摘 要:船舶系統(tǒng)典型材料的失效分析案例中,經(jīng)常會(huì)涉及復(fù)雜的載荷和工況環(huán)境。通過建立 船舶系統(tǒng)典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫,有利于更好地統(tǒng)計(jì)船舶系統(tǒng)典型材料的失效情況,為典型 材料零件安全、可靠地運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞:船舶系統(tǒng);典型材料;失效分析案例;數(shù)據(jù)庫

中圖分類號(hào):TB31;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)01-0031-04

船舶系統(tǒng)中主要使用金屬材料,包括鋼、鐵、銅、 鈦、鋁等,這些材料的大部分工作在潮濕的海洋環(huán) 境。在復(fù)雜的工況環(huán)境與多重應(yīng)力的耦合作用下, 金屬零件經(jīng)常會(huì)發(fā)生腐蝕、磨損、疲勞、斷裂等多種 失效模式,導(dǎo)致船舶裝備無法安全、可靠地運(yùn)行,從 而直接或間接地造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,甚至發(fā)生災(zāi) 難性事故。據(jù)報(bào)道,美國每年因金屬零件失效造成 的損失可達(dá)數(shù)千億美元,而國內(nèi)每年因金屬材料失 效造成的損失也高達(dá)數(shù)千億元。因此,建立船舶系 統(tǒng)的失效分析數(shù)據(jù)庫不僅可以實(shí)現(xiàn)失效分析數(shù)據(jù)的 存儲(chǔ),也可以對(duì)典型材料的生產(chǎn)管理、適應(yīng)性評(píng)價(jià)提 供技術(shù)支撐;同時(shí),完備的失效分析數(shù)據(jù)庫可以為船 舶系統(tǒng)關(guān)鍵零件的選材提供技術(shù)支持,便于研究人 員快速、準(zhǔn)確地了解所選材料的基本性能,以及該材 料可能會(huì)出現(xiàn)的問題。

1 數(shù)據(jù)庫建立的背景與意義

目前數(shù)據(jù)庫水平已經(jīng)成為一個(gè)國家工業(yè)化發(fā)展 水平的重要體現(xiàn),近年來,發(fā)達(dá)國家都致力于開發(fā)各 種材料和生產(chǎn)工藝的數(shù)據(jù)庫[1-2]。例如,美國國家標(biāo) 準(zhǔn)局先后建立了金屬材料的理化性能數(shù)據(jù)庫、腐蝕 性能數(shù)據(jù)庫以及摩擦磨損性能數(shù)據(jù)庫;法國目前已 建立了40多個(gè)不同類型的材料數(shù)據(jù)庫,對(duì)各種材料 進(jìn)行系統(tǒng)的整理和標(biāo)準(zhǔn)化處理;德國的SOLMA 金 屬材料數(shù)據(jù)庫也收錄了2萬多條材料理化性能數(shù) 據(jù);荷蘭的材料數(shù)據(jù)庫涵蓋了金屬、非金屬以及復(fù)合 材料等眾多理化和熱力學(xué)性能;英國國家數(shù)據(jù)中心和大型企業(yè)也都建有獨(dú)具特色的數(shù)據(jù)庫;日本的金 屬材料研究所數(shù)據(jù)庫涵蓋了金屬材料各個(gè)方面的性 能,能夠?yàn)椴牧系母g、斷裂、疲勞和磨損等失效分 析提供巨大的技術(shù)支持。

近30年來,國內(nèi)在高校、研究所、企業(yè)等眾多領(lǐng) 域也都先后建立了各具特色的數(shù)據(jù)庫,指導(dǎo)科研與生 產(chǎn)工作。例如,北京航空材料研究院曾對(duì)航空航天裝 備的失效事故案例進(jìn)行了系統(tǒng)歸納和整理,建立了航 空系統(tǒng)失效分析案例數(shù)據(jù)庫,從而避免了同類型失效 事故再次發(fā)生,為航空系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)和應(yīng)用 提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。中國石油天然氣股份有 限公司對(duì)行業(yè)內(nèi)的眾多失效案例進(jìn)行整理,建立了石 油鉆井安全事故案例庫,通過對(duì)數(shù)據(jù)庫的推廣,行業(yè) 內(nèi)同類型事故的發(fā)生率降低約20%。目前,隨著大 數(shù)據(jù)時(shí)代的到來以及知識(shí)管理技術(shù)的提升,部分失效 分析案例數(shù)據(jù)庫已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營與共享。但 是,在船舶系統(tǒng)尚未形成特有的材料數(shù)據(jù)庫,特別是 失效分析數(shù)據(jù)庫的有效知識(shí)管理方面提及的較少。 因此,在大數(shù)據(jù)和知識(shí)管理的背景下,建立船舶系統(tǒng) 的失效分析案例數(shù)據(jù)庫是十分必要的。

2 數(shù)據(jù)庫建立過程

2.1 船舶典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫概述

失效分析案例數(shù)據(jù)庫建立的目的在于:為客戶 提供方便的查詢與咨詢服務(wù);為船舶企業(yè)的生產(chǎn)管 理、適應(yīng)性評(píng)價(jià)提供必要的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn);為客戶提供 基本的材料性能指南。因此,失效分析數(shù)據(jù)庫不僅 包含眾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(chǔ)知識(shí)、失效分析常見參考標(biāo)準(zhǔn)、 失效分析專家等相關(guān)方面的內(nèi)容。

因此,失效分析數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含以下內(nèi)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?guī)?了解國內(nèi)失效分析方面的專家;③ 失效分析 設(shè)備,包括失效分析工作常用的設(shè)備;④ 失效分析常用 知識(shí),失效分析取樣、護(hù)樣、分析等方面的相關(guān)知識(shí);⑤ 失效分析標(biāo)準(zhǔn),包括常見的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范;⑥ 材料數(shù) 據(jù)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數(shù)據(jù)庫軟件

對(duì)失效分析數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析,系統(tǒng) 主要用于本地計(jì)算機(jī)大量文檔的查詢、讀取操作,因 此選擇的功能軟件有:① 軟件編譯工具,Microsoft VisualStudio.NET2003;② 編程語言,C++;③ PDF處理工具,XPDF;④ 數(shù)據(jù)庫軟件,SQLServer ManagementStudio。

軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用獨(dú)立性原則對(duì)總體模塊進(jìn)行劃 分,每個(gè)獨(dú)立的子功能占用一個(gè)獨(dú)立的模塊。根據(jù) 系統(tǒng)需要主要分為文件管理、分類索引、關(guān)鍵字檢 索、系統(tǒng)配置等4個(gè)主要功能模塊。

2.2.1 文件管理模塊

文件管理模塊中設(shè)有文件存儲(chǔ)功能、分類索引功 能和文件信息提取功能。文件存儲(chǔ)功能是將文件以 “onlyid”作為文件唯一標(biāo)識(shí),存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中,并以 “onlyid”重命名文件,以防止文件重名,且方便程序查 找文件。分類索引功能是在系統(tǒng)中定義7個(gè)一級(jí)索 引條目,以人工的方式選擇文檔在7個(gè)一級(jí)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 索引模塊動(dòng)態(tài)添加或者刪除二、三級(jí)索引;文件信息 提取功能是通過PDF文件格式進(jìn)行提取的,選擇對(duì) 中文支持更好的XPDF工具,讀取文檔總頁數(shù),并循 環(huán)讀取每一頁的文本信息,存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

2.2.2 分類索引模塊

文件索引模塊中設(shè)有分類索引管理、分類索引 篩選、索引自動(dòng)糾錯(cuò)和快捷操作等功能?？梢愿鶕?jù) 需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)增加或者刪除二、三級(jí)索引條目,可以 通過“和”的方式同時(shí)進(jìn)行多條件的篩選,以達(dá)到精 確地選擇。如果選擇了互相沖突的條目,系統(tǒng)將自 動(dòng)清除該一級(jí)索引下的所有選擇。該功能可以避免 錯(cuò)誤的檢索方式給出搜索為空的結(jié)果,導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng) 使用人員造成誤導(dǎo)。需要查看所有索引,或者想返 回根索引時(shí),可使用“折疊/展開所有層次”進(jìn)行快捷 操作。在進(jìn)行了多個(gè)勾選后,重新進(jìn)行檢索時(shí),可使 用“取消所有選擇”快速清除選擇。

2.2.3 關(guān)鍵字檢索模塊

在關(guān)鍵字檢索模塊中設(shè)置了全文檢索索引、檢 索結(jié)果預(yù)覽以及快速打開指定頁的功能。選用 Lucene檢索引擎能夠?qū)崿F(xiàn)檢索關(guān)鍵詞與所存儲(chǔ)數(shù) 據(jù)的快速對(duì)比,更高效地找到需要的文檔。關(guān)鍵詞 檢索結(jié)果可以確定到文檔的某頁,以及在目標(biāo)頁的 命中次數(shù),對(duì)于每一個(gè)檢索結(jié)果均對(duì)應(yīng)于文檔目標(biāo) 頁的文本信息,因此在鼠標(biāo)懸停到結(jié)果記錄時(shí),調(diào)用 模態(tài)對(duì)話框,可實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)頁的文本信息,以便快 速查看是否為所需文檔。鼠標(biāo)移動(dòng)到預(yù)覽窗口以 后,可快速關(guān)閉預(yù)覽窗口。

2.2.4 系統(tǒng)配置模塊

不同的瀏覽器調(diào)用方式不同,系統(tǒng)需要指定 PDF瀏覽器的路徑。PDF文件存儲(chǔ)的位置可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,XPDF提取文檔文本信息時(shí)的臨 時(shí)文件路徑可根據(jù)需要調(diào)整,XPDF工具的存儲(chǔ)路 徑需要指定。配置信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中,程序打開 時(shí)自動(dòng)讀取配置信息。

2.3 船舶典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫框架設(shè)計(jì)

對(duì)失效分析案例進(jìn)行分類和關(guān)鍵詞提取直接影響 了數(shù)據(jù)庫查詢與檢索服務(wù)的有效性。該數(shù)據(jù)庫的建立 參考了國內(nèi)外相關(guān)的材料數(shù)據(jù)庫[3-5],經(jīng)過眾多行業(yè)、 領(lǐng)域的失效分析專家修訂,最終設(shè)計(jì)了以材料、零件、 失效形式、工況與斷裂等分類方式進(jìn)行區(qū)分的框架。

2.3.1 材料分類

船舶系統(tǒng)所用材料從大類來說涵蓋了如圖1所 示的鋼、鐵、銅、鈦、鎂、鋁等所有的金屬材料領(lǐng)域,但 就材料零部件來說主要還是集中在鑄鐵和鋼上。同 時(shí),考慮到目前船舶應(yīng)用中也有較多的非金屬材料, 因此對(duì)非金屬材料專門列一欄進(jìn)行歸類。

2.3.2 零件分類

船舶系統(tǒng)中所涉及的零件有螺栓、萬向節(jié)、軸 承、齒輪、襯套、管道、閥門等,根據(jù)功能可以分為連 接件、緊固件、傳動(dòng)件、輸送件、定位件、支撐件、儲(chǔ)能 件等7大類。同時(shí),考慮到某些關(guān)鍵零件生產(chǎn)過程 中可能會(huì)因?yàn)槟＞邌栴}而失效,因此專門設(shè)置有模 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(tǒng)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(tǒng)具有獨(dú)特的海洋工況使用條件,因此90%以上 的失效形式與腐蝕有關(guān),特別是應(yīng)力腐蝕和微生物腐 蝕。隨著船舶系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展,海洋工況下的氫致開 裂損傷行為也成為船舶系統(tǒng)中常見的失效形式。

2.3.4 工況與斷裂分類

該類別是充分考慮到零件的工作環(huán)境,從設(shè)備 的作用、服役環(huán)境、斷裂后的斷口特征以及失效原因等4個(gè)大類對(duì)失效分析案例進(jìn)行劃分(見圖4),從 而滿足不同需求的技術(shù)人員進(jìn)行定向檢索、查找。

3 船舶典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫應(yīng)用 分析

船舶典型材料失效分析數(shù)據(jù)庫的建立,可以為相 關(guān)失效分析人員提供大量的數(shù)據(jù),以便更好地開展相 關(guān)失效分析工作,提高相關(guān)技術(shù)人員的失效分析技能 和水平。同時(shí),船舶典型材料的冶煉企業(yè)、零件的生 產(chǎn)企業(yè)以及產(chǎn)品的使用企業(yè)可以通過失效分析案例 數(shù)據(jù)庫了解各種材料、生產(chǎn)工藝以及建造過程中的薄 弱或易發(fā)事故環(huán)節(jié),從而更好地保障相關(guān)零件安全、 可靠地運(yùn)行。失效分析案例數(shù)據(jù)庫的建立可讓安全監(jiān)察部門從眾多的事故案例中,獲取相關(guān)行業(yè)生產(chǎn)或 工程事故的發(fā)生規(guī)律,掌握重大危險(xiǎn)源的情況,并了 解可以承擔(dān)失效技術(shù)分析工作的企業(yè)和專家信息。

4 結(jié)語

船舶典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與建 立,是對(duì)船舶系統(tǒng)復(fù)雜載荷和環(huán)境共同作用下的失 效案例進(jìn)行系統(tǒng)收集與整理,實(shí)現(xiàn)眾多失效分析案 例的有效知識(shí)管理,達(dá)到船舶系統(tǒng)典型材料失效分 析數(shù)據(jù)的廣泛共享。該數(shù)據(jù)庫可為相關(guān)技術(shù)人員的 技術(shù)提升提供數(shù)據(jù)資料,為典型材料零件的安全、可 靠運(yùn)行提供保障。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 59卷 > 1期 (pp:31-34)>