Читать интересную книгу Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард

Я не думаю, что виною тому были какие-то тупые или сверхрассеянные лица.Боюсь, что на склейке работали самые обычные люди, но в этом-то и состоитнесчастье. Людям свойственно отвлекаться из-за усталости или от скуки,но я полагаю, что суть дела здесь гораздо глубже.

Очень немногие из тех, кто проклеивал или только делал вид, что проклеивал, этисоединения, когда-либо сами попадали в ситуацию, когда плохо выполненноесоединение может привести к несчастному случаю с фатальным исходом - все онипривыкли иметь дело с предметами вроде шкафов и садовых навесов, где прочностьсоединений реально значит очень мало. Все наши усилия убедить их, что плоховыполненное соединение с моральной точки зрения равносильно убийству,разбивались о их глубокое убеждение, что глупо волноваться по подобным поводам.Все это не было бы столь важным, если бы не то обстоятельство, что проверитьнадлежащим образом соединение после того, как оно выполнено, практическиневозможно.

В недавнее время были созданы очень эффективные клеи, пригодные длясоединения металла с металлом. Их применение весьма эффективно, но толькопри условии, что соединения на самом деле выполнены на совесть. К несчастью,применение этих клеев в современном авиастроении сдерживается тем обстоятельством,что требуются специальные контролеры, каждый из которых следил бы за однимиз рабочих в течение всей операции склейки, а также инспекторы - уже дляконтроля за этими контролерами. Все это, естественно, оказалось дорогимделом. Однако мне говорили, что, несмотря на это, при строительстве современныхметаллических самолетов клей используется все в большей и большей степени.

Распределение напряжений в соединениях

Поскольку в задачи соединения входит передача нагрузки от одного элементаконструкции к другому, то и напряжение должно каким-то образом перейтиот одного из присоединяемых элементов на другой. В таком случае весьмавозможны сильная концентрация напряжений, а отсюда и угроза разрушенияматериала. Однако можно сделать так, чтобы напряжения переходили от одногоиз присоединяемых элементов к другому с возникновением только небольшойконцентрации напряжений или вовсе без нее, как это происходит в случаекосого соединения на клею деревянных брусьев (рис. 36) и в случае соединениядвух кусков металла встык сварным швом (рис. 37).

Рис. 36. Косое клеевое соединение деревянных брусьев.

Рис. 37. Сварное соединение двух металлических брусков встык.

Однако использование таких соединений отнюдь не всегда оказывается практичным,и соединение двух планок или пластинок внахлест, как правило, тоже частонаходит применение. Но именно расположение соединяемых элементов внахлестсразу приводит к значительной концентрации напряжений, и почти не играетроли, какими средствами оно выполнено, с помощью ли клея, гвоздей, винтов,сварки, болтов или заклепок. Во всех случаях наибольшая интенсивность передачинагрузки приходится на концы соединения (рис. 38).

Рис. 38. Распределение касательных напряженийв соединении внахлест.

По этой причине прочность подобных соединений зависит главным образомот ширины соединяемых пластинок и почти не зависит от длины взаимного ихперекрытия. В связи с этим уже наиболее простые и обычные формы сварныхи заклепочных соединений двух металлических пластинок (рис. 39 и 40) сравнительноэффективны, а их усложнение не дает большого выигрыша.

Рис. 39. Заклепочное соединение внахлест.

Рис. 40. Сварное соединение внахлест.

Очень часто требуется закрепить растягиваемый сгержень в отверстии или как-тоиначе на твердой опоре. В этом случае происходит то же, что и при соединениивнахлест, с той разницей, что здесь концентрация напряжений возникает только водном месте - обычно там, где стержень входит в углубление (рис. 41). Если,например, стержень ввинчивается в опору, то почти вся нагрузка приходится напоследние две или три нитки резьбы, и любое увеличение длины нарезки почтиничего не дает. Поэтому те усилия, которые должен приложить дрозд, чтобывытащить червяка из грунта, не зависят от длины червяка: вытащить короткогочервяка столь же трудно, как и длинного[42].

Рис. 41.

Распределение напряжений такого типа, как представлено на рис. 41, возникает,если оба элемента соединения имеют близкие модули Юнга. Обычно так обстоитдело при соединении металла с металлом. Подобное же распределение напряженийвозникает в случаях, когда материал стержня или растягиваемого бруска менеежесток, чем материал основы, в которой они закреплены (случай с вытягиваемымиз земли червем). Если же, наоборот, материал стержня существенно болеежесток, чем материал основы, то ситуация с распределением напряжений обратнапредыдущей, и концентрация напряжений происходит главным образом вблизиконца стержня или другого включения (рис. 42).

Рис. 42. Передача нагрузки от стержня к заделке.

На практике оба случая концентрации напряжений в равной степени делаютсоединение непрочным. Возможно, существует такое соотношение между модулямиЮнга материала включения и окружающего материала, при котором распределениенапряжений в соединении будет оптимальным. Но если это и так, то его оченьтрудно обеспечить на практике.

Одно время я занимался разработкой узлов крепления крыла из армированногопластика с металлическим фюзеляжем самолета. Хотя мне было хорошо известноо существовании концентраций напряжений, о червяках в земле и многом прочем,у меня хватило глупости, чтобы для начала заформовать в тело крыла прочныепроволочные тросы, распадающиеся на концах на отдельные запутанные проволочки.Когда образцы этой плохо продуманной конструкции растянули в испытательноймашине, проволочки стали вытягиваться из пластика одна за другой с характернымтреском, хотя нагрузки были смехотворно малыми. В следующем экспериментевместо тросов в пластик были заделаны покрытые предварительно подходящимклеем суживающиеся на концах стальные зубцы, похожие на клинки или сабли(рис. 43). На этот раз образцы разрушались, издавая не продолжительныйтреск, а один громкий короткий хлопок; происходило это при столь же малыхнагрузках.

Рис. 43. Неправильная конструкция заделки (соединение непрочно).

После перерыва, заполненного обдумыванием ситуации и глубокомысленнымирассуждениями о червяках, мы испытали серию стальных креплений в формелопаты (рис. 44). Все они разрушались при значительно больших нагрузках,каждая из которых была пропорциональна ширине "лопаты" в данном образце.После доработки этой конструкции нам удалось довести нагрузку, передаваемуюс этой пластиковой конструкции, до 40-50 т за счет совсем небольших стальныхузлов крепления.

Рис. 44. Правильная конструкция заделки (достаточно прочное соединение).

Эффективность подобных соединений целиком зависит от качества сцепления междуметаллом и пластмассой, и поэтому металлические включения должны быть заделанына совесть и проверены. При их проектировании следует не забывать, что во всехподобных случаях сцепление между металлом и неметаллом полностью нарушается,когда металл достигает предела текучести и перестает вести себя упругимобразом[43]. Поскольку напряжения, возникающиев рассматриваемых случаях в металле, много выше, чем можно было бы думать, узелкрепления необходимо изготовлять из высокопрочной стали, подвергнутойтщательной термической обработке. Причем хвостовик стального вкладыша должензаостряться подобно долоту.