摘 要:船舶系統典型材料的失效分析案例中,經常會涉及複雜的載荷和工況環境。通過建立 船舶系統典型材料失效分析案例資料庫,有利于更好地統計船舶系統典型材料的失效情況,為典型 材料零件安全、可靠地運作提供技術支撐。
關鍵詞:船舶系統;典型材料;失效分析案例;資料庫
中圖分類号:TB31;TG115.2 文獻标志碼:A 文章編号:1001-4012(2023)01-0031-04
船舶系統中主要使用金屬材料,包括鋼、鐵、銅、 钛、鋁等,這些材料的大部分工作在潮濕的海洋環 境。在複雜的工況環境與多重應力的耦合作用下, 金屬零件經常會發生腐蝕、磨損、疲勞、斷裂等多種 失效模式,導緻船舶裝備無法安全、可靠地運作,從 而直接或間接地造成巨大的經濟損失,甚至發生災 難性事故。據報道,美國每年因金屬零件失效造成 的損失可達數千億美元,而國内每年因金屬材料失 效造成的損失也高達數千億元。是以,建立船舶系 統的失效分析資料庫不僅可以實作失效分析資料的 存儲,也可以對典型材料的生産管理、适應性評價提 供技術支撐;同時,完備的失效分析資料庫可以為船 舶系統關鍵零件的選材提供技術支援,便于研究人 員快速、準确地了解所選材料的基本性能,以及該材 料可能會出現的問題。
1 資料庫建立的背景與意義
目前資料庫水準已經成為一個國家工業化發展 水準的重要展現,近年來,發達國家都緻力于開發各 種材料和生産工藝的資料庫[1-2]。例如,美國國家标 準局先後建立了金屬材料的理化性能資料庫、腐蝕 性能資料庫以及摩擦磨損性能資料庫;法國目前已 建立了40多個不同類型的材料資料庫,對各種材料 進行系統的整理和标準化處理;德國的SOLMA 金 屬材料資料庫也收錄了2萬多條材料理化性能數 據;荷蘭的材料資料庫涵蓋了金屬、非金屬以及複合 材料等衆多理化和熱力學性能;英國國家資料中心和大型企業也都建有獨具特色的資料庫;日本的金 屬材料研究所資料庫涵蓋了金屬材料各個方面的性 能,能夠為材料的腐蝕、斷裂、疲勞和磨損等失效分 析提供巨大的技術支援。
近30年來,國内在高校、研究所、企業等衆多領 域也都先後建立了各具特色的資料庫,指導科研與生 産工作。例如,北京航空材料研究院曾對航空航天裝 備的失效事故案例進行了系統歸納和整理,建立了航 空系統失效分析案例資料庫,進而避免了同類型失效 事故再次發生,為航空系統的産品設計、研發和應用 提供經驗資料和技術支撐。中國石油天然氣股份有 限公司對行業内的衆多失效案例進行整理,建立了石 油鑽井安全事故案例庫,通過對資料庫的推廣,行業 内同類型事故的發生率降低約20%。目前,随着大 資料時代的到來以及知識管理技術的提升,部分失效 分析案例資料庫已經可以實作網絡營運與共享。但 是,在船舶系統尚未形成特有的材料資料庫,特别是 失效分析資料庫的有效知識管理方面提及的較少。 是以,在大資料和知識管理的背景下,建立船舶系統 的失效分析案例資料庫是十分必要的。
2 資料庫建立過程
2.1 船舶典型材料失效分析案例資料庫概述
失效分析案例資料庫建立的目的在于:為客戶 提供友善的查詢與咨詢服務;為船舶企業的生産管 理、适應性評價提供必要的資料和标準;為客戶提供 基本的材料性能指南。是以,失效分析資料庫不僅 包含衆多收集和整理的失效分析案例,還包括失效 分析的一些常用基礎知識、失效分析常見參考标準、 失效分析專家等相關方面的内容。
是以,失效分析資料庫應包含以下内容:① 失效 分析簡介,主要了解失效分析的目的、意義;② 失效分 析專家庫,了解國内失效分析方面的專家;③ 失效分析 裝置,包括失效分析工作常用的裝置;④ 失效分析常用 知識,失效分析取樣、護樣、分析等方面的相關知識;⑤ 失效分析标準,包括常見的指導标準與規範;⑥ 材料數 據庫,包括各種類型材料的基本理化性能。
2.2 船舶典型材料失效分析資料庫軟體
對失效分析資料庫系統的需求進行分析,系統 主要用于本地計算機大量文檔的查詢、讀取操作,因 此選擇的功能軟體有:① 軟體編譯工具,Microsoft VisualStudio.NET2003;② 程式設計語言,C++;③ PDF處理工具,XPDF;④ 資料庫軟體,SQLServer ManagementStudio。
軟體設計時采用獨立性原則對總體子產品進行劃 分,每個獨立的子功能占用一個獨立的子產品。根據 系統需要主要分為檔案管理、分類索引、關鍵字檢 索、系統配置等4個主要功能子產品。
2.2.1 檔案管理子產品
檔案管理子產品中設有檔案存儲功能、分類索引功 能和檔案資訊提取功能。檔案存儲功能是将檔案以 “onlyid”作為檔案唯一辨別,存儲于資料庫中,并以 “onlyid”重命名檔案,以防止檔案重名,且友善程式查 找檔案。分類索引功能是在系統中定義7個一級索 引條目,以人工的方式選擇文檔在7個一級索引條目 下的分類,如果找不到需要的索引條目,可以在分類 索引子產品動态添加或者删除二、三級索引;檔案資訊 提取功能是通過PDF檔案格式進行提取的,選擇對 中文支援更好的XPDF工具,讀取文檔總頁數,并循 環讀取每一頁的文本資訊,存儲到資料庫中。
2.2.2 分類索引子產品
檔案索引子產品中設有分類索引管理、分類索引 篩選、索引自動糾錯和快捷操作等功能。可以根據 需要實作動态增加或者删除二、三級索引條目,可以 通過“和”的方式同時進行多條件的篩選,以達到精 确地選擇。如果選擇了互相沖突的條目,系統将自 動清除該一級索引下的所有選擇。該功能可以避免 錯誤的檢索方式給出搜尋為空的結果,導緻對系統 使用人員造成誤導。需要檢視所有索引,或者想返 回根索引時,可使用“折疊/展開所有層次”進行快捷 操作。在進行了多個勾選後,重新進行檢索時,可使 用“取消所有選擇”快速清除選擇。
2.2.3 關鍵字檢索子產品
在關鍵字檢索子產品中設定了全文檢索索引、檢 索結果預覽以及快速打開指定頁的功能。選用 Lucene檢索引擎能夠實作檢索關鍵詞與所存儲數 據的快速對比,更高效地找到需要的文檔。關鍵詞 檢索結果可以确定到文檔的某頁,以及在目标頁的 命中次數,對于每一個檢索結果均對應于文檔目标 頁的文本資訊,是以在滑鼠懸停到結果記錄時,調用 模态對話框,可實時顯示目标頁的文本資訊,以便快 速檢視是否為所需文檔。滑鼠移動到預覽視窗以 後,可快速關閉預覽視窗。
2.2.4 系統配置子產品
不同的浏覽器調用方式不同,系統需要指定 PDF浏覽器的路徑。PDF檔案存儲的位置可以根據需要進行調整,XPDF提取文檔文本資訊時的臨 時檔案路徑可根據需要調整,XPDF工具的存儲路 徑需要指定。配置資訊存儲于資料庫中,程式打開 時自動讀取配置資訊。
2.3 船舶典型材料失效分析案例資料庫架構設計
對失效分析案例進行分類和關鍵詞提取直接影響 了資料庫查詢與檢索服務的有效性。該資料庫的建立 參考了國内外相關的材料資料庫[3-5],經過衆多行業、 領域的失效分析專家修訂,最終設計了以材料、零件、 失效形式、工況與斷裂等分類方式進行區分的架構。
2.3.1 材料分類
船舶系統所用材料從大類來說涵蓋了如圖1所 示的鋼、鐵、銅、钛、鎂、鋁等所有的金屬材料領域,但 就材料零部件來說主要還是集中在鑄鐵和鋼上。同 時,考慮到目前船舶應用中也有較多的非金屬材料, 是以對非金屬材料專門列一欄進行歸類。
2.3.2 零件分類
船舶系統中所涉及的零件有螺栓、萬向節、軸 承、齒輪、襯套、管道、閥門等,根據功能可以分為連 接件、緊固件、傳動件、輸送件、定位件、支撐件、儲能 件等7大類。同時,考慮到某些關鍵零件生産過程 中可能會因為模具問題而失效,是以專門設定有模 具件一欄,具體零件的分類如圖2所示。
2.3.3 失效形式分類
船舶系統零件的失效形式幾乎涉及金屬材料的 磨損、變形、腐蝕和斷裂等所有類型(見圖3)。船舶 系統具有獨特的海洋工況使用條件,是以90%以上 的失效形式與腐蝕有關,特别是應力腐蝕和微生物腐 蝕。随着船舶系統的蓬勃發展,海洋工況下的氫緻開 裂損傷行為也成為船舶系統中常見的失效形式。
2.3.4 工況與斷裂分類
該類别是充分考慮到零件的工作環境,從裝置 的作用、服役環境、斷裂後的斷口特征以及失效原因等4個大類對失效分析案例進行劃分(見圖4),從 而滿足不同需求的技術人員進行定向檢索、查找。
3 船舶典型材料失效分析案例資料庫應用 分析
船舶典型材料失效分析資料庫的建立,可以為相 關失效分析人員提供大量的資料,以便更好地開展相 關失效分析工作,提高相關技術人員的失效分析技能 和水準。同時,船舶典型材料的冶煉企業、零件的生 産企業以及産品的使用企業可以通過失效分析案例 資料庫了解各種材料、生産工藝以及建造過程中的薄 弱或易發事故環節,進而更好地保障相關零件安全、 可靠地運作。失效分析案例資料庫的建立可讓安全監察部門從衆多的事故案例中,擷取相關行業生産或 工程事故的發生規律,掌握重大危險源的情況,并了 解可以承擔失效技術分析工作的企業和專家資訊。
4 結語
船舶典型材料失效分析案例資料庫的設計與建 立,是對船舶系統複雜載荷和環境共同作用下的失 效案例進行系統收集與整理,實作衆多失效分析案 例的有效知識管理,達到船舶系統典型材料失效分 析資料的廣泛共享。該資料庫可為相關技術人員的 技術提升提供資料資料,為典型材料零件的安全、可 靠運作提供保障。
參考文獻:
[1] 周敏惠,付立愉,陸瑞文,等.國外材料資料庫現狀 [J].機械工程材料,1987,11(3):46-52.
[2] 李霞,蘇航,陳曉玲,等.材料資料庫的現狀與發展趨 勢[J].中國冶金,2007,17(6):4-8.
[3] 王臣,高俊山.金屬材料失效引發重大事故案例資料 庫的設計與建設[J].冶金分析,2012,32(1):1-6.
[4] 楊川.金屬材料零部件失效分析案例:涉及大量鐵 路、汽車零部件[M].北京:國防工業出版社,2012.
[5] 吳連生.失效分析技術及其應用———第七講 疲勞斷 裂失效分析[J].理化檢驗(實體分冊),1996,32(1): 57-61.
<文章來源>材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－實體分冊 > 59卷 > 1期 (pp:31-34)>