О точности расчетов на прочность

Старый фаэтон Оливера Вандела Холмса, сконструированный ровно на столет, – ни на день больше, ни на день меньше, – развалился, как и было задумано,1 ноября 1855 г., лишь только священник добрался в своей проповеди до слов”в-пятых”… Ясно, что это вздор. Эксцентричный герой романа Невила Шьюта”Путь закрыт” предсказывает, что хвост авиалайнера “Райндер” отвалитсяиз-за “усталости металла” после 1440 полетных часов плюс минус один день.И это тоже вздор, о чем наверняка знал Нэвил Шьют, опытный авиационныйинженер.

Практически невозможно с такой точностью планировать время надежнойработы изделия. Возможен лишь статистический, основанный на опытных данных,подход к этой проблеме. Причем по самой природе вещей мы можем дать толькоболее или менее разумные вероятностные оценки надежности. Ослабив конструкциюсверх меры, ее можно сделать легкой и дешевой, но тогда недопустимо возрастаетвероятность частых поломок. И наоборот, слишком прочная, “вечная” с человеческойточки зрения – а именно этого всегда жаждет публика – конструкция можетоказаться слишком тяжелой и дорогой. Как мы увидим ниже, дополнительныйвес чаще увеличивает опасность, чем дополнительная прочность ее уменьшает.Поскольку все учесть невозможно, то, разрабатывая реальную конструкциюдля реальной жизни, необходимо примириться со всегда существующей – пустьмалой, но конечной – вероятностью преждевременного выхода ее из строя.

Как указывает Альфред Пагсли в своей книге “Надежность конструкции”,этот довольно интересный момент в рассуждениях как раз и может заставитьнас отказаться от строго логического подхода к проблеме. Как говорит Пагсли,человеку присуща боязнь разрушения – вот почему обыватель цепко и упрямодержится за мысль, что любая конструкция, с которой он лично связан, вообщене должна разрушаться. Последствия такой точки зрения могут быть самымиразличными; иногда это не приносит вреда, но иногда приводит к печальнымрезультатам.

Во время войны английские авиаконструкторы были поставлены перед необходимостьюразумного компромисса между прочностью и другими качествами самолета. Потерибомбардировщиков от действий немецкой противовоздушной обороны были оченьбольшими, примерно один из 20 самолетов не возвращался из каждого боевоговылета. Напротив,потери самолетов вследствие разрушения конструкции были незначительными – многоменьше одного самолета из 10 тыс. Вес силовой конструкции самолета составляетпримерно треть его общего веса, и было бы, видимо, разумным еще уменьшить его вобмен на другое оборудование, дающее самолету дополнительные преимущества. Вэтом случае число катастроф несколько увеличилось бы, но сэкономленный такимобразом вес позволил бы увеличить число и калибр пушек или толщину брони, чтопривело бы к существенному общему снижению потерь. Но авиаторы не хотели дажеслышать об этом. Они предпочитали больший риск быть сбитыми гораздо меньшемуриску аварии по техническим причинам.

Чувство возмущения поломкой конструкции, по мнению Пагсли, унаследованонами от далеких предков, испытывавших постоянный страх, кроме всего прочего,и оттого, что сук или ветка дерева, на котором они жили, сломаются, и ихдети, да и они сами, окажутся в пасти какого-нибудь саблезубого тигра илипещерного медведя. Как бы то ни было, инженеры не могут не считаться сэтим чувством, хотя возникающий вследствие этого дополнительный вес можетзачастую привести и к увеличению опасности.

О точности расчетов на прочность

Любой рациональный подход к вопросам прочности и надежности требуетот инженера умения предсказать с достаточной точностью прочность предлагаемойим новой конструкции, даже если он толком не знает, на сколько времениэтой прочности хватит. Как мы видели в гл. 3, прочность таких простых конструкций,как канаты, цепи, прямые колонны или балки, можно рассчитать достаточнонадежно. Но этого не получается в случае весьма сложных конструкций, таких,как самолеты и корабли, для которых вопросы прочности особенно важны. Зная,что имеется огромный опыт проектирования различных сооружений, что существуетобширная и математически изощренная литература на эту тему, что читаютсябесконечные лекции по теории конструкций, мы можем не поверить последнемуутверждению. Но это действительно так.

Рассмотрим, например, статистику прочности самолетов. Так как экономиявеса здесь очень важна, а последствия разрушения всегда ужасны, проектированиесамолетов, естественно, ведется со всей тщательностью. Дотошно проверяетсякаждая деталь. Чертежи и расчеты делают высококвалифицированные специалисты,используя при этом самые передовые научные методы.

После окончания работы все расчеты совершенно независимо проверяютсядругой группой специалистов. Таким образом, окончательные результаты настолькобезошибочны и точны, насколько это вообще в человеческих силах. Наконец,для полной надежности полномасштабная модель самолета испытывается на стендахдо разрушения.

За последние годы было разработано лишь несколько новых моделей самолетов,так что современные данные статистически недостоверны. Однако, когда самолетыбыли проще и дешевле, сравнительно большое число моделей разрабатывалосьпо крайней мере до стадии опытного образца. В Англии между 1935 и 1955 гг. было построено и испытано на прочность около ста типов самолетов.