Skadetolerans

Inom teknik är skadetolerans en egenskap hos en struktur som relaterar till dess förmåga att upprätthålla defekter på ett säkert sätt tills reparation kan utföras . Tillvägagångssättet för teknisk design för att ta hänsyn till skadetolerans är baserad på antagandet att brister kan förekomma i vilken struktur som helst och att sådana brister sprider sig med användning. Detta tillvägagångssätt används ofta inom flygteknik , maskinteknik och civilingenjör för att hantera sprickor i strukturen genom tillämpning av sprickmekanikens principer . En konstruktion anses vara skadetolerant om ett underhållsprogram har implementerats som kommer att resultera i upptäckt och reparation av oavsiktliga skador, korrosion och utmattningssprickor innan sådana skador minskar konstruktionens kvarvarande hållfasthet under en acceptabel gräns.

Historia

Strukturer som mänskligt liv beror på har länge ansetts behöva ett inslag av felsäkerhet . När han beskrev sin flygande maskin, noterade Leonardo da Vinci att "När man konstruerar vingar bör man göra ett ackord för att bära belastningen och ett lösare i samma position så att om en går sönder under belastningen, är den andra i positionen för att tjäna samma funktion."

Före 1970-talet var den rådande tekniska filosofin för flygplanskonstruktioner att säkerställa att luftvärdigheten bibehölls med en enda del bruten, ett redundanskrav känt som felsäkerhet . Men framsteg inom sprickmekanik , tillsammans med ökända katastrofala utmattningsfel som de i de Havilland Comet ledde till en förändring av kraven för flygplan. Det upptäcktes att ett fenomen som kallas skador på flera ställen kan orsaka att många små sprickor i strukturen, som växer långsamt av sig själva, förenas med varandra över tiden, vilket skapar en mycket större spricka och avsevärt minskar den förväntade tiden till fel.

Safe-life struktur

Inte alla strukturer måste uppvisa detekterbar sprickutbredning för att säkerställa driftsäkerhet. Vissa strukturer fungerar enligt om säker livslängd , där en extremt låg risknivå accepteras genom en kombination av testning och analys att delen aldrig kommer att bilda en detekterbar spricka på grund av utmattning under delens livslängd. Detta uppnås genom en betydande minskning av spänningar under detaljens typiska utmattningsförmåga. Safe-life-strukturer används när kostnaden eller omöjligheten för inspektioner uppväger viktstraffet och utvecklingskostnaderna förknippade med safe-life-strukturer. Ett exempel på en säker-livskomponent är helikopterns rotorblad . På grund av det extremt stora antalet cykler som den roterande komponenten utsätter sig för, kan en oupptäckbar spricka växa till en kritisk längd i en enda flygning och innan flygplanet landar, resultera i ett katastrofalt fel som regelbundet underhåll inte kunde ha förhindrat.

Skadetoleransanalys

För att säkerställa en fortsatt säker drift av den skadetoleranta strukturen, utarbetas inspektionsscheman. Detta schema är baserat på många kriterier, inklusive:

  • antas initialt skadat skick hos strukturen
  • spänningar i strukturen (både utmattning och maximala driftsspänningar) som orsakar spricktillväxt från det skadade tillståndet
  • materialets geometri som intensifierar eller minskar spänningarna på sprickspetsen
  • materialets förmåga att motstå sprickbildning på grund av påfrestningar i den förväntade miljön
  • största sprickstorlek som strukturen kan uthärda innan katastrofala fel
  • sannolikheten att en viss inspektionsmetod kommer att avslöja en spricka
  • acceptabel risknivå för att en viss struktur misslyckas helt
  • förväntad varaktighet efter tillverkning tills en detekterbar spricka kommer att bildas
  • antagande om brott i intilliggande komponenter som kan ha effekten av att ändra spänningar i strukturen av intresse

Dessa faktorer påverkar hur länge konstruktionen får fungera normalt i skadat skick innan ett eller flera inspektionsintervall har möjlighet att upptäcka det skadade tillståndet och utföra en reparation. Intervallet mellan inspektionerna måste väljas med en viss minimisäkerhet och måste också balansera kostnaden för inspektionerna, viktstraffet för att sänka utmattningspåkänningarna och alternativkostnaderna förknippade med att en konstruktion är ur drift för underhåll.

Icke-förstörande inspektioner

Tillverkare och operatörer av flygplan, tåg och anläggningskonstruktioner som broar har ett ekonomiskt intresse av att säkerställa att inspektionsschemat är så kostnadseffektivt som möjligt. I exemplet med flygplan, eftersom dessa strukturer ofta är intäktsgenererande, finns det en alternativkostnad förknippad med underhållet av flygplanet (förlorade biljettintäkter), utöver själva underhållskostnaderna. Detta underhåll är sålunda önskvärt att utföras sällan, även när sådana ökade intervall orsakar ökad komplexitet och kostnad för översynen. Spricktillväxt, som visas av sprickmekanik , är exponentiell till sin natur; vilket innebär att spricktillväxthastigheten är en funktion av en exponent för den nuvarande sprickstorleken (se Paris lag ) . Detta innebär att endast de största sprickorna påverkar en strukturs totala styrka; små inre skador minskar inte nödvändigtvis styrkan. En önskan om sällsynta inspektionsintervaller, i kombination med den exponentiella tillväxten av sprickor i strukturen, har lett till utvecklingen av oförstörande testmetoder som gör det möjligt för inspektörer att leta efter mycket små sprickor som ofta är osynliga för blotta ögat. Exempel på denna teknik inkluderar virvelströms- , ultraljuds- , penetrant- och röntgeninspektioner . Genom att fånga upp strukturella sprickor när de är mycket små, och växa långsamt, kan dessa oförstörande inspektioner minska mängden underhållskontroller och tillåta skador att fångas när de är små och fortfarande billiga att reparera. Som ett exempel kan sådan reparation åstadkommas genom att borra ett litet hål vid sprickans spets, och på så sätt effektivt förvandla sprickan till ett nyckelhålsskåra .

Vidare läsning

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Damage_tolerance&oldid=1111533702 "