Фактор безопасности

В технике коэффициент безопасности ( FoS ), также известный как (и используемый взаимозаменяемо) коэффициент безопасности ( SF ), показывает, насколько прочнее система, чем она должна быть для предполагаемой нагрузки. Коэффициенты безопасности часто рассчитываются с использованием подробного анализа, поскольку комплексные испытания нецелесообразны для многих проектов, таких как мосты и здания, но способность конструкции выдерживать нагрузку должна быть определена с разумной точностью.

Многие системы намеренно создаются намного прочнее, чем это необходимо для нормального использования, чтобы учесть аварийные ситуации, непредвиденные нагрузки, неправильное использование или ухудшение надежности ( надежность ).

Определение

Существует два определения коэффициента безопасности (FoS):

Отношение абсолютной прочности (конструкционной способности) конструкции к фактической приложенной нагрузке; это мера надежности конкретной конструкции. Это расчетное значение, и для ясности его иногда называют реализованным коэффициентом безопасности .
Постоянное требуемое значение, установленное законом, стандартом , спецификацией , контрактом или обычаем , которому конструкция должна соответствовать или превосходить. Это можно назвать расчетным коэффициентом , расчетным коэффициентом безопасности или требуемым коэффициентом безопасности .

Реализованный коэффициент безопасности должен быть больше требуемого расчетного коэффициента безопасности. Однако в различных отраслях и инженерных группах использование является непоследовательным и запутанным; используется несколько определений. Причиной большой путаницы является то, что различные справочники и агентства по стандартизации по-разному используют определения и термины фактора безопасности. В строительных нормах , учебниках по строительству и машиностроению «коэффициент безопасности» часто упоминается как доля общей прочности конструкции по сравнению с необходимой. Это реализованные факторы безопасности. ^[1]^[2]^[3] (первое использование). Во многих книгах по сопротивлению материалов для студентов бакалавриата «Коэффициент запаса прочности» используется как постоянное значение, предназначенное в качестве минимального целевого показателя для проектирования. ^[4]^[5]^[6] (второе использование).

Расчет

Существует несколько способов сравнения коэффициента запаса прочности конструкций. Все различные расчеты по сути измеряют одно и то же: какую дополнительную нагрузку сверх запланированной конструкция фактически выдержит (или должна выдержать). Разница между методами заключается в способе расчета и сравнения значений. Значения коэффициента безопасности можно рассматривать как стандартизированный способ сравнения прочности и надежности различных систем.

Использование коэффициента безопасности не означает, что предмет, конструкция или конструкция «безопасны». Многие факторы обеспечения качества , инженерного проектирования , производства , установки и конечного использования могут влиять на безопасность чего-либо в той или иной конкретной ситуации.

Расчетный коэффициент и коэффициент безопасности

Разница между коэффициентом запаса прочности и расчетным коэффициентом (расчетным коэффициентом запаса прочности) заключается в следующем: Коэффициент запаса прочности или предел текучести — это то, сколько фактически сможет выдержать проектируемая деталь (первое использование сверху). Фактор проектирования, или рабочее напряжение, — это то, что предмет должен выдерживать (второе использование). Коэффициент проектирования определяется для конкретного применения (обычно предоставляется заранее и часто устанавливается нормативными строительными нормами или правилами) и не является фактическим расчетом. Коэффициент безопасности представляет собой отношение максимальной прочности к предполагаемой нагрузке для фактического спроектированного элемента.

${\text{Factor of safety}}={\frac {\text{yield stress}}{\text{working stress}}}$
Расчетная нагрузка — это максимальная нагрузка, которую деталь должна когда-либо испытывать в эксплуатации.

Согласно этому определению, конструкция с FOS, равным ровно 1, будет выдерживать только расчетную нагрузку и не более. Любая дополнительная нагрузка приведет к разрушению конструкции. Конструкция с FOS, равным 2, выйдет из строя при удвоенной расчетной нагрузке.

Запас прочности

Многие правительственные учреждения и отрасли (например, аэрокосмическая) требуют использования запаса прочности ( MoS или MS ) для описания отношения прочности конструкции к требованиям. Существует два отдельных определения запаса прочности, поэтому необходимо внимательно определить, какое из них используется для конкретного применения. Одним из вариантов использования MS является мера возможностей, например, FoS. Другое использование MS — это мера удовлетворения проектных требований (проверка требований). Запас безопасности можно концептуализировать (вместе с коэффициентом резерва, поясняемым ниже), чтобы показать, какая часть общей мощности конструкции сохраняется «в резерве» во время нагрузки.

MS как мера структурных возможностей: это определение запаса прочности, обычно встречающееся в учебниках. ^[7]^[8] описывает, какую дополнительную нагрузку сверх расчетной может выдержать деталь, прежде чем она выйдет из строя. По сути, это мера избыточных возможностей. Если запас равен 0, деталь не будет воспринимать дополнительную нагрузку до выхода из строя; если он отрицательный, деталь выйдет из строя до достижения расчетной нагрузки в процессе эксплуатации. Если запас равен 1, он может выдержать одну дополнительную нагрузку, равную максимальной нагрузке, на которую он рассчитан (т. е. удвоенную расчетную нагрузку).

${\text{Margin of safety}}={\frac {\text{failure load}}{\text{design load}}}-1$
${\text{Margin of safety}}={\text{factor of safety}}-1$

MS как мера проверки требований: многие агентства и организации, такие как НАСА ^[9] и АИАА ^[10] определить запас прочности, включая расчетный коэффициент, другими словами, запас прочности рассчитывается после применения расчетного коэффициента. В случае запаса, равного 0, деталь имеет именно необходимую прочность (коэффициент запаса прочности будет равен расчетному коэффициенту). Если есть деталь с требуемым расчетным коэффициентом 3 и запасом 1, эта деталь будет иметь коэффициент безопасности 6 (способна выдерживать две нагрузки, равные ее расчетному коэффициенту 3, выдерживая в шесть раз большую расчетную нагрузку до выхода из строя ). . Запас 0 будет означать, что деталь будет соответствовать коэффициенту безопасности 3. Если запас меньше 0 в этом определении, хотя деталь не обязательно выйдет из строя, проектные требования не были выполнены. Удобство такого использования заключается в том, что для всех приложений допустимый запас равен 0 или выше, не нужно знать детали приложения или сравнивать его с требованиями, просто взглянув на расчет запаса, можно узнать, прошел проект или нет. Это полезно для надзора и анализа проектов с различными интегрированными компонентами, поскольку разные компоненты могут иметь разные конструктивные факторы, а расчет запаса помогает избежать путаницы.

Коэффициент безопасности конструкции указан как требование.
${\text{Margin of safety}}={\frac {\text{failure load}}{\text{design load × design safety factor}}}-1$
${\text{Margin of safety}}={\frac {\text{realized factor of safety}}{\text{design safety factor}}}-1$

Для успешного проектирования реализованный коэффициент безопасности всегда должен быть равен проектному коэффициенту безопасности или превышать его, чтобы запас безопасности был больше или равен нулю. Запас прочности иногда, но нечасто, используется в процентах, т. е. 0,50 MS эквивалентно 50% MS. Когда конструкция удовлетворяет этому тесту, говорят, что она имеет «положительный запас» и, наоборот, «положительный запас прочности». отрицательная маржа», когда это не так.

В области ядерной безопасности (как это реализовано на объектах, принадлежащих правительству США) запас безопасности определяется как величина, которая не может быть уменьшена без проверки контролирующим правительственным учреждением. Министерство энергетики США публикует DOE G 424.1-1, «Руководство по использованию при рассмотрении непересмотренных требований по вопросам безопасности» в качестве руководства для определения того, как определить и определить, будет ли снижен запас безопасности 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) запасами, а также проектов, которые зависят от «мягких» средств контроля, таких как программные ограничения или требования. Коммерческая атомная промышленность США использовала аналогичную концепцию при оценке запланированных изменений до 2001 года, когда 10 CFR 50.59 был пересмотрен с целью сбора и применения информации, доступной в анализах рисков для конкретных объектов и других количественных инструментах управления рисками.

Резервный коэффициент

Мерой силы, часто используемой в Европе, является коэффициент резерва (RF). Поскольку прочность и приложенные нагрузки выражаются в одних и тех же единицах, коэффициент запаса определяется одним из двух способов в зависимости от отрасли:

${\text{RF}}={\frac {\text{proof strength}}{\text{proof load}}}$
${\text{RF}}={\frac {\text{ultimate strength}}{\text{ultimate load}}}$

Прилагаемые нагрузки имеют множество факторов, в том числе применяемые факторы безопасности.

Доходность и окончательные расчеты

Для пластичных материалов (например, большинства металлов) часто требуется, чтобы коэффициент запаса проверялся как по пределу текучести , так и по пределу прочности. Расчет текучести определит запас прочности до тех пор, пока деталь не начнет пластически деформироваться . Окончательный расчет определит коэффициент безопасности до отказа. В хрупких материалах предел текучести и предел прочности часто настолько близки, что их невозможно различить, поэтому обычно приемлемо рассчитывать только предел прочности.

Выбор факторов проектирования

Соответствующие расчетные факторы основаны на нескольких соображениях, таких как точность прогнозирования приложенных нагрузок , прочности, оценок износа и воздействия окружающей среды , которому изделие будет подвергаться при эксплуатации; последствия инженерного сбоя; и стоимость перепроектирования компонента для достижения этого фактора безопасности. ^{[ нужна ссылка ]}. Например, для компонентов, отказ которых может привести к значительным финансовым потерям, серьезным травмам или смерти, может использоваться коэффициент безопасности четыре или выше (часто десять). Некритические компоненты обычно могут иметь коэффициент проектирования, равный двум. анализ рисков , режимы отказов и анализ последствий Обычно используются , а также другие инструменты. Факторы проектирования для конкретных приложений часто определяются законом, политикой или отраслевыми стандартами.

В зданиях обычно используется коэффициент запаса прочности 2,0 для каждого элемента конструкции. Ценность зданий относительно невелика, поскольку нагрузки хорошо изучены, а большинство конструкций являются резервными . В сосудах под давлением используется от 3,5 до 4,0, в автомобилях — 3,0, а в самолетах и космических кораблях — от 1,2 до 4,0 в зависимости от применения и материалов. Для пластичных металлических материалов обычно используются более низкие значения, а для хрупких материалов — более высокие значения. В области аэрокосмической техники обычно используются более низкие расчетные коэффициенты, поскольку затраты, связанные с весом конструкции, высоки (т.е. самолет с общим коэффициентом безопасности 5, вероятно, будет слишком тяжелым, чтобы оторваться от земли). Именно этот низкий конструктивный фактор является причиной того, что детали и материалы для аэрокосмической отрасли 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 основных конструкций шасси он часто равен 1,25. ^[11]

В некоторых случаях непрактично или невозможно, чтобы деталь соответствовала «стандартному» расчетному фактору. Штрафы (массовые или иные) за выполнение этого требования сделают систему нежизнеспособной (например, в случае с самолетами или космическими кораблями). В этих случаях иногда решается позволить компоненту соответствовать более низкому, чем обычно, коэффициенту безопасности, что часто называют «отказом» от этого требования. Это часто сопровождается дополнительным детальным анализом или проверками контроля качества, чтобы гарантировать, что деталь будет работать так, как хотелось бы, поскольку она будет загружена ближе к предельным значениям.

важно учитывать возможность усталости металла Для циклических, повторяющихся или нестабильных нагрузок при выборе коэффициента запаса . Циклическая нагрузка, значительно ниже предела текучести материала, может привести к разрушению, если она повторяется достаточное количество циклов.

История

По словам Элишакова ^[12]^[13] Понятие коэффициента безопасности в инженерном контексте, очевидно, было впервые введено в 1729 году Бернаром Форестом де Белидором (1698-1761). ^[14] французский инженер, работавший в области гидравлики, математики, гражданского и военного строительства. Философские аспекты факторов безопасности занимались Дорном и Ханссоном. ^[15]

См. также

Инженерный допуск - допустимый предел или пределы отклонения в технике.
Проектирование в предельном состоянии - метод проектирования в строительном проектировании.
Вероятностное проектирование - Дисциплина инженерного проектирования.
Избыточность (тотальное управление качеством) — подход к улучшению бизнеса.
Жертвенная часть — компонент, спроектированный таким образом, чтобы он вышел из строя первым, чтобы защитить остальную часть устройства.
Статистическая интерференция . Когда два распределения вероятностей перекрываются.
Верификация и валидация . Методы проверки соответствия требованиям.

Примечания

^ Янг, В.: Формулы Рорка для стресса и напряжения , 6-е издание. МакГроу-Хилл, 1989.
^ Шигли, Дж. и Мишке, К.: Стандартный справочник по проектированию машин , стр. 2-15. МакГроу-Хилл, 1986 год.
^ ASME BTH-1: Проектирование подъемных устройств под крюком , Раздел 1-5, ASME, 2005.
^ Бир, Ф. и Джонсон, Р.: Механика материалов , второе издание. МакГроу-Хилл, 1992.
^ Тимошенко, С : Сопротивление материалов , Том 1. Кригер, 1958.
^ Бьюкенен, Г.: Механика материалов , стр. 55. Холт, Рейнхарт и Уотсон, 1988.
^ Берр, А. и Читэм, Дж. Механическое проектирование и анализ , 2-е издание, раздел 5.2. Прентис-Холл, 1995.
^ Джувиналл, Р.: Стресс, напряжение и сила , раздел 14.13, стр. 295. McGraw-Hill, 1967.
^ NASA-STD-5001: Структурное проектирование и факторы испытаний оборудования для космических полетов , раздел 3. НАСА, 2008.
^ AIAA S-110: Космические системы — конструкции, конструктивные элементы и конструктивные узлы , раздел 4.2. АИАА, 2005.
^ Берр, А. и Читэм, Дж. Механическое проектирование и анализ, 2-е издание, раздел 5.2. Прентис-Холл, 1995.
^ Элишакофф, И. Факторы безопасности и надежность: друзья или враги? , Дордрехт: Kluwer Academic Publishers, 2004 г.
^ Элишакофф И., Взаимосвязь между факторами безопасности и надежностью, NASA/CR-2001-211309, 2001.
^ де Белидор, Бернар Форест, Инженерная наука в проведении фортификационных работ и гражданской архитектуры , Париж: Chez Claude Jombert 1729
^ Доорн, Н. и Ханссон, С.О., Должно ли вероятностное проектирование заменить факторы безопасности?, Философия и технологии , 24 (2), стр. 151-16, 2011 г.

Дальнейшее чтение

Лаланн, К., Разработка спецификаций - 2-е изд. , ИСТЭ-Вайли, 2009 г.

[1] Янг, В.: Формулы Рорка для стресса и напряжения , 6-е издание. МакГроу-Хилл, 1989.

[2] Шигли, Дж. и Мишке, К.: Стандартный справочник по проектированию машин , стр. 2-15. МакГроу-Хилл, 1986 год.

[3] ASME BTH-1: Проектирование подъемных устройств под крюком , Раздел 1-5, ASME, 2005.

[4] Бир, Ф. и Джонсон, Р.: Механика материалов , второе издание. МакГроу-Хилл, 1992.

[5] Тимошенко, С : Сопротивление материалов , Том 1. Кригер, 1958.

[6] Бьюкенен, Г.: Механика материалов , стр. 55. Холт, Рейнхарт и Уотсон, 1988.

[7] Берр, А. и Читэм, Дж. Механическое проектирование и анализ , 2-е издание, раздел 5.2. Прентис-Холл, 1995.

[8] Джувиналл, Р.: Стресс, напряжение и сила , раздел 14.13, стр. 295. McGraw-Hill, 1967.

[9] NASA-STD-5001: Структурное проектирование и факторы испытаний оборудования для космических полетов , раздел 3. НАСА, 2008.

[10] AIAA S-110: Космические системы — конструкции, конструктивные элементы и конструктивные узлы , раздел 4.2. АИАА, 2005.

[11] Берр, А. и Читэм, Дж. Механическое проектирование и анализ, 2-е издание, раздел 5.2. Прентис-Холл, 1995.

[12] Элишакофф, И. Факторы безопасности и надежность: друзья или враги? , Дордрехт: Kluwer Academic Publishers, 2004 г.

[13] Элишакофф И., Взаимосвязь между факторами безопасности и надежностью, NASA/CR-2001-211309, 2001.

[14] де Белидор, Бернар Форест, Инженерная наука в проведении фортификационных работ и гражданской архитектуры , Париж: Chez Claude Jombert 1729

[15] Доорн, Н. и Ханссон, С.О., Должно ли вероятностное проектирование заменить факторы безопасности?, Философия и технологии , 24 (2), стр. 151-16, 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]