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摘要

我们从历史中学到，能吸引大多数人焦点的是那些人类不能做的特别好的事情；乔治·伯纳德·肖有句名言：“我们从历史学到了我们什么都不能从历史中学到”，而西班牙哲学家乔治·桑塔亚纳声称“那些不能从历史中学习的人注定要重蹈覆辙”。在结构完整性领域当然是这样，在进行了第一次全面的结构疲劳试验的大约150年后，在复杂和尖端的结构中实现断裂安全和疲劳可靠的设计已经达到了统计学概率，例如飞机。然而，除此之外，大型和昂贵的焊接结构的故障仍然可能仅仅因为沟通不足或者对结构细节设计和整体疲劳寿命和故障的重要性的认识不足而发生。这篇文章考虑了几个这种在疲劳设计理念的发展和历史的失败中学习的成功或其他方面的困难的几个例子。

引言

在疲劳这个词第一次被创造了170年之后也是在进行了第一次全面的结构疲劳试验进行150年之后，许多大型且昂贵的结构与其设计的疲劳寿命相比仍然会出现过早的断裂。本文将探讨那些名义上经过精心设计和制造的结构为什么仍然会出现这些情况的一些原因，并得出要从中学习的经验教训以及如何将这些教训传播给工程师的结论。作为主要例子，将用两个大型旋转外壳，其替代资本成本约为2000万美元，这些外壳本来设计的是提供20年的使用寿命，结果在开始使用的5-7个月内发生了严重的壳体断裂。

这个例子是有启发性的，因为看上去似乎是一个很简单的疲劳设计不足的例子，而在仔细观察的时候，很明显，涉及到一些相互影响的因素，使得更换/维修的决定相当困难，也使得设计替换变得异常复杂。这些因素主要来源于各方之间沟通不足，其中包括：

-工艺技术负责者对操作条件和设计规范的不精确规定；

-高应力区域的内部固定装置引起高局部应力集中，更主要的是最终发现这是多余的；

-对旋转期间外壳中引起的椭圆度产生的可变幅度和双轴应力的考虑不足；

-缺乏内部固定装置的详细有限元分析；

-未经授权的合金替代内部设计夹具的一些部件，导致焊接缺陷，特别是产生氢裂纹的机会增加；

-焊接程序不良，预热控制不良，导致残余应力和焊缝缺陷增加；

-考虑到堆肥机的占空比方面的维护要求不足，导致壳发生过度侵蚀。

这些失败相互影响导致的最终结果是持续约5年的法律诉讼，并且花费了与原始资本成本相似的数额，经过外壳侵蚀后也使得结构的修复变得不可能。如果各方了解并分享了关于结构设计过程的要求，疲劳裂纹，焊接设计和腐蚀环境的影响的更多信息，所有这些问题都可以很容易地避免。

本文还将讨论断裂安全和疲劳可靠结构发展的历史背景，作为本文的主要宗旨，换句话说就是某些行业在学习历史这方面做得非常好，而另外其它行业在这方面却做得出奇的差。

疲劳悠久的历史背景：

文献中已经讨论了组件和结构在不同或循环加载模式下的失效，至少1843年，当兰金公司向伦敦土木工程师学会发表了题为“关于火车轮轴断裂的原因和通过遵守施工连续性法规防止这种事故的措施”。这是使用“逐渐恶化”这个术语的可考文献之一，描述经过一段时间的使用之后，在循环加载下发生的旋转或往复组件的故障。随后，在1850年至1870年间的一系列文件中，沃勒建立了安全生活的几个基本原则，即疲劳设计方法[例如.3，4]。这些包括从铁路车辆的全面测试中获取的SN数据确定了缺口对疲劳寿命的影响。沃勒观察到寿命在gt; 5times;105个循环的载荷下出现了钢的疲劳极限应力，并且还探索了S-N曲线上的切口的影响。

尽管对环境（温度，化学，载荷和位移），材料（组成，加工和微观结构）之间的相互作用及其静态和动态的相互作用有了更加复杂的了解，S-N理念在今天仍被广泛应用于元件疲劳设计。图1显示了沃勒参考的一些疲劳数据。

疲劳和断裂失效的早期实例受铸铁和水泥或锻造钢冶金质量低的影响；搅炼炉是一种开炉式金属制造技术，用于从高炉生产的生铁中制造锻铁或钢。搅炼炉的主要优点是让杂质从生铁中分离。然而，仍然含有高水平的细长硫化锰夹杂物（然后是裂纹状缺陷），如图2图3所示。早期钢还表现出较低的缺口韧性和较高的延性至脆性转变温度，这意味着即使在中等温度下，如果存在相对较小的疲劳裂纹或裂纹状缺陷，也会出现明显脆性断裂。如图4所示。这种对合金表面易脆断裂的观察，显示了合金的韧性拉伸的行为，导致了长期以来人们关于疲劳断裂机理的争论。胡德提出的错误的结晶度理论（在一定数量的负载重复作用之后材料变得“承载负载并变得结晶”的概念）与兰金提出的正确的渐进裂缝机理相关。 承载负载的“疲劳”材料的概念导致术语“疲劳”被用来描述循环载荷下的故障。 随后开发了Charpy缺口冲击试验，作为评估钢的缺口韧性的简单手段。

图1：沃勒在1870年报告的疲劳数据[4]，来自S-N测试的缺口和无缺口铁标本。

虽然结晶度理论在1903年被完全抹黑，但是“疲劳”一词在当今仍然存在，用于描述循环载荷下的裂纹开始或生长过程。

图2：大约1880年的混凝土显微镜显示出尖锐的细长硫化锰夹杂物。

疲劳和断裂的两个现象仍然是确保结构完整性和可靠性的关键所在，尽管在过去的150年中，已经有了全球性的巨大努力致力于理解，解释和预测裂纹扩展和断裂的失败。现代工程部件和结构的高端性和复杂性以及日益艰巨的服务需求，对断裂安全性和疲劳可靠性设计的关注度很高。佩利尼在钢结构指南中首先使用“断裂安全和疲劳可靠设计”这一术语。

图3：共聚焦激光扫描显微镜在搅拌钢中形成尖锐的裂纹状硫化锰夹杂物。

图4：铸钢疲劳加载时脆性晶间断裂的例子。 所示的具体实例是由于氮化铝脆化。

断裂控制和疲劳设计策略：

疲劳是金属合金中微观塑性的裂纹开始和生长过程，或更一般地说，是导致循环sigma;-ε曲线中的滞后的非线性本构应力应变（sigma;-ε）响应和相关的能量输入到材料中通过损伤机制（在金属合金的情况下，这是晶格中位错的运动和相互作用）。

断裂是在施加的静载荷（某些情况），稳定增加的载荷或作为疲劳过程的最后阶段的突然的灾难性崩溃。这两种现象的定义特征往往是：

-施加的载荷远远小于正常范围（即可塑性高度局限于裂纹或尖锐缺陷）

-现在几乎没有即将发生故障的证据，即整体结构仍然以线性弹性方式表现。

然而，在这种情况下，应该指出的是现在已经有了标准化的结构设计流程，明确地考虑了塑性塌陷和快速断裂的联合机制失效的可能性。这种断裂控制的两参数方法使用失效评估图，并且通过使用通常在高温下操作的高韧性金属合金驱动。通过详细了解材料对装载的响应和通过开发断裂力学是有可能的，断裂力学是应用力学处理破裂体的行为的分支。

现在已经开发出来了断裂控制和疲劳设计策略，同时大大增强了分析，数值和实验技术，以了解和表征受应用荷载和位移影响的部件和结构的响应和行为。 也给出了这些裂缝控制策略的历史发展的简要概述，作为考察“历史学习”成败的前提。

安全生活设计：

首先，通过实验测试来确定材料的应力寿命或应变寿命（S-N）曲线的条件下，这种理念首先得到支持。 如上所述，这种类型的第一个数据是在19世纪下半叶的下属西里西亚铁路铁路司机的Wouml;hler报道的。 第二个重要要求是应用所谓的“安全系数”来确保部件或结构经受的应力或应变的设计水平明显低于对应于所需循环疲劳寿命的S-N曲线的值 。 这个参数实际上是一个“不确定因素”，反映了不精确的数据：

-材料的性能和条件（例如热处理，凹口，表面损伤）

-工作环境和条件

-施加载荷和位移

疲劳负载结构的早期结构测试通常依赖于简单地将屈服应力，材料的抗拉强度，抗拉强度等因素分解。将装载木制框架飞机的翅膀用铅蛋射击，直到发生断裂。有趣的是，这种技术仍然广泛应用于家用飞机的机翼，值得注意的是，这种简单的方法最适用于诸如木材的复合结构材料，其中疲劳强度可以是高百分比的寿命〜106个循环的抗拉强度。

铁素体合金倾向于显示“疲劳极限”应力，其中可持续应力随x轴的渐近渐近，通常大于约2times;106个循环。这与通过诸如碳，氮或硼之类的间隙原子钉住晶格中的位错有关。有色合金不表现出这种疲劳极限行为，通常是指适用于特定循环寿命的这些合金的“疲劳极限”应力。

S-N方法在曲轴和连杆等重要部件上仍然广泛应用。关键要求是疲劳测试中使用的条件与服务中的组件匹配。现在，在几个行业中，常规做法是使用计算机控制测试，应用负载频谱，复制测量的负载谱。

失败案例研究：

本文中这些问题的主要例子是两个大的水平旋转圆柱壳，作者最近作为专家证人参与其中。每个圆柱形壳体以一转每分钟速度旋转，并且长度约为65米，直径为4.5米。任何时候，壳体内都有明显的腐蚀性分布载荷以及大量的自重。安装费用约为二千四百万元，设计寿命为二十年，反映疲劳和腐蚀。在实际完成之日起5个月内，在一个气缸中发现大的通壳裂纹，而第二缸在另外2个月内也发生类似的裂缝。

故障的初始原因被确定为与两个过程相关特征有关的内部附着焊缝的疲劳裂纹：首先，是设计用于辅助气缸内部过程的刀具。这些特征中的四十个被排列在壳体内的阵列中，从低应力进入沿气缸进入高应力位置。其次，将通道部分形式的耐磨条缝合到外壳的内部，因为内部工艺已知是磨料。这个问题归因于疲劳设计不足，因为这些特征的应力集中效应，特别是其几何形状在其附着点形成大的刚度过渡的刀具，在壳体的原始应力计算中没有被考虑。 进一步的设计问题被确定为：

-在不同厚度的贝壳段之间的过渡渐变，不符合在圆柱筒之间的圆周对接焊缝的疲劳寿命计算要求。在这一点上，由进一步的疲劳寿命计算表明，在自由腐蚀环境中，发现的尺寸裂纹将非常快速地导致进一步的空壳裂纹。

-在每个气缸的中心区域有一个35米宽，无支撑跨度为25米的外壳，应变测量和有限元分析显示在旋转过程中变为椭圆形，因此导致在壳的每次旋转期间发生两个轴应力循环。

相应地实施了短期补救措施，包括拆除壳内低应力区域以外的所有刀具以及相关的修理工作，并开展了长期重新设计工作，并由运营人提交法院案件。有趣的是，大部分刀具的去除对圆柱体内部工艺的功效没有明显的影响。这提出了一个有趣的问题，为什么他们被指定为原始设计的一部分。值得注意的是，设计者的原始设计规范没有提及高度腐蚀性的内部环境，尽管从操作测量可以清楚地看出，这种环境至少存在于气缸的某些部分。

进一步的调查表明，另外的问题也导致疲劳寿命很短。这些包括合金替代刀片焊接到外壳的钢板，从对低应力位置以外的所有刀具规定的250级钢，具有典型屈服强度的耐磨钢强度为1200 MPa。低应力位置刀片的背板由设计者规定，材料是耐磨钢，0.2％抗力强度约为1070MPa。这种合金替代意味着制造商应该在消耗品，预热和层间温度方面遵循严格控制的焊接程序。在这种情况下，所遵循的程序没有完全记录，而焊接区域的硬度值及其变化意味着氢裂纹是一个明显的可能性。此外，在一些细节附着焊缝处存在固化裂纹。

对正在进行的关于责任，替换或维修的法律争论的最后一个问题，是使用超声波检查后从半年度无损检测炮弹的部分出现的。显然，在耐磨条之间发生显著的外壳磨损，尽管工艺设计应该导致粘附的耐磨涂层沉积在耐磨条之间的圆柱形壳体的内表面上。有趣的是，这些炮弹的年度维护应该在大约一个星期的时间内发生。

加工所有者，设计师，制造商和操作者之间通过更好的沟通，以及更好地熟悉焊接设计和疲劳制造的要求，应该可以避免这些困难。来自各种专家报告的法律论据和相关准备工作最终将案件的和解成本推高到可能达到4000万美元，并将长期解决方案所需的时间延长到5年以上，届时唯一的选择是整体更换。

由于缺乏沟通而失败的大型结构的第二个例子涉及在港口运行的40吨门座式起重机。门式起重机是起重机的一种形式，整个门框可以通过在每端连接的铁路转向架在轨道上移动。起重工具本身在一个小型手推车上，可以沿着卧式机架移动十字路口。驾驶室也位于龙门架下方。该设计由一端刚性地固定到矩形箱体部分的双顶架箱梁，另一端铰接在一个A框架结构上。起重机起重机吊起货物时，起重机失效，起重机故障方式是通过底板与机架箱梁垂直部件之间的焊接接头断裂;这允许水平梁的塌陷发生在固定的腿上，导致另一组铰接的腿向外转动。最终的结果是驾驶舱在崩溃时被压碎。

图5：故障箱部分的断裂面导致门式起重机倒塌。 字母“O”表示断面开始的外边缘。

断裂面如图5所示。符号“O”标记腿的外侧。龙门式箱梁的底板厚17mm，端部“O”端板厚8mm，侧板厚6.5mm。检查失效的关节表明，最终的断裂发生在一个预先存在的疲劳裂纹，在破裂时长度为1米。断裂面上的严重腐蚀表明，在最终断裂发生之前裂纹已经持续了相当长的一段时间。在推定的疲劳开裂起始部位，没有观察到异常的缺陷。起重机已经运行了大约7.5年，最后在授权的检验机构进行了大约2个月的检查。它被设计为中等材料处理任务的二级起重机，据称它们每年工作2000小时，设计寿命为20年，即40,000小时。在故障发生的时候，起重机已经运行了大约22,515小时，很好地在设计寿命内，但按比例更多的时间是7.5年的使用寿命。

有关这一失败的两个主要点，首先是根据运行条件对设计进行了重大的物料运输处理任务，其次，其次，检查方法没有考虑到这种门式起重机的可能的故障机制。关于第一点，制造商意识到这台起重机是用于港口操作，运输集装箱，并应该询问操作员对这种职责的二级起重机的规格。值得注意的是，最近

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