные проявления аварийных ситуаций, таких как выбросы радиоактивных и токсичных веществ, взрывы, пожары и т. п. Эти проявления существенно усложняют анализ механики дальнейших стадий катастрофических разрушений. Поэтому механика катастроф опирается на теоретические выводы и экспериментальные результаты ряда смежных с материаловедением
ипрочностью областей: теории горения и взрыва, механики жидкостей и газов и т. д.
Основными научными направлениями механики катастроф являются исследования процессов накопления повреждений, реакции элементов конструкций на внешние и внутренние (в том числе аварийные) воздействия; создание теории предельного состояния
исобственно самого процесса критического поведения элементов конструкций, которые и приводят к тем или иным последствиям, а также создание теории критических, переходных, закритических
идопускаемых состояний сложных технических систем.
47
Разрабатываемая во многих странах концепция максимальной гипотетической аварии позволяет сформулировать первоочередные задачи в изучении технических систем в рамках механики катастроф:
–установление внешних нагрузок, действующих на элементы системы, исходя из реальных условий ее эксплуатации, как при нормальных, так и при аварийных условиях;
–изучение напряженно-деформируемого состояния высоко-
нагруженных несущих элементов системы с учетом внешних
ивнутренних динамических нагрузок;
–оценка прочности, износостойкости, надежности, ресурса, поврежденности и масштабов возможных разрушений элементов конструкций технических систем;
–оценка последствий таких повреждений и разрушений;
–выработка мер и рекомендаций по исключению или снижению возможного ущерба от катастрофических и опасных повреждений.
В настоящее время при разработке теории надежности и долговечности сложных технических систем принято опираться на три основополагающих принципа, последовательное внедрение которых в практику позволяет предотвратить крупномасштабные разрушения. Это принципы обеспечения качества, допущения наихудшего случая, непрерывной диагностики и оперативного анализа.
Принцип обеспечения качества заключается в достижении высокой степени надежности элементов технической системы за счет выбора материалов, технологии обработки, гарантии качества производства, эксплуатации и т. д.
Принцип допущения наихудшего случая указывает на необхо-
димость изучения возможных аварийных ситуаций, включая рассмотрение гипотетических аварий, причем в соответствии с этим принципом необходимо ориентироваться на самые неблагоприятные стечения обстоятельств.
Принцип непрерывной диагностики и оперативного анализа
включает задачи, связанные с ранним обнаружением отклонений в состоянии элементов технической системы и принятием решений о возможности последующей эксплуатации.
Для дальнейшего обсуждения теории механики катастроф
иметодов оценки надежности и долговечности сложных техни-
48
ческих систем следует ввести понятие предельных состояний в штатных и аварийных ситуациях. В общем случае при эксплуатации на технические системы действуют три основных типа нагрузок:
–механические Fm (от давления, массы, сил инерции и т. д.);
–тепловые Ft (от неравномерного распределения температур и (или) неоднородности теплофизических свойств материалов);
–электромагнитные Fеm (от воздействия электромагнитных
полей).
Суммарные эксплуатационные нагрузки
F = {Fm, Fеm, Ft} |
(1.2) |
создают соответствующие напряжения ζ и деформации е:
{ζ, e} = {ζm, еm ), (ζеm, ееm), (ζt, et)} = {F}. |
(1.3) |
С учетом параметров эксплуатационного нагружения: числа циклов нагружения N, времени η, температуры t, эксплуатационных усилий F, определяемых по (1.2), напряжений ζ и деформаций е – по (1.3), – строят временные зависимости F, t, ζ, e. Эти зависимости эксплуатационных нагрузок являются исходными данными для анализа прочности, ресурса, надежности и инженерной безопасности технических систем. Величины F, t и η задаются режимами эксплуатации и могут регистрироваться контрольно-измерительными системами машин и установок. Параметры ζ, e общего и местного напряженно-деформированного состояния могут быть получены расчетом по величинам F, t и η или специально измерены с помощью средств натурной тензо- и термометрии. При этом определяющими для последующих расчетно-экспериментальных оценок прочности, ресурса, надежности и безопасности принимаются следующие характеристики:
–максимальная расчетная нагрузка Fmax;
–максимальная (или минимальная) расчетная темпера-
тура (tmax|tmin);
– время заданного режима нагружения ηi; общее время всех режимов и блоков режимов ηобщ (временной ресурс).
По этой информации устанавливаются следующие дополнительные расчетные параметры:
49
– размах усилий F и амплитуды усилий Fа = F/ 2;
– размах температур t;
– размах усилий Fв вибрационного (двухили многочастотного) нагружения.
Из анализа всех i-х режимов устанавливают наиболее неблагоприятные сочетания F и t: Fmax – tmax – для повышенных и высоких температур; Fmin – tmin – для низких и криогенных температур. Число таких сочетаний определяется с учетом числа и геометрических форм рассчитываемых деталей или элементов и числа опасных зон и сечений в них. На основе выбранных расчетных схем по формулам сопротивления материалов для каждого момента времени устанавливают компоненты трех номинальных нормальных и трех касательных напряжений без учета концентрации напряжений. По этим составляющим определяют главные напряжения и главные деформации, в первую очередь для момента достижения экстремальных нагрузок Fmax. На этих зависимостях выделяют моменты, когда какая-то из составляющих напряжений или деформаций достигает экстремального (максимального или минимального) значения, а потом начинает уменьшаться (или увеличиваться) до следующего экстремального значения.
Реакцией несущих элементов конструкций и деталей машин на суммарные нагрузки, воздействия физических полей и коррозионных сред является возникновение не только полей напряжений и деформаций, но и полей повреждений. Причем в зонах концентрации напряжений местные напряжения и деформации имеют повышенные значения, а сами процессы повреждения материала протекают более интенсивно, приводя к возникновению разрушения. При этом в зависимости от условий нагружения и среды реализуются различные механизмы накопления повреждений и разрушений. Среди этих механизмов наиболее опасными являются те, которые приводят к катастрофическому (лавинообразному) разрушению, например в условиях коррозионного растрескивания, динамического и длительного статического нагружения, неустойчивого распространения трещины при статическом кратковременном нагружении, контактном взаимодействии. Выявление и анализ физических особенностей механизмов появления и накопления повреждений в материале играют важную роль при формировании физических критериев достижения телом предельного состояния.
50