پیش‌نویس:تحمل آسیب

تحمل آسیب آلیاژ CrMnFeCoNi

در مهندسی , تحمل آسیب , ویژگی ساختاری است که به توانایی آن در حفظ عیوب ایمن تا زمانی که ترمیم می‌تواند موثر باشد , مربوط می‌شود . رویکرد طراحی مهندسی به لحاظ تحمل آسیب مبتنی بر این فرض است که عیوب در هر ساختاری وجود دارند و چنین نقایصی با کارکرد انتشار می‌یابند . این رویکرد معمولا ً در مهندسی هوا فضا , مهندسی مکانیک و مهندسی عمران برای مدیریت گسترش ترک در سازه از طریق کاربرد اصول مکانیک شکست استفاده می‌شود. در صورتی که یک برنامه تعمیر و نگهداری که منجر به شناسایی و ترمیم آسیب های تصادفی، خوردگی و ترک های ناشی از خستگی می شود، قبل از اینکه چنین آسیبی مقاومت باقیمانده سازه را به زیر حد قابل قبول کاهش دهد، سازه ای مقاوم به آسیب در نظر گرفته می شود.

تاریخ

ماشین پرنده داوینچی

سازه های حیاتی مدت ها است به عنصر ایمنی خطا نیاز دارند. لئوناردو داوینچی هنگام توصیف ماشین پرنده خود به این اشاره کرد که: "در ساخت بالها باید یک بال را برای تحمل فشار و یک بال آزادتر را در همان موقعیت ایجاد کرد تا اگر یکی زیر فشار شکست، دیگری در موقعیتی قرار گیرد که بتواند فشار همان عملکرد را تحمل کند. "

قبل از دهه ۱۹۷۰، فلسفه مهندسی غالب سازه‌های هواپیمایی این بود که اطمینان حاصل شود که قابلیت پرواز با یک بخش شکسته را دارد، یک الزام زائد که به عنوان ایمنی شکست شناخته می‌شود. با این حال، پیشرفت در مکانیک شکست، همراه با شکست‌های خستگی فاجعه‌بار بدنام مانند آن‌هایی که در ستاره دنباله‌دار de Havilland Comet هستند، موجب تغییر در الزامات هواپیما شد. کشف شد که پدیده‌ای که به نام آسیب چند ساختگاه شناخته می‌شود می‌تواند باعث ایجاد ترک‌های کوچک در ساختار شود که به آرامی رشد می‌کنند تا در طول زمان به یکدیگر بپیوندند و شکاف بزرگ‌تری ایجاد کنند و زمان مورد انتظار را تا شکست کاهش دهند.

ساختار عمر ایمن

تمامی سازه‌ها نباید تکثیر ترک قابل‌تشخیص را برای اطمینان از ایمنی عملیات نشان دهند. برخی از سازه‌ها تحت اصول طراحی عمر ایمنعمل می‌کنند، که در آن سطح بسیار پایین ریسک از طریق ترکیبی از آزمایش و تحلیل پذیرفته می‌شود که این بخش به دلیل خستگی در طول عمر خدمت، هرگز ترک قابل‌تشخیص ایجاد نخواهد کرد. این امر از طریق کاهش قابل‌توجه تنش‌ها در زیر قابلیت خستگی نمونه قطعه حاصل می‌شود. سازه‌های ایمن زندگی زمانی به کار گرفته می‌شوند که هزینه یا عدم کفایت بازرسی از جریمه وزن و هزینه‌های توسعه مرتبط با سازه‌های ایمن بیشتر باشد. مثالی از یک مؤلفه ایمن زندگی تیغه روتور بالگرد است. با توجه به تعداد بسیار زیادی از چرخه‌ها که توسط مؤلفه دوار تحمل شده‌اند، یک ترک غیرقابل کشف ممکن است در یک پرواز منفرد به طول بحرانی برسد و قبل از فرود هواپیما، منجر به شکستی فاجعه‌بار شود که نگهداری منظم نمی‌تواند مانع آن شود.

تجزیه و تحلیل تحمل آسیب

برای اطمینان از ادامه عملیات ایمن سازه متحمل خرابی, برنامه‌های بازرسی طراحی شده‌است.این برنامه براساس معیارهای بسیاری از جمله:

• شرایط آسیب دیده اولیه سازه را فرض کرد
• تنش های موجود در سازه (هم تنش های خستگی و هم تنش های حداکثر عملیاتی) که باعث رشد ترک در شرایط آسیب دیده می شود.
• هندسه مواد که تنش های نوک ترک را تشدید یا کاهش می دهد
• توانایی مواد در مقاومت در برابر ترک ناشی از تنش در محیط مورد انتظار
• بزرگترین اندازه ترکی که سازه می تواند قبل از شکست فاجعه بار تحمل کند
• این احتمال وجود دارد که یک روش بازرسی خاص یک ترک را نشان دهد
• سطح قابل قبولی از خطر که یک ساختار خاص به طور کامل شکست خواهد خورد
• مدت زمان مورد انتظار پس از ساخت تا زمانی که یک ترک قابل تشخیص تشکیل شود
• فرض شکست در اجزای مجاور که ممکن است اثر تغییر تنش ها در ساختار مورد نظر را داشته باشد

این عوامل بر مدت کارکرد سازه در شرایط آسیب‌دیده قبل از یک یا چند دور بازرسی , فرصت کشف وضعیت آسیب‌دیده و تاثیر یک تعمیر را دارند . فاصله بین بازرسی‌ها باید با حداقل ایمنی مشخص انتخاب شود و همچنین باید هزینه بازرسی‌ها , جریمه وزن کاهش تنش‌های خستگی و هزینه‌های فرصت مرتبط با ساختار خارج از خدمت برای نگهداری را متعادل کند.

بازرسی های غیر مخرب

تولید‌کنندگان و اپراتور‌های هواپیما، قطار‌ها و سازه‌های مهندسی عمران مانند پل‌ها علاقه مالی به اطمینان از اینکه برنامه بازرسی تا حد ممکن مقرون‌به‌صرفه است دارند. در مثال هواپیما، چون این سازه‌ها اغلب درآمد تولید می‌کنند، هزینه فرصت مرتبط با نگهداری هواپیما ( درآمد بلیط از دست رفته )، علاوه بر هزینه تعمیر و نگهداری وجود دارد. بنابراین، این تعمیر و نگهداری به ندرت انجام می‌شود، حتی زمانی که چنین فواصل افزایشی باعث افزایش پیچیدگی و هزینه تعمیرات اساسی می‌شوند. رشد ترک، همانطور که توسط مکانیک شکست نشان‌داده شده‌است، در طبیعت نمایی است؛ به این معنی که نرخ رشد ترک تابعی از توان اندازه ترک فعلی است ( قانون پاریس را ببینید ). این بدان معناست که تنها بزرگ‌ترین ترک‌ها بر استحکام کلی یک سازه تأثیر می‌گذارند؛ آسیب‌های داخلی کوچک لزوماً ً استحکام را کاهش نمی‌دهند. تمایل به فواصل بازرسی نادر، همراه با رشد نمایی ترک‌ها در ساختار، منجر به توسعه روش‌های تست غیر مخرب شده‌است که به بازرسان اجازه می‌دهد تا به دنبال ترک‌های بسیار کوچک باشند که اغلب برای چشم برهنه نامریی هستند. مثال‌هایی از این فن‌آوری شامل جریان گردابی، فراصوت، رنگ نافذ و بازرسی اشعه ایکس است. با گرفتن ترک‌های ساختاری در زمان بسیار کوچک و رشد آهسته، این بازرسی‌های غیر مخرب می‌توانند میزان بازرسی‌های تعمیر و نگهداری را کاهش دهند و اجازه دهند که آسیب در زمان کوچک و هنوز ارزان تعمیر شود. به عنوان مثال، چنین ترمیم را می‌توان با حفر یک سوراخ کوچک در نوک ترک به دست آورد، در نتیجه ترک را به یک سوراخ کلید تبدیل کرد.

بیشتر خواندن

• Peggy C. Miedlar; Alan P. Berens; Allan Gunderson; J. P. Gallagher, Damage Tolerant Design Handbook: Guidelines for the Analysis and Design of Damage Tolerant Aircraft Structures, University of Dayton Research Institute, archived from the original on July 1, 2016, retrieved June 1, 2016