Filosofie konstruování a dimenzování mechanických částí vozidel z hlediska jejich funkce a provozního zatěžování doc. Ing. Miloslav Kepka, CSc. ZČU v Plzni, Fakulta strojní, Katedra konstruování strojů Provozní pevnost a životnost dopravní techniky Přednáška v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/15.0383 Inovace studijního oboru Dopravní a manipulační technika s ohledem na potřeby trhu práce
Základní faktory ovlivňující provozní pevnost a únavovou životnost a jejich důsledky na cyklus vývoje výrobku Na základě měření / výpočtu umět stanovit časové průběhy provozního namáhání a odpovídajícím způsobem je vyhodnotit. MATERIÁL Znát = testovat základní materiálové vlastnosti. PROVOZNÍ ZATÍŽENÍ pevnost ÚNAVOVÁ životnost TECHNOLOGIE Vypočítat / změřit rozložení napětí a deformací v kritických průřezech součástí TVAR Porozumět míře dopadu použité technologie na výslednou provozní pevnost a únavovou životnost. Základní faktory ovlivňující pevnost (životnost)
Co to je interference namáhání součásti a její odolnosti?
Pohovoříme o filosofii konstruování a dimenzování mechanických částí z hlediska jejich funkce a provozního zatěžování
Složitá strojní konstrukce (dopravní prostředek) se skládá z celé řady částí, které z hlediska funkce a bezpečného dimenzování lze rozdělit na: Primární části konstrukce Sekundární části konstrukce U sekundárních částí se předpokládá, že jejich případná porucha neohrozí ani bezpečnost ani funkci celého zařízení. Tyto části nejsou obvykle předmětem návrhových výpočtů a zkoušek. Porucha primární části konstrukce znamená značné omezení nebo úplné porušení funkce stroje nebo zařízení. Poruchy lze rozdělit do dvou skupin: Poruchy, které neohrožují bezpečnost provozu ani životy lidí Poruchy, které ohrožují bezpečnost nebo mohou mít katastrofické následky Filosofie konstruování a dimenzování - 1
Poruchy, které neohrožují bezpečnost provozu ani životy lidí Pokud nenastávají v hromadné výrobě, řeší se ex post a opatření se zaměřuje na hledání a odstranění příčin poruch Poruchy, které ohrožují bezpečnost nebo mohou mít katastrofické následky Nutno vyvíjet značné úsilí k vyloučení takových poruch během projektované životnosti. Termín vyloučení je třeba chápat jako přípustnost takových selhání s krajně malou pravděpodobností. Filosofii návrhu částí konstrukce ovlivňují: Technické parametry Počet součástí v jednotlivých skupinách Množství produkce Filosofie konstruování a dimenzování - 2
Navrhování na trvalou únavovou pevnost = neomezený únavový život Zejména jsou tak dimenzovány součásti: Během životnosti absolvují řádově miliony provozních cyklů Nepředpokládá se výměna během celé projektované životnosti Maximální provozní kmity musí být nižší než tzv. mez únavy součásti. Některé typy konstrukcí však při tomto způsobu navrhování vycházejí příliš hmotné a neefektivně namáhané (neekonomické). Filosofie konstruování a dimenzování - 3
Navrhování na časovanou únavovou pevnost = omezený únavový život (převzato z letectví): SAFE-LIFE (konstrukce s bezpečným životem) Konstrukce musí být posouzena s ohledem na schopnost vydržet opakované zatížení předpokládané během celého únavového života a to bez zjistitelných trhlin. Používá se u částí, které nelze pravidelně kontrolovat a u částí, které nejsou jinak zálohovány, takže jejich porušení by ohrozilo bezpečnost provozu. Filosofie konstruování a dimenzování - 4
Navrhování na časovanou únavovou pevnost = omezený únavový život (převzato z letectví): FAIL-SAFE (konstrukce bezpečná při poruše) Konstrukce musí být navržena tak, aby katastrofické selhání nebylo pravděpodobné ani po vniku poruchy nebo při selhání jednoho důležitého nosného členu. Musí tedy být zaručeno, že ostatní části konstrukce budou schopné přenášet provozní zatížení po dobu nezbytně nutnou (např. do možného odstranění poruchy opravou). Typickým příkladem použití této filosofie je staticky přeurčená konstrukce, např. prutová soustava, kdy při poruše jednoho z prutů je silový tok převeden na pruty ostatní, aniž by došlo ke ztrátě únosnosti jako celku. Filosofie konstruování a dimenzování - 5
Dimenzování na časovanou únavovou pevnost = omezený únavový život (převzato z letectví): DAMAGE TOLERANCE (konstrukce s přípustným poškozením) Konstrukce jako celek je posouzena při vážném poškození, ale s ohledem na schopnost zbytku konstrukce přenést významné provozní zatížení bez poruchy po dobu do zjištění takového poškození. Poruchy typu únavových makrotrhlin, lomy spojovacích prvků (nýtů, šroubů, svarů) nejsou vyloučeny, musí ovšem být přijata závažná opatření, která zajistí jejich včasnou identifikaci a zabrání rozšíření do takové míry, která by způsobila poruchu vážnou nebo katastrofickou. Jedná se zejména o zavádění systémů periodických prohlídek s aplikací indikačních metod k odhalení poruch. Zaručena musí být krajně malá pravděpodobnost selhání v době mezi prohlídkami. Filosofie konstruování a dimenzování - 6
Inženýrský návrh konstrukce Spočívá ve stanovení takových návrhových proměnných, pro které jsou splněny omezující podmínky definované před zahájením návrhu a při kterých konstrukce dosahuje přijatelných hodnot.
Návrhové proměnné Geometrické (průřezová plocha, tvar, ) Materiálové (modul pružnosti, mez kluzu, mez pevnosti, mez únavy, ) Zatěžovací (popis polohy, velikosti a časového průběhu zatížení, ) Výrobní a technologické (obrábění, svařování, nýtování, lepení, povrchové úpravy, )
Návrhové metody z hlediska spolehlivostní analýzy
1. úroveň deterministická Využívá deterministické návrhové metody. Míra bezpečnosti s je stanovena jako podíl odolnosti konstrukce S a účinku zatížení L v daném místě konstrukce (součásti). Posudek spolehlivosti má potom tvar: s = S / L s p s p předepsaný stupeň bezpečnosti Nejvíce se blíží inženýrskému chápání problematiky, ale.!!!
2. úroveň polopravděpodobnostní Vychází z koncepce dílčích součinitelů spolehlivosti. Odděleně se stanovují (analyzují) účinky zatížení L a odolnosti konstrukce S. Posudek lze zjednodušeně zapsat ve tvaru: L d S d L d = ץ L. L návrhový účinek zatížení S d = ץ S. S návrhová odolnost ץ L, ץ s dílčí součinitele spolehlivosti Součinitele a návrhové hodnoty závisí na rozložení náhodných veličin charakterizujících zatížení a odolnost.
3. úroveň úplná pravděpodobnostní analýza Podmínka spolehlivosti P f P fd vyjadřuje přímé srovnání vypočtené pravděpodobnosti vzniku poruchy P f s návrhovou pravděpodobností P fd stanovenou předpisem, který definuje požadovanou spolehlivost. Jen vyjímečně lze provést analytické výpočty hledaných pravděpodobností a proto významnou roli hrají metody Monte Carlo.
Poděkování Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Projekt CZ.1.07/2.2.00/15.0383 Inovace studijního oboru Dopravní a manipulační technika s ohledem na potřeby trhu práce