Алан Арнольд Гриффит
Алан Арнольд Гриффит | |
|---|---|
| Рожденный | 13 июня 1893 г. |
| Умер | 13 октября 1963 г. (70 лет) |
| Альма-матер | Ливерпульский университет |
| Известный | Механика разрушения |
| Награды | Член Королевского общества [1] |
| Научная карьера | |
| Учреждения | Королевское авиационное предприятие |
Алан Арнольд Гриффит CBE FRS [1] (13 июня 1893 — 13 октября 1963), английский инженер и сын викторианского писателя-фантаста Джорджа Гриффита . Среди многих других вкладов он наиболее известен своей работой по напряжению и разрушению в металлах, которая теперь известна как усталость металла , а также тем, что он одним из первых разработал прочную теоретическую основу для реактивного двигателя . двигателя Гриффита Передовые конструкции осевого турбореактивного сыграли важную роль в создании первого в Великобритании действующего турбореактивного двигателя с осевым потоком Metropolitan-Vickers F.2 , который впервые успешно работал в 1941 году. Гриффит, однако, не принимал непосредственного участия в фактическом производстве этого двигателя. двигателя, после того как в 1939 году он перешёл от руководителя отдела двигателей Королевского авиационного завода к работе в компании Rolls-Royce .
Ранние работы
[ редактировать ]А. А. Гриффит получил первое образование в области машиностроения, затем получил степень магистра и доктора Ливерпульского университета . В 1915 году он был принят на Королевский авиационный завод в качестве стажера, а в следующем году поступил на факультет физики и приборостроения, который вскоре был переименован в Королевский авиастроительный завод (или RAE).
Некоторые из более ранних работ Гриффита широко используются и сегодня. В 1917 году он и Дж. Тейлор предложили использовать мыльные пленки как способ изучения проблем стресса. При использовании этого метода мыльный пузырь растягивается между несколькими нитками, изображающими края исследуемого объекта, а окраска пленки показывает закономерности напряжения. Этот и подобные ему методы использовались вплоть до 1990-х годов, когда на смену пришло компьютерное моделирование.
Механика разрушения
[ редактировать ]Гриффит более известен благодаря теоретическому исследованию природы напряжений и разрушений, вызванных распространением трещин в хрупких материалах, таких как стекло. Его критерий распространения трещин применим и к упругим материалам. [2] В то время обычно считалось, что прочность материала равна Е/10, где Е — модуль Юнга для этого материала. Однако было хорошо известно, что эти материалы часто выходят из строя даже при тысячной части прогнозируемого значения. Гриффит обнаружил, что в каждом материале имеется множество микроскопических трещин, и предположил, что эти трещины снижают общую прочность материала. Это произошло потому, что любая пустота в твердом теле или царапина на поверхности концентрируют напряжение - факт, уже хорошо известный механикам того времени. Такая концентрация позволила бы напряжению достичь E/10 на кончике трещины задолго до того, как это могло бы показаться для материала в целом.
На основе этой работы Гриффит сформулировал свою собственную теорию хрупкого разрушения , используя концепции энергии упругой деформации . Его теория описывала поведение распространения трещин эллиптической природы с учетом задействованной энергии. Гриффит описал распространение трещины через внутреннюю энергию системы в зависимости от увеличения длины трещины, описываемого уравнением
где U e представляет собой упругую энергию материала, U s представляет собой площадь поверхности трещины, W представляет собой работу, приложенную к образцу, а dc представляет собой увеличение длины трещины. [3]
Это соотношение было использовано для установления критерия Гриффитса , который гласит, что, когда трещина способна распространяться настолько, что разрушает материал, прирост поверхностной энергии равен потере энергии деформации и считается основным уравнением для расчета. описать хрупкий перелом. Поскольку высвобождаемая энергия деформации прямо пропорциональна квадрату длины трещины, только когда трещина относительно коротка, ее потребность в энергии для распространения превышает доступную ей энергию деформации. За пределами критической длины трещины Гриффитса трещина становится опасной.
Работа, опубликованная в 1920 году («Явление разрыва и течения в твердых телах»), [4] привело к новому пониманию во многих отраслях. «Упрочнение» материалов в результате таких процессов, как холодная прокатка, больше не было загадкой. Конструкторы самолетов смогли лучше понять, почему их конструкции потерпели неудачу, хотя они были построены намного прочнее, чем считалось необходимым в то время, и вскоре обратились к полировке металлов для удаления трещин. Эта работа была позже обобщена Г. Р. Ирвином , Р. С. Ривлином и А. Г. Томасом . [5] [6] в 1950-е годы, применяя его практически ко всем материалам, а не только к хрупким.
Турбинные двигатели
[ редактировать ]В 1926 году Гриффит опубликовал основополагающую статью «Аэродинамическая теория конструкции турбин» . Он продемонстрировал, что плохие характеристики существующих турбин были вызваны недостатком их конструкции, из-за которого лопасти «зависли в полете», и предложил современную форму аэродинамического профиля лопастей, которая значительно улучшит их характеристики. Далее в документе описывался двигатель, использующий осевой компрессор и двухступенчатую турбину, первая ступень приводила в движение компрессор, вторая — вал отбора мощности, который приводил в действие гребной винт. Эта ранняя конструкция была предшественником турбовинтового двигателя. В результате работы Комитет по авиационным исследованиям поддержал небольшой эксперимент с одноступенчатым осевым компрессором и одноступенчатой осевой турбиной. Работа была завершена в 1928 году с рабочей проверенной конструкцией, на основе которой была построена серия конструкций для проверки различных концепций.
Примерно в это же время Фрэнк Уиттл написал свою диссертацию по газотурбинным двигателям, в которых использовался центробежный компрессор и одноступенчатая турбина, а оставшаяся мощность выхлопных газов использовалась для движения самолета. В 1930 году Уиттл отправил свою статью в министерство авиации , которое передало его Гриффиту для комментариев. Указав на ошибку в расчетах Уиттла, он заявил, что большой фронтальный размер компрессора сделает его непрактичным для использования в самолетах и что сам выхлоп будет обеспечивать небольшую тягу. Министерство авиации ответило Уиттлу, что их конструкция не интересует. Уиттл был удручен, но друзья из Королевских ВВС убедили его все равно реализовать эту идею. Уиттл запатентовал свою конструкцию в 1930 году и в 1935 году смог запустить компанию Power Jets для ее разработки.
Гриффит стал главным научным сотрудником, отвечающим за новую лабораторию Министерства авиации в Южном Кенсингтоне. Именно здесь он изобрел противоточную газовую турбину, в которой использовались диски компрессора и турбины, поочередно вращающиеся в противоположных направлениях. Никакого стационарного статора между каждым вращающимся диском не требовалось. Было сложно спроектировать лопатки, обеспечивающие правильную величину завихрения, и трудно изолировать проточный канал компрессора от проточного канала турбины. В 1931 году он вернулся в РАЭ, чтобы возглавить исследование двигателей, но только в 1938 году, когда он стал начальником отдела двигателей, фактически начались работы по созданию осевого двигателя. Хейн Констант присоединился к отделу двигателей, который начал работу над оригинальной непротивоточной конструкцией Гриффита, сотрудничая с производителем паровых турбин Metropolitan-Vickers (Metrowick).
Спустя непродолжительный период работа Уиттла в Power Jets начала добиваться значительного прогресса, и Гриффит был вынужден пересмотреть свою позицию по использованию реактивного самолета непосредственно для движения. Быстрая модернизация в начале 1940 года привела к появлению Metrovick F.2 , который впервые появился в эксплуатации позже в том же году. F.2 был готов к летным испытаниям в 1943 году с тягой 2150 фунтов силы и в ноябре летал в качестве замены двигателей на Gloster Meteor , F.2/40. Меньший по размеру двигатель привел к тому, что конструкция стала значительно больше напоминать Me 262 и имела улучшенные характеристики. Тем не менее двигатель посчитали слишком сложным и не запустили в производство.
Гриффит присоединился к компании Rolls-Royce в 1939 году и проработал там до 1960 года, когда он ушел в отставку с поста главного научного сотрудника компании. Он предложил схему простого турбореактивного двигателя, в котором использовался осевой компрессор и одноступенчатую турбину, названного AJ.65 и переименованного в Avon , первого серийного осевого турбореактивного двигателя компании. Он также предложил различные схемы байпаса, некоторые из которых были слишком сложными с механической точки зрения, но в том числе одну, в которой использовались два последовательно соединенных компрессора, такая схема впоследствии использовалась в Conway . Гриффит провел новаторские исследования в области технологий вертикального взлета и посадки (VTOL), таких как управление при зависании с помощью воздушных струй. Он предложил использовать батареи небольших, простых и легких турбореактивных двигателей для подъема самолета в горизонтальном положении, «плоском стояке». Управление в режиме висения исследовалось с помощью установки для измерения тяги Rolls-Royce , но с использованием обычных двигателей с отклоненной тягой. использовалась батарея из четырех подъемных двигателей В Short SC.1 .
Наследие
[ редактировать ]Гриффит отмечен ежегодной медалью и премией А.А. Гриффита, присуждаемой Институтом материалов, минералов и горного дела за вклад в материаловедение . [7] Премия прекращена в 2021 году.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Руббра, А.А. (1964). «Алан Арнольд Гриффит 1893–1963». Биографические мемуары членов Королевского общества . 10 : 117–126. дои : 10.1098/rsbm.1964.0008 . S2CID 71857346 .
- ^ Новая наука о прочных материалах, Дж. Э. Гордон, Penguin Books Ltd., Хармондсворт, Миддлсекс, Англия, 1968, стр.102.
- ^ Вахтман, Джон Б.; Кэннон, В. Роджер; Мэтьюсон, М. Джон (2009). Механические свойства керамики (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 9780471735816 . OCLC 441886963 .
- ^ Гриффит, А.А. (1921). «Явления разрыва и течения в твердых телах» . Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 221 (582–593): 163–198. Бибкод : 1921RSPTA.221..163G . дои : 10.1098/rsta.1921.0006 .
- ^ Ривлин, Р.С.; Томас, АГ (1953). «Разрыв резины. I. Характеристическая энергия разрыва». Журнал полимерной науки . 10 (3): 291. Бибкод : 1953JPoSc..10..291R . дои : 10.1002/pol.1953.120100303 .
- ^ Томас, АГ (1994). «Развитие механики разрушения эластомеров». Химия и технология резины . 67 (3): 50–67. дои : 10.5254/1.3538688 .
- ^ «Медали и призы IOM3» . Институт материалов, полезных ископаемых и горного дела . Проверено 28 мая 2013 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Армстронг, ФРВ (декабрь 1976 г.). «Аэродвигатель и его прогресс — пятьдесят лет после Гриффита» . Аэронавигационный журнал . Том. ЛХХХ. Королевское аэронавтическое общество . стр. 499–520. ISSN 0001-9240 .
- Кантор, Брайан (2020). «Уравнение Гриффита» . Уравнения материалов . Издательство Оксфордского университета. стр. 253–262. ISBN 978-0-19-259291-0 .
- Хауэлл, Арканзас (декабрь 1976 г.). «Ранние идеи Гриффита по аэродинамике турбомашин» . Аэронавигационный журнал . Том. ЛХХХ. Королевское аэронавтическое общество . стр. 521–529. ISSN 0001-9240 .
- Кинг, ХФ (22 декабря 1966 г.). «Наследие Гриффита: необычная история отца и сына» . Рейс Интернешнл . Том. 90. МПК Транспорт Пресс Лимитед. стр. 1058–1059. ISSN 0015-3710 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Rolls-Royce: доктор Алан Гриффит
- Фотография доктора А. А. Гриффита.
- «Доктор Гриффит уходит в отставку» - новостей 1960 года, сюжет летных в котором сообщается об уходе А. А. Гриффита из Rolls-Royce.
