Проектирование с помощью эксперимента

Естественно, что величина требуемой прочности зависит от размеров и назначениясамолета. Однако можно сказать, что каждое конструкторское бюро стремится ктакой прочности, при которой самолет разрушится только при нагрузке,составляющей 120% от предельной эксплуатационнойнагрузки.

Если бы проектирование конструкций хоть сколько-нибудь походило на точнуюнауку, можно было бы ожидать, что результаты различных испытаний, нанесенныена график, или гистограмму, тесно соберутся вокруг величины, равной 120%от расчетной нагрузки, с очень небольшим разбросом. Другими словами, результатыдолжны изображаться узким “нормальным распределением”, примерно таким,как показано на рис. 153. Однако известно, что в жизни ничего подобногоне происходит. Реальная гистограмма скорее похожа на рис. 154.

Рис. 153. Ожидаемое статистическое распределениевеличины разрушающей нагрузки самолета (схематическая диаграмма).

Рис. 154. Действительное распределение прочностисамолетов, испытанных на разрушение в течение 1935-1955 гг. (весьма приближенно).

Экспериментальная прочность оказывается почти равномерно распределенноймежду 50 и 150% от требуемой расчетной нагрузки. Поэтому можно утверждать,что даже наиболее выдающиеся конструкторы могут ошибиться в предсказаниипрочности самолета в 2-3 раза. Некоторые из испытанных самолетов имелименьше половины нужной прочности; некоторые были слишком прочны и поэтомуоказались значительно тяжелее, чем могли бы быть.

Что касается кораблей, то, оказывается, для них вообще не существуетданных, на которые можно было бы опереться, так как корабли почти никогдане подвергались испытаниям на разрушение в лабораторных условиях. Поэтомуневозможно сказать, хорошо или плохо делают свою работу конструкторы кораблей,по крайней мере в отношении расчетов на прочность. Однако, как мы виделив гл. 4, число аварий, вызванных конструктивными недостатками судов, весьмазначительно, и в настоящее время количество катастроф на тонно-милю, по-видимому,растет.

Что касается мостов, то расчеты на прочность здесь проще, чем в предыдущихслучаях, в основном благодаря более определенным нагрузкам. И все же количествоаварий современных мостов также довольно велико.

Проектирование с помощью эксперимента

Погрешности теоретического проектирования делают, конечно, необходимымиэкспериментальные исследования прочности всех разрабатываемых самолетов.Однако выгоды эмпирического подхода оказываются даже шире. Мы полагали,что целью конструктора является такая ситуация, при которой конструкцияразрушается, как только нагрузка достигнет расчетной величины. Но маловероятно,что даже тщательным образом рассчитанная конструкция окажется равнопрочнее.

На испытательном стенде конструкция разрушается в одном, самом слабомместе, следовательно, во всех остальных точках прочность конструкции выше.Если силовая конструкция самолета разрушается как раз при требуемых 120%расчетной нагрузки, то это значит, что большая часть конструкции обладаетизлишней прочностью, в которой просто нет необходимости. Но при этом мыничего не можем сказать о том, где и насколько можно облегчить конструкцию.Хотя повторные испытания больших сооружений требуют непомерных затрат времении денег, но там, где это возможно, все-таки лучше сделать так, чтобы первоеразрушение произошло при меньших нагрузках, чем требуемые. Такое испытаниеобнаруживает слабое место, которое следует усилить, затем испытание повторяюти т. д.

Один из самых удачных самолетов в истории авиации – бомбардировщик временвторой мировой войны “Москито” – первоначально разрушался в заднем лонжеронекрыла при 86% расчетной нагрузки. Постепенным упрочнением конструкции самолетабыла достигнута величина 118%. Своими выдающимися боевыми качествами этотсамолет был в значительной степени обязан чрезвычайно легкой и прочнойсиловой конструкции.

Грубо говоря, это – дарвиновский метод; так природа совершенствоваласвои собственные конструкции, правда, она имела на то больше времени именьше задумывалась о ценности жизни, чем нынешние инженеры. Аналогичныйметод с замечательным размахом используют автомобильные фирмы, а такжефирмы, выпускающие дешевые изделия массового производства. Они порой умышленновыбрасывают на прилавки менее прочную продукцию, чтобы на основании жалобпокупателей постепенно выявить дефекты своих изделий.

Таким образом, значительная доля проектирования элементов с заданнойпрочностью сводится к своеобразной игре, в которой последовательно латаютсяслабые места нагружаемой системы. Чем сложнее конструкция, тем это становитсятруднее и ненадежнее. Но, к счастью, проектирование большинства изделий,от мебели до самолетов, не становится совершенно невозможным благодарятому, что требования нужной жесткости часто оказываются значительно важнеетребований прочности. И конструкция, имеющая достаточную жесткость, зачастуюавтоматически оказывается и достаточно прочной.