从安全寿命到损伤容限——结构设计的观念演变.pdf

1、从安全寿命到损伤容限 结构设计的观念演变 摘要 结构的设计，必须在性能、安全、成本三者间取得平衡。 最早仅考虑材料静力强度；20世纪30年代后为采用线性疲劳观 念的“安全寿命” ， 50 年代改进为“破损安全” ；而 70 年代则使得 “损伤容限”成为现今的标准结构设计准则。1988 年揭示了散布型 疲劳损伤（亦称为“广布疲劳” ）成为“损伤容限”结构设计的新课 题。 1、静力强度 早期应用中，由于金属材料极富韧性（ductility） ，结构设计方法 很保守，因此结构的安全裕度（Margin of Safety）相当大。在结构遭 遇疲劳问题之前，设备早就因为其它使用原因而失效了，因此结构疲

2、劳寿命不是此时的设计重点。 结构设计只要满足材料静力强度 （Static Strength）就不会有问题，结构分析则以静力试验为佐证，试验负载 是使用负载乘以一个安全系数，以计入不确定因素，比如：负载不确 定、结构分析不准确、材料性质变异、制造质量变异等。 为了减轻结构重量以提升使用性能， 在材料静力强度主导结构安 全的思想下， 一些强度高但韧性低的金属材料开始出现在设备结构上。 只是此时的设备运行工况已非昔日设计工况可比，结构应力大增，应力集中（Stress Concentration）效应使高应力情况更加恶化，最后导 致产生疲劳裂纹，降低了结构安全裕度，材料静力强度已不足以保证 设备运行的

3、结构安全。 2. “安全寿命” “安全寿命” （Safe Life）设计观念。在这种设计观念里，设备在 预定的运行期间内需能承受预期的反复性负载， 当结构运行时数到达 运行寿命时，认定结构疲劳寿命已经完全耗尽，设备必须报废。 “安全寿命”设计观念的缺点，在于它的疲劳分析与设计一般是 采用 “疲劳强度耐久限制” （Fatigue StrengthEndurance Limit） 的方法， 也就是所谓的麦林法则（Miners Rule） 。它是在实验室里对多片截面 积各异的小尺寸材料试片，施加不同的等振幅（Constant Amplitude） 负载，直到试片疲劳破坏为止，以获得此材料在各种施加应

4、力和发生 疲劳破坏的负载周期之数据，称之为 SN曲线（SN Curve，S代表施 加应力，N 代表负载周期数） ，再以实际结构件在各种设计运行条件 下的应力，找到相对应的疲劳破坏负载周期数，依线性累加的方式加 总，就可预测结构的疲劳寿命，并应用于设计。虽然这种方法已行之 多年，且普遍为一般结构设计及分析所接受，然而这种分析方法有其 先天上的缺点，使得分析的结果常不符合实际。 因为一般在实验室里做这种小型试片的疲劳试验时， 试片表面上 都有经过特别处理，以使试片表面尽可能光滑平整而没有任何缺陷， 也就是没有任何裂纹的存在。因此，由这种试片所得的疲劳寿命试验 数据， 就包括了裂纹初始 （Crack

5、 Initiation） 及裂纹生长 （Crack Growth）这两 至发 小、 而裂 断裂 相信 上很 造时 纹， 的疲 两部分。所 发现有初始 、尺寸、何 裂纹生长 裂的那一段 如果把这 信也无法保 很可能（事 时的非破坏 ，则它的疲 疲劳试验里 所谓裂纹 始裂纹（ 何时会发 ，则 是 指初 段时间。 这种数据 保证所有 事实上也 坏性检验 疲劳寿命 里， 裂纹初 纹初始（Cr Initial Cra 发现，那要 初始裂纹SAE1045 应用于设 有结构零件 早已预先 验能力无法 中就不再 初始阶段所 rack Initiat ck）的那 要看该实验 纹由此之后5 钢材的 S 设备的结构

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7、的疲劳设计里，往往 要采用一相当大的安全系数（一般是 4）来尽量避免这项偏差，而过 大的安全系数又常常会造成设计结构的超重。 至于用来验证结构运行寿命的全结构疲劳试验 （Full Scale Fatigue Test） ， 也因为试验设备无法完全表现量产型设备在制造过程中所留下 的制造瑕疵，让试验结果充满不确定性。 多项统计数据表明，很多设备的失效案例中，56%以上可归咎于 制造过程遗留下的预存（preexisting）裂纹，这些裂纹是设备运行期 间发生疲劳破坏的主因，但无论是全结构疲劳试验或是麦林法则，都 无法计入这些预存裂纹对疲劳寿命的影响。 为确定设备运行具有等效的结构安全， 后来认为在

8、结构的设计阶 段，需根据以往经验搭配最新理论执行疲劳分析，并以静力试验及全 结构疲劳试验进行验证；设备的设计使用寿命（即：安全寿命）为全 结构疲劳试验所验证的运行时数除以安全系数（通常是 4） ，以计入 材质、制造、组装过程、负载、等不确定因素；运行阶段需执行 设备运行负载的量测，获得运行的真实结构负载，以持续更新设计阶 段的疲劳分析数据，确切掌握结构的实际使用寿命。 3.破损安全 在更明确的规范中规定，除了“疲劳强度” （Fatigue Strength，也 就是 “安全寿命” ） 设计外， 也可采用 “破损安全强度” （FailSafe Strength） 设计。 设备结构中，那些大幅负担

9、运行负载，一旦损坏又未能发现时， 最终会造成设备损毁的结构零组件，称为主结构（Principal Structural Element） 。 “破损安全”设计要求当设备某一主结构局部损坏或完全 破坏时，在运行负载大小不超过百分之八十的限制负载乘以 1.15 动 态因子（Dynamic Factor）的条件下，主结构的负载会由邻近的其它 结构分担，设备不会因结构过度变形致使运行特性大幅度恶化，也不 致有立即的破坏顾虑。 “安全寿命”设计的设备需有主结构的疲劳分析或试验，且需执 行设备静载荷与运行载荷合并作用下的全结构疲劳试验；而采用“破 损安全”设计的设备，需以分析或试验的方式证明，在前段所述的

10、静 力负载（Static Load）作用下，主结构强度符合设计需求（例如：在 施加负载下切断一主结构件，或是在设备上切出一条短裂缝，此时邻 近的其它结构仍能承担规定负载） ，不硬性要求全结构疲劳试验，且 旧型设备相同设计观念下的运行经验， 亦可成为结构强度的等效佐证。 至于是否需对主结构进行定期检查，虽然一般都认为应该要有，但在 主结构发生不明显损坏时， 是否应依据邻近其它结构的剩余寿命订定 检查时距，则没有规定。 “破损安全”设计观念的基本论点是：设备主结构一旦发生损坏 时，在运行中会使运行特性明显改变，很容易会被一般的目视检查发 现，因此只要是在正常的维修或操作情形下，就能防止主结构突然的

11、 致命性毁坏。就疲劳而言，这种设计的结构只要无损坏，几乎就可无 限期使用，既无需定期更换，也不必制订特定的检查，加上未强制执行全结构疲劳试验，节约设备运行成本的优点显而易见，因此，绝大 多数的设备主结构都改为采用这种结构设计方式。 “破损安全”设计乍看之下，设备的结构似乎更加安全，但这种 设计本身并未保证主结构的损坏一定很明显。换言之，当主结构损坏 后的运行特性无明显改变，主结构又无强制性的定期检查时，将导致 无法及时发现结构损坏并修复，设备虽然没有立即的损毁顾虑，但主 结构负载转由周边结构分担后，加诸于邻近结构的负载大幅增加，如 果此负载继续维持一段时间，邻近结构可能很快就会因疲劳、腐蚀、

12、机械等因素陆续损坏，最终必会危及设备的安全寿命。 在“破损安全”的设计理想中，设备结构在使用寿命期间不会有 安全顾虑，但主观的设计错误认定以及缺乏适当的定期检查规定是 “破损安全”设计的最大隐忧。 “安全寿命”设计观念的重大缺失是：在制造过程中不小心所造 成的微小裂纹有可能因检验疏失而随机存在某些结构上， 对设备运行 期间的结构安全带来致命威胁，但“安全寿命”的疲劳分析或是全结 构疲劳试验，都假设结构件上没有任何初始缺陷或裂纹存在，根本无 法计入这些随机小裂纹对结构疲劳寿命造成的影响。 4.损伤容限 对“损伤容限”的定义为： “结构上因疲劳、腐蚀、意外而存在 一定大小之单一或分散的损伤下， 其

13、仍能维持一段时间的余留强度。 ” 损伤容限”设计中明确指出一、在有裂纹的情况下，结构的余 留强度不能低于设计限制负载；二、在裂纹生长前述负载下所允许的最大 料、 如： 间在 备仍 安全 让设 载） 会发 定期 用 大长度前 在设计新 、结构制作 ：R角、铆 在负载作用 仍能在一定 一般以为 全运行， 这 设备的主结 ）以下， “ 发生裂纹 期检查的制 中的结构 损伤 ，需能检 新结构时 作、以及 铆钉孔 用下逐渐 定时间内 为“损伤容 这是个错误 结构强度 “损伤容限 ，但 可 能在 制订依据 构强度未 伤容限裂纹 检出此裂纹 ，必须假 及制程所影 会预存一 渐生长，结 安全地容 容限”设计

14、误的观念。 降到极限 限”设计主 在运行期 。主 结 构 未降到极限 纹缓慢生长设 纹。 假设结构零 影响，每一 一定大小 结构的设计 容忍这些损 计可让设 。 没有任何 限负载（U 主要是对 期间因环境 构如果有裂 限负载以 设计下，规 零部件在出 一主结构件 小的裂纹， 计必需在裂 损伤。 设备在已知 何设计规范 ltimate L 于在正常 境因素产生 裂纹，除非 以下，否 规定预存裂 出厂时，由 件上应力最 此裂纹于 裂纹存在的 知有裂纹的 范允许在明 oad，1.5 常使用情况 生裂纹的主 非经工程分 则必须马 纹初始长度 由于不同的 最大的位 于设备运行 的情况下， 的情况下继 明

15、知情况 倍的限制 况下，不预 主结构，提 分析在后续 马上修复 度与形状 的材 置， 行期 设 继续 下， 制负 预期 提供 续使 复。 所谓的裂纹缓慢生长设计，就是结构上的初始裂纹，在一定期间 内不会生长到临界值。单一负载路径结构一定得采用这种设计方式， 其预存裂纹生长寿命需大于设备的设计运行寿命；而“破损安全”设 计则分成： 一、 多重负载路径结构， 如： 主结构常以多个接头相接合， 任一个接头损坏，其负载会转由其它接头分担。二、裂纹阻滞（Crack Arrest）结构，如：主结构沿圆周方向，会在特定部位每隔一定距离 加贴裂纹阻滞条，可阻挡沿主结构方向延伸的裂纹。 “损伤容限”设计必须假设

16、主结构件上，最容易产生裂纹的临界 位置（Critical Area）上有一定大小的预存裂纹。 就裂纹缓慢生长结构而言， 在固定件孔边的初始裂纹长度与形状 为：若结构厚度大于 0.127 厘米，为半径 0.127 厘米的四分之一圆； 若结构厚度小于或等于0.127厘米， 则为长度0.127厘米的穿透裂纹。 在非固定件孔边位置的初始裂纹长度与形状为：若结构厚度大于 0.318 厘米，为直径0.635 厘米的半圆；若结构厚度小于或等于 0.318 厘米，则为长度 0.635厘米的穿透裂纹。 就 “破损安全” 结构而言， 初始裂纹长度与形状在固定件孔边为： 如果结构厚度大于 0.051 厘米，为半径

17、0.051 厘米的四分之一圆；如 果结构厚度小于或等于0.051厘米， 则为长度0.051厘米的穿透裂纹。 在非固定件孔边位置的初始裂纹长度与形状为：如果结构厚度大于 0.127 厘米，为直径 0.254 厘米的半圆；如果结构厚度小于或等于 0.127 厘米，则为长度0.254厘米的穿透裂纹。 确定 以非 毁前 发现 性检 裂纹 损伤 设备制造 定结构上没 非破坏性检 前，发现并 5.定期 “损伤容 现裂纹，故 应采用破 检查文件 经由破坏 纹由初始长 伤容限破损安 造出厂时 没有大于 检验， 在这 并予以修 期检查 容限”设计 故需有定 破坏力学 （Supplem 坏力学的 长度生长 安全设

18、计下 ， 需以非破 上述尺寸 这些预存裂 修复。 计下的结 期检查的 （Fractur ment Insp 裂纹生长 长到余留强下，规定的预 破坏性检验 寸的裂纹； 裂纹的长 结构安全与 的密切配合 re Mechan pection Do 长分析，可 强度下可容 预存裂纹初 验 （NonD 设备运行 长度生长到 与否，取决 合。 nics）的方 ocument） 可获得结构 容忍最大裂 初始长度与形 Destructive 行后，维修 到临界长度 决于检验人 方法，制订 。 构在设计负 裂纹长度 形状 e Inspecti 修人员也要 度造成设备 人员能否及 订结构的补 负载下，预 （即：临

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21、在多处形状雷同且连续的结构细节处（如：固定件 孔边） ，承受均匀应力周期下，同时产生小裂纹。散布疲劳损伤的种 类，分成同一结构件上，多处同时发生，且会连接成一长裂纹的多重 位置损伤 （Multiple Sites Damages） ； 以及同类型的相互搭接结构件上， 各相邻搭接处同时发生，且会彼此交互作用（interaction）的多重组 件损伤（Multiple Element Damages） 。 这需要增加三方面任务： 一、 增加制造遗留瑕疵为损伤来源之一； 二、需订定结构的检查时距；三、要求设计时必须特别考虑可能发生 的散布型疲劳损伤，并以完成至少二倍运行寿命的全结构疲劳试验， 完成全

22、设备细部拆检后所得的充足证据， 证明在设备的设计运行寿命 期间不会发生这种损伤， 并且需要有分析数据佐证其发生时机的预测。 “损伤容限”设计经此强化后，除可防止设备在设计运行寿命期 间因疲劳、腐蚀、制造瑕疵、意外损伤导致提早损坏外，还可防止老 旧设备因散布型疲劳损伤以致发生安全问题。 但即便有此完善的设计准则， 如果设备上有不符合制造蓝图规定的结构件，仍然无法确保设备的结构安全。 结语 为维护设备的运行安全， 设备结构的设计观念也历经多次的变革。 早期的静力强度设计观念完全不考虑疲劳效应， 这导致了很多的 疲劳强度风险。 接续的“安全寿命”设计观念则企图界定结构的疲劳寿命，当结 构使用时数到达

23、此数值时，不论其是否完好如初，皆视为其疲劳寿命 已使用殆尽而必须更换新件，因此这种设计的结构安全性被称为“以 更换保障安全” （SafetybyRetirement） 。换言之，如果结构疲劳寿命 分析失真，结构安全将面临大灾难. “破损安全”设计观念则企图藉由良好的设计，让结构上的裂纹 在未造成安全顾虑前， 零部件在正常操作及维修状态下即能轻易发现 它，所以这种设计观念的结构安全性被称为“以设计保障安全” （SafetybyDesign） ，也因此，如果结构设计失当时结构安全亦将不 保。 目前业界普遍采用的“损伤容限”设计观念，则是依赖定期检查 来发现结构上预期会产生的疲劳裂纹， 这种设计观念的结构安全性被 称为“以检查保障安全” （SafetybyInspection） ，因此，如果是检查 人员疏忽或未预期的结构上产生疲劳裂纹， 结构安全将面临重大挑战。 西方有一句谚语： “人皆会犯错（To err is human.） ” ，由于人类头 脑的心智过程，在任何工作中都会发生一定程度的人为随机型失误 （Random Error） ，再好的系统及设计也无法完全消弭这种失误。 到目前为止，结构安全的设计仍未完全达到理想目标，而随着未 来对设备性能要求的逐渐提升， 以及延长设备运行年限来获得最佳经 济效益的趋势，结构设计将面临更为艰巨的挑战。