Вся библиотека >>>

Содержание раздела >>>

 

Наука и технологии

 Материалы будущего


Издательство «Химия» 1985 г.

 

Актуальные проблемы

Конструирование облегченных изделий

 

 

Как разрабатываются облегченные конструкции?

 

Делать изделия легкими, экономить материал-это не самоцель, а путь к достижению высоких технико-экономических результатов.

Такие конструкции должны стать не как можно более легкими, а ровно настолько, сколько требуется для сведения удельной стоимости к минимуму. Это весьма важно, например, в самолетостроении, где требование легкости принимает, по-видимому, свою экстремальную форму. В основе разработок здесь лежат такие же жесткие экономические требования, как и в других отраслях. То, что необычайно привлекательные конструктивные решения пришли к нам как раз из самолетостроения, объясняется очень просто: каждый килограмм сэкономленной массы самолета приносит ежегодный доход в несколько тысяч марок.

Очень часто прогресс, наблюдаемый в авиационной промышленности, например применение новых материалов, чуть позже затрагивает и другие отрасли промышленности. Так, благодаря прогрессу самолетостроения и связанному с этим интенсивному производству титана в СССР, импортный титан стал широко применяться и в народном хозяйстве ГДР, в частности в химическом аппаратостроении и других отраслях промышленности.

Как широко нужно применять в разных отраслях промышленности легкие конструкции, определяется в конечном итоге соображениями экономичности. Существование многочисленных резервов для этого многократно доказано.

Облегченное изделие начинают разрабатывать лишь тогда, когда для предыдущего варианта исчерпаны почти все возможности путем снижения массы достичь минимума стоимости и максимума потребительной стоимости. Так как научно-технические знания постоянно обогащаются, можно говорить только о каком-то временном уровне развития, и эталон оптимально легкой конструкции должен достигаться вновь и вновь.

Принцип конструирования подобных изделий развился в отдельную научную дисциплину. Она занимается обработкой результатов фундаментальных исследований и дополняет их собственными разработками. При этом осуществляются следующие мероприятия:

технико-экономическая оптимизация;

выбор технически удобного принципа работы;

определение оптимальных геометрических размеров;

выбор материалов;

выбор наиболее целесообразного способа сборки и монтажа;

выбор способов производства, экономящих материал.

Эти мероприятия в основном приняты в машиностроении, в строительстве, то есть в тех отраслях промышленности, где конструкции и материалы подвергаются прежде всего механическим нагрузкам. Их осуществляют в ходе подготовки производственного процесса, особенно на стадиях проектирования, конструирования з разработки технологии. С их помощью уже на этих стадиях реализуется много идей, и, как показали исследования, 90% всех технических и экономических решений, связанных с уменьшением массы конструкций, осуществляются здесь. А теперь мы рассмотрим некоторые из них подробнее.

 

Технико-экономическая оптимизация

Процесс конструирования изделия делится на многочисленные этапы; некоторые идут друг за другом, а некоторые и параллельно. При этом приходится сравнивать различные комбинации принципов работы, материалов, конструктивного оформления и технологии и выбирать из них наиболее экономичный вариант. Этот процесс называют технико-экономической оптимизацией. В основе его лежат методы систематичных комбинаций, сравнения вариантов, моделирования и, для простейших связей, математические способы линейной оптимизации.

 105 иллюстрирует метод сравнения различных вариантов на примере кожуха для станка. Минимуму стоимости соответствует оптимальная масса, то есть тот предел, до которого облегчать изделие целесообразно.

В качестве примера подобного моделирования можно привести определение с помощью метода Монте-Карло оптимальных размеров сварного несущего двутаврового профиля. При этом в заданных границах с помощью ЭВМ образуются случайные комбинации размеров балки и путем выбора из большого числа комбинаций находится оптимальная форма поперечного ее сечения.

Во многих случаях использования легких конструкций недостаточно оказывается оптимизировать только себестоимость; нужно принять во внимание и зависящие от массы эксплуатационные затраты. Поэтому в зависимости от того, влияет ли масса только на себестоимость или и на себестоимость, и на эксплуатационные затраты, легкие конструкции делят на два класса. Конструкции первого класса встречаются в мостах, емкостях, установках и станках, а второго в автомобилях, транспортных средствах, движущихся частях машин и в обогреваемых сооружениях. На  106 вы видите, как оптимальная стоимость смещается в сторону меньшей массы при переходе от первого класса ко второму. Вот почему мотор, предназначенный для автомобиля, должен быть значительно легче аналогичного мотора, устанавливаемого стационарно.

В последние годы все чаще применяется очень практичный метод оптимизации: анализ потребительной стоимости. Его преимущество заключается в том, что он уже в процессе технологической разработки наводит на мысли, ориентированные не только на функции, но и на стоимость изделия. С его помощью можно взаимосвязанно рассматривать функции изделия, его стоимость и потребность в нем, что раньше делалось в основном изолированно. Отправной точкой является вопрос: а все ли функции вообще необходимы? После этого следуют оценка различных функций и систематический поиск вариантов решения на основе большого числа тестов и других вспомогательных средств. В заключение с помощью специального способа оценки определяется оптимальное решение. Метод анализа потребительной стоимости, несомненно, завоюет еще более широкое применение в хозяйстве. Хотя он тесно связан именно с разработкой легких конструкций, ему можно найти применение и в других областях, в частности при поисках путей для экономии  рабочего  времени.

Значение технико-экономической оптимизации будет, несомненно, повышаться. Об этом говорит тот факт, что в ходе научно-технического прогресса появляется все больше новых технических принципов, материалов, конструктивных оформлений и технологий, но лишь небольшая часть из множества появляющихся конструктивных решений действительно экономична.

К тому же постоянно растет комплексность задач конструирования. Во все возрастающей степени должна происходить оптимизация всех установок в целом. Если нужно сэкономить определенное количество газа, недостаточно оптимизировать только газохранилище. Газ может храниться при различных давлениях. Высокие давления требуют небольших емкостей, но мощных энергоемких компрессоров. При небольших давлениях необходимы большие хранилища, но потребность в компрессоре иногда даже отпадает. Только технико-экономическая оптимизация по критерию применения облегченных конструкций ведет к экономичности всей установки.

Мы не случайно привели сначала обзор методов технико-экономической оптимизации, так как она накладывается на все другие мероприятия, и при их реализации нужно постоянно ее учитывать.

 

Современные технические принципы работы

В самом начале разработки новой конструкции необходимо принять решение о принципе работы будущего изделия.

Этот выбор является основной предпосылкой для решения поставленной задачи, так как на него полностью опирается все дальнейшее конструктивное оформление. Каждое ошибочное решение на этой стадии разработки может повлечь за собой тяжелые последствия для предприятия-производителя, иногда на протяжении десятилетий.

Чтобы избежать ошибочных решений и с самого начала выбрать технически благоприятный с точки зрения времени и цели внедрения принцип работы, необходимо подробно изучить тенденции определяющих выбор технических и экономических параметров. Необходимо также изучить следующие вопросы: есть ли еще возможности путем улучшения отдельных стадий сделать старый принцип более продуктивным? В какие сроки он настолько исчерпает себя, что отчетливо станут видны пределы его возможностей? Какие новые принципы оказываются более перспективными по сравнению со старым?

Эту оценку производят также на основе таких параметров, как удельная стоимость и эффективная масса. Их развитие должно быть прослежено на много лет вперед, что позволит путем анализа основных влияющих факторов выбрать наилучшее техническое решение.

Могут встретиться следующие типы решений: 1) в основу разработки кладется известный своей перспективностью новый принцип работы; 2) уже применяемый способ производства развивается далее в определенном направлении; 3) рабочие параметры получаемых изделий повышаются на основе уже используемого технического принципа.

 Решающий этап, без сомнения, состоит в том, чтобы выбрать новый принцип работы и реализовать его. На этом этапе, как правило, сохраняется большой риск для проектировщика, но здесь же можно ожидать и наибольших успехов в отношении облегчения конструкций, народнохозяйственного эффекта и перспектив изделия на будущее.

Приведем несколько примеров из недавнего прошлого, где новый принцип работы дал значительный эффект.

Турбокомпрессор аксиального типа вместо радиального -экономится 20-50% материала ( 107).

Планетарная передача вместо цилиндрической зубчатой передачи - благодаря снижению нагрузки на шестерни экономится до 80% материала.

Дисковые тормоза вместо колодочных в автомобилестроении - экономится до 50% материала.

Сушилка с кипящим слоем вместо трубчатой - экономится до 80% материала благодаря упразднению тяжелых движущихся частей установки, а сушка и  выгрузка  материала  осуществляется  воздухом.

Пластинчатый теплообменник вместо кожухотрубного дает 20-50%, а вместо оребренного - до 70% экономии материала ввиду более интенсивной теплопередачи.

Будущее новых двигателей внутреннего сгорания также в определенной мере основано на возможности экономии материала. Так, масса газотурбинного двигателя в автомашинах составляет всего 15-40% массы дизельного двигателя, а ротационно-поршневой мотор по сравнению с обычным осуществляет свои функции при много меньшей массе, занимает меньше места и изготовляется быстрее.

Таким образом, новый технический принцип работы позволяет создавать современные типы облегченных конструкций. Однако, как показывает опыт, значительные резервы скрываются и в развитии уже внедренных технических принципов.

До сих пор экономия материала объяснялась совершенствованием производственного процесса. Какое влияние может оказать изменение конструктивного оформления, показывает пример оппозитного поршневого компрессора. Если ступени компрессора расположены так, что поршни движутся навстречу друг другу, то достигается более полное сбалансирование массы, более высокое число оборотов, большая производительность и меньшая по сравнению с обычным расположением поршней эффективная масса.

Путем незначительного изменения конструкции задвижек на магистральных газопроводах при сохранении почти той же массы добиваются больших номинальных давлений.

Таким образом, мы подошли к разговору о третьей возможности выбора оптимального технического принципа. При этом рабочие параметры повышаются на основе уже применяемого принципа работы, что связано с одним характерным явлением-тенденцией к увеличению размеров и мощностей станков, установок и транспорта. Из публикаций в прессе это особенно отчетливо видно на примере турбин электростанций.

Электростанция в Люббенау оснащена еще турбинами мощностью в 100 МВт, в Боксберге в первой очереди установлены турбины в 210 МВт, а во второй - в 500 МВт. В СССР работают турбины мощностью уже в 800 и 1200 МВт.

Все больше создается крупных самолетов, больших грузовых судов, доменных печей, конвертеров, колонных аппаратов и других установок.

Казалось бы, есть противоречие между таким увеличением размеров и использованием легких конструкций. Но в действительности оказывается, что эффективная масса у турбины в 800 МВт составляет только 58% от такой же величины у турбины в 210 МВт. Ниже приведены значения эффективной массы для паровых турбин:

Мощность, МВт

200 300 400 500 800

Эффективная масса, кг/кВт

2,80 2,50 2,32 1,86 1,63

С небольшой удельной массой связаны также меньшие объемы изделий, занимаемых ими пространств и, следовательно, уменьшение капитальных вложений. Такую же тенденцию можно отметить и у двигателей внутреннего сгорания, когда, например, повышение мощности достигается за счет увеличения числа цилиндров.

Рост мощности электромоторов и электрогенераторов также связан с уменьшением удельных затрат материала. Это явление не ограничивается, однако, только силовыми и производственными машинами. Если диаметр газопровода увеличить с 1200 до 1420 мм, то удельный расход стали и удельные капиталовложения снизятся на 9%, а при диаметре в 2500 мм-на 27%. Все это касается и других машин и устройств. Например, если вдвое увеличить ширину захвата свеклоуборочной машины, то на единицу производительности будет сэкономлено 30% массы.

На чем же основывается эта тенденция? Важной причиной является более благоприятный ход процесса в аппаратах большой единичной мощности, что выражается в росте коэффициента полезного действия. В паровых турбинах это ведет к повышению теплового и механического к.п.д., к более высоким температурам и давлениям пара. У электромоторов с ростом размеров улучшается плотность монтажа электропроводки и растет к.п.д. У электрогенераторов за счет более интенсивного отвода тепла путем воздушного, газового или водяного охлаждения достигается небольшая эффективная масса, а значит, и способность выдерживать большие нагрузки.

Итак, мы видим, что имеется много возможностей путем новых или усовершенствованных технических принципов достичь той же или даже большей мощности при небольших расходах материала.

 

 

Из подходящего материала

Еще один способ разработки легких конструкций - это поиск удобного материала. До сих пор задача состояла в том, чтобы из широкого списка материалов субъективно, то есть на основе опыта одного человека или коллектива выбрать самый подходящий. Только в металлообрабатывающей промышленности, которая пользуется довольно ограниченным ассортиментом материалов, в ГДР можно насчитать 450 сортов стали, около 520 сортов цветных металлов, 250 видов чугунных материалов и около 300 типов пластмасс. Если учесть влияние формы поставок на свойства материала и принять во внимание, что в этой отрасли промышленности применяются также эластомеры, керамика, стекло и другие материалы, то список перешагнет далеко за тысячу наименований. Число их характерных показателей составляет около 2 млн.

Субъективность в выборе материала препятствовала оптимизации этого этапа. Поэтому в ГДР была создана информационная система с центром в Дрезденском институте разработки легких конструкций и экономного использования материалов. Здесь создан банк данных о материалах, а с 1975 г. стало возможным осуществлять выбор с помощью ЭВМ. Несмотря на это выбор материала остается для конструктора творческим процессом, который осуществляется в несколько этапов.

На первом этапе конструктор собирает сведения о всех важнейших физических, химических и биологических воздействиях, которые после превращения в изделие испытывает материал, а также об условиях, которым он должен удовлетворять в процессе переработки

Активность, доза энергии, доза ионизирующего излучения Активность ионов гидрония Грибки аспергиллы, муравьи, термиты, крысы Формование, сварка, склеивание

На втором этапе на основе собранных сведений он выбирает подходящий, по его мнению, материал. Если он использует информационный центр, то тогда требования к материалу заносятся в специальный, полученный из центра формуляр бланка-заказа. Информационный центр в ответ на его запрос сообщает наиболее подходящий материал и его основные свойства.

Наконец, на третьем этапе конструктор с помощью прикидочных расчетов изучает внутренние напряжения, возникающие в материале и окончательно определяет геометрические размеры. При необходимости коррекции он снова повторяет все три этапа. Эта часть нашего рассказа о выборе материала тесно переплетается с рассматриваемым ниже определением оптимальных размеров.

Нам осталось только показать на примерах, какое значение имеет правильный выбор материала при разработке изделий облегченного типа и на что конструктору необходимо обращать особое внимание.

Доминирующее положение среди материалов все еще занимают в настоящее время металлы. Производители затрачивают много усилий, чтобы улучшить их свойства и снизить стоимость. У остальных материалов развитие идет по пути повышения прочности и стойкости к коррозии и износу. Повышенная прочность позволяет там, где она определяет геометрические размеры изделия, создать более легкие конструкции с меньшей стоимостью. Это касается, прежде всего, производства автомобилей, кранов и вообще всех отраслей машиностроения, а также емкостей и трубопроводов.

более прочной стали, то можно сократить их массу и стоимость

К этому нужно добавить, что небольшие размеры болта влекут за собой уменьшение размеров фланцев на трубах и сосудах, крышек и других деталей конструкций, так что можно говорить о своего рода цепной реакции.

Более высокая прочность и твердость материалов для зубчатых передач также ведет к уменьшению их размеров. Зубчатые передачи из термически обработанных металлов вдвое легче.

На  108 показана возможность уменьшения размеров лопастей турбокомпрессоров, рассчитанных на одинаковую производительность и степень сжатия. Только применение материалов повышенной прочности позволило так увеличить число оборотов. Удалось установить, что применение титана вместо алюминиевых сплавов приведет к повышению числа оборотов и производительности еще на 25%.

Благодаря высокой прочности коррозионно-стойких сталей можно уменьшить массу корпусов трансформаторов, что на одном только предприятии даст ежегодную экономию в 670 тонн стали.

В связи с коррозией и износом перед конструкторами встает задача не только создавать изделия из наименьшего количества материала, но и оптимизировать расход его на весь период эксплуатации, учитывая надежность изделия и потребность в запасных частях. Известно, что для содержания в исправности пассажирских железнодорожных вагонов после двадцатилетней эксплуатации необходимо 50% материалов, использованных при создании вагона. Стоимость технического обслуживания после этого промежутка времени выше стоимости изготовления нового вагона.

Хорошие антикоррозионные свойства и многие другие преимущества были причиной того, что в прошедшие годы резко возросла доля новой группы материалов— полимерных. Экономическое сравнение пластмасс с металлическими материалами на такой основе, как стоимость одного килограмма, затруднено вследствие их меньшей плотности. Только технико-экономическая оптимизация позволяет сделать окончательный вывод о целесообразности замены материала. Наряду с преимуществами уменьшенной массы и стоимости можно сократить число технологических стадий процесса переработки, что дает большой экономический эффект.

Поясним это на примере. В сельскохозяйственной сеялке до последнего времени применялись сеятельные колеса из серого чугуна. Процесс их изготовления включал в себя шесть технологических стадий: литье в кокиль, очистку, разметку, сверление, строгание и шлифовку. Сейчас эти колеса изготавливают из полиамидов. Процесс состоит из двух стадий: литья под давлением и зачистки.

Если запрессовать волокна в органическую массу, то возникнут многослойные материалы высокой прочности и жесткости. Армированные таким образом реактопласты с успехом заменяют в некоторых областях сталь, а термопласты - алюминиевые сплавы.

Высокие значения прочности и жесткости достигаются у эпоксидных компаундов, усиленных углеродными волокнами. Приводные валы вертолетов длиной в несколько метров, изготовленные из этих материалов, обладают вдвое большей жесткостью по сравнению с алюминиевыми, легче на 30% и к тому же конструктивно проще.

Развитие пластмасс и комбинированных материалов даст еще много импульсов делу разработки легких конструкций.

Представляют интерес не нуждающиеся в смазке фторлоновые поршневые кольца в компрессорах. Лучшее скольжение и повышенная износостойкость по сравнению с угольными кольцами позволили увеличить скорость хода поршня, благодаря чему возросла производительность, а эффективная масса компрессора сократилась почти на 40%.

В строительстве внедряются не только металлические и полимерные облегченные конструкции, но и изделия из силикатных материалов, например из легких бетонов, чья плотность при хорошей прочности на 50% ниже, чем у обычных бетонов. Легкие бетоны можно с успехом применять в больших элементах конструкций, так как нагрузка на них в значительной мере определяется их собственной массой. Для конвейерной эстакады длиной 30 метров это дает, например, экономию 25% массы и 10% стоимости, причем на стоимость в основном влияет снижение транспортных расходов.

Легкие конструкции используются не только в механически нагруженных строительных элементах, но находят и другие области применения.

Теплопоглощающие материалы становятся легче. Снижается масса материалов для подшипников скольжения, линий передач электрического тока, изоляционных материалов. Полсотни лет назад традиционным электропроводящим материалом была медь. Сегодня при передаче электроэнергии все чаще используют алюминий. Киловольтная линия передач, изготовленная из алюминия, на 40% дешевле и на 50% легче аналогичной медной.

В настоящее время во многих странах работают над созданием натриевого кабеля. Его масса будет составлять лишь половину массы алюминиевой проводки.

 

Оптимальная форма и размеры

Определение оптимальной формы и размеров состоит из нескольких этапов. Во-первых, размеры нужно уменьшить так, чтобы функциональная способность изделия сохранилась, да еще с учетом запаса прочности.

Во-вторых, оптимальные размеры и форма предусматривают как можно более удобную компоновку изделия. Чем понятнее и доступнее конструкция, тем легче подвести энергию, избежать нежелательных напряжений или быстро снять их. При хорошей компоновке точнее всего определяются нагрузки на материал внутри конструкции.

Взгляните на  109. На нем хорошо видно, как важна удобная конструкция. Раму машины для очистки семян путем конструктивной переработки удалось сделать легче на 20%, а благодаря сокращению длины сварных швов на ее изготовление нужно затратить на 200 минут меньше. Следующим мероприятием должно быть улучшение плавности хода, поскольку даже небольшие вибрации ведут к значительному расходу мощности.

Если можно отказаться от рамной конструкции, то применяют фахверковую. Когда на балку действуют нормальные силы (растяжение, сжатие), ее сечение можно равномерно разгрузить.

Несущие пространственные конструкции чаще всего плоские. Большие пролеты перекрываются гофрированными или оболочковыми конструкциями.

В транспорте также переходят к применению самонесущих конструкций. На дорогах мы все чаще встречаем седельные прицепы-цистерны (). В этом случае отказываются от дополнительных опор между группами колес, а переносу нагрузки способствует оболочковая конструкция кузова.

В этой связи нужно указать на один из принципов разработки легких конструкций. Строительный элемент стараются заставить выполнять как можно больше функций, если при этом отпадает необходимость в других деталях. Этот принцип можно проиллюстрировать на примере бескамерных автопокрышек. Функцию камеры берет на себя сама покрышка.

В этом направлении развивается и конструктивное оформление транспортных средств, причем сами кузова без специальных рамных конструкций воспринимают действие основных сил. В современных пассажирских вагонах элементы конструкции пола, стен и крыши совместно воспринимают основные нагрузки. Отпала необходимость в обычных ранее продольных опорах.

При проектировании оболочковых конструкций нужно обращать особое внимание на правильное распределение сил. На  112 представлены различные крепления дна сосуда к его стенкам с применением различных по форме сварных швов. Выбор наилучшего решения в 6 раз увеличивает предел прочности при растяжении; другими словами, расход материала сокращается вшестеро.

При переходе от просто изогнутого свода к своду с двумя поверхностями кривизны оболочковые конструкции вследствие снятия напряжений позволяют добиться значительной выгоды. Так, напряжения, возникающие в сферическом сосуде из-за внутреннего давления, вдвое меньше, чем максимальное напряжение в цилиндрическом сосуде. Кроме того, сферическая форма дает оптимальное соотношение между поверхностью и объемом и в этой связи обладает еще одним важным преимуществом перед цилиндрической. Иными словами, тех же целей можно достичь с половинным расходом материала. Поэтому на нефтеперерабатывающих и химических заводах наиболее прогрессивной сейчас считается сферическая форма сосудов  для   хранения   газов   и   жидкостей.

Найти оптимальные размеры и форму - значит к тому же обеспечить достаточную статическую прочность и долговечность при действии усталостных и вибрационных нагрузок, износа и коррозии. При этом в первую очередь нужно принять во внимание величину, направление, вероятность и распределение во времени внешних нагрузок, встречающихся при эксплуатации изделия. Для правильного расчета конструкций применяют иногда специальные. методы нагружения.

На производстве все чаще приходится иметь дело с совокупностью нагрузок. На  113 показано, как часто определенные силы действуют на колесо автомобиля при различной скорости движения. С помощью таких данных о вероятности появления нагрузок можно намного лучше использовать материалы. Однако обобщение данных и экспериментальное нахождение зависимости только для самых важных изделий нецелесообразно. Особую роль этот метод играет в транспортных средствах, сельскохозяйственных машинах, транспортерах и различных несущих конструкциях в строительстве и на транспорте.

Далее следует подчеркнуть, насколько важна надежность определения геометрических размеров. Ошибки здесь основаны на нашем неполном знании всех встречающихся на практике нагрузок и реакции на них элементов конструкций и деталей. Возможных последствий этого стараются избежать, вводя конструктивные допуски, обязательные запасы прочности и значения допустимых напряжений.

Чем точнее нужно определить поведение изделия под действием внешних нагрузок, тем специфичнее должен быть и сам метод расчета. На современной стадии технического развития, когда пластмассы стали все чаще применяться в несущих элементах конструкций, возникают новые способы расчета, учитывающие пластические и вязкоупругие свойства материалов.

Чтобы полностью использовать несущие способности тонкостенной конструкции, стало недостаточным рассчитывать только их упругое поведение. Очень много резервов мы найдем, учитывая местные пластические деформации.

Конструкции из пластиков отличаются от металлических тем, что ввиду вязко-упругого поведения пластмасс их несущая способность уже при обычной температуре зависит от времени действия нагрузки. Если время сжатия пластмассового бруса увеличить с 1 часа до 100, то допустимая нагрузка снизится на одну треть. Так как при этом важную роль играет и температура, то станет понятна необходимость в совершенно новых методах расчета.

Быстродействующие, с большой памятью вычислительные машины способствуют определению в сложных конструкциях характера и величин нагрузок на материал. С их помощью можно, например, рассчитать нагрузки в деталях кузова грузовика, что еще недавно казалось неразрешимой задачей.

При разработке легких конструкций обычно принято рассчитывать эксплуатационную прочность. Это помогает определять поведение материала под действием таких нагрузок, величина, направление и вероятность которых меняется во времени.

Эксплуатационная прочность-это усовершенствованное и обобщающее понятие в теории прочности. В своей старой форме определение размеров опиралось с одной стороны на статическую прочность, а с другой на предел усталости, то есть в обоих случаях принимались во внимание наибольшие нагрузки. Эти максимальные величины обеспечивали долговечность и исключали возможность разрушения на все времена.

Такая конструкция, хотя и прочна, но неэкономична и не имеет ничего общего с основными принципами облегченного конструирования. Накопленные до сих пор экспериментальные данные и весь опыт в области эксплуатационной прочности показали, что предел усталости на практике может быть превзойден. Допустимы нагрузки в несколько раз превышающие предел усталости.

Основным недостатком прежних методов расчета прочности было незнание точных условий нагружения. Каждую из воспринятых нагрузок рассматривали отдельно от всей их совокупности. Без знания формы этой совокупности и вероятности ожидания нагрузок было трудно проектировать и конструировать. Современный уровень знаний говорит нам о следующем состоянии дел: во многих случаях имеют место стохастические нагрузки, действующие совокупно. С такой коллективной формой мы уже сталкивались при разговоре о распределении вероятностей действия определенных нагрузок. У многих изделий можно ожидать вполне определенной формы совокупности и при достаточной осведомленности стандартизировать ее. Такое нормирование позволяет определять размеры изделий на конкретный эксплуатационный срок и в течение некоторого времени использовать детали, которые по срокам годности, казалось бы, отжили свое.

До сих пор на переднем плане стоял вопрос прочности. Однако развитие легких конструкций заставило все чаще решать проблему колебаний, Облегченные изделия обладают небольшой массой и обусловленными этим малыми самозатуханием колебаний и жесткостью. Из-за этого в таких конструкциях легко возникают колебания. Они часто неприятны, а иногда принимают просто недопустимые размеры. Так как реакции изделия на динамические силы в основном неизвестны, то трудно проектировать размеры фундаментов, крыш и т.п.

Определение оптимальных размеров должно одинаково учитывать все затронутые здесь проблемы, причем целью всегда является технико-экономическая оптимизация. В отдельных областях проектирования уже наступила фаза программированного определения статических размеров, самостоятельного выбора формы поперечного сечения с одновременной оптимизацией массы и стоимости.

 

Способы производства, снижающие материалоемкость

Еще одно мероприятие, осуществляемое при конструировании облегченных изделий, это разработка и внедрение новых способов производства, ведущих к экономии материала. Способ производства влияет на конструирование различными путями. Применяемая технология определяет коэффициент использования материала, который показывает, какова масса готовых изделий, произведенных из одной тонны материала. В промышленных странах этот коэффициент для стали, например, составляет около 80%. Для ГДР это значит, что в ходе производственного процесса ежегодно превращается в отходы свыше 1,2 млн. тонн стали. Поэтому в любом случае целью является применение такой технологии, которая гарантирует высокую степень использования материала и тем самым положительно влияет на стоимость изделия. Впрочем, коэффициент использования материала мало говорит о качестве воплощаемой в изделии конструкции.

Уменьшение массы изделий ни в коем случае нельзя недооценивать. К примеру, в двадцатых годах переход от клепки к сварке позволил сэкономить в каждом изделии от 15 до 20% стали. Примерно столько же стали экономится при замене горячекатаных стальных профилей на облегченные.

Как мы уже видели на примере пассажирского вагона, профили, полученные методом холодного формования, позволили по-новому конструктивно оформлять изделия (см.  111). Облегченные панели для вагонных стенок также состоят из холоднокатаных наружных металлических слоев, между которыми находится пенопласт (он выполняет две функции: служит теплоизоляцией и укрепляет панель). На современных автоматизированных поточных линиях протекают все стадии процесса изготовления таких элементов от профилирования металлических полос и внесения пенопласта до придания изделиям необходимых размеров. Уже одна такая установка позволяет не только покрыть потребность многих отраслей промышленности, но и производить экспорт продукции.

Много новых возможностей дает метод гидравлического прессования: стенку вагона можно изготовить всего из двух соединенных вместе мягких стальных полых профилей, полученных гидравлическим прессованием.

Есть и еще способы, снижающие материалоемкость: дистанционная ковка, штамповка, вальцовка, фрикционная сварка и другие.

Итак, мы видим, что выбор правильной технологии дает новый импульс развитию легких конструкций. Более современная технология позволяет по сравнению с традиционными способами сэкономить от 20 до 50% материала.

 

Выбор способа сборки

Выбор и применение целесообразного способа сборки или строительства это отдельное мероприятие при конструировании облегченных изделий. Здесь комбинируются и выбор материала, и определение оптимальных размеров и формы, и поиск наиболее подходящей технологии.

Отдельным отраслям промышленности присуши вполне определенные способы сборки. В автомобилестроении, при производстве грузовиков, тяжелых платформ, цистерн, легковых машин, широко распространена, например, сборка из самонесущих конструкций.

Эта же тенденция развития, которая заключается в применении безрамного способа строительства, то есть в передаче части несущих функций корпусу и агрегатам, свойственна сельскохозяйственному машиностроению.

При строительстве пассажирских вагонов и рефрижераторов обращаются к методу секционной сборки.

В судостроении обычен секционный способ сборки корпусов, а палубу монтируют, как правило, комбинированным методом.

То, что мы видим в машиностроении, справедливо также для гражданского и промышленного строительства. Здесь тоже по достоинству ценятся методы сборки из легких конструкций. При этом в промышленных, общественных, сельскохозяйственных и других сооружениях часто применяется метод канатной или стержневой крепежки. В строительство все больше внедряется и каркасно-панельный способ с легкими крышей и стенами.

Очень интересные возможности для строительства представляют пневматические конструкции мягкие оболочки, во внутренний замкнутый объем которых подается воздух, чем и достигается их несущая способность. Малая масса, очень небольшая стоимость при максимуме охваченного пространства - вот положительные стороны этого способа строительства. На этом примере с особой очевидностью прослеживается постоянная тенденция к снижению массы, отнесенной к единице потребительной стоимости.

В табл. 25 перечислены основные способы сборки из легких конструкций, применяемые в различных отраслях промышленности. Часть из них уже детально разработана для практического применения и постоянно совершенствуется. Основы можно найти в справочниках, стандартах, технических условиях и нормах.

В последнее время создается все больше комплексных средств, облегчающих работу конструкторов.

К ним относится, например система программирования АВТРА для Автоматизации и Рационализации применения легких конструкций. Все более расширяется информационный центр в уже упоминавшемся Дрезденском институте разработки легких конструкций и экономного использования материалов.

    

 «Материалы будущего»             Следующая страница >>>

 

Смотрите также: "Очерки истории науки и техники"  Альманах Эврика 84  Альманах Эврика 90  Тайны двадцатого века  Знак Вопроса (Знание)  Чудеса и Приключения