焊接结构的疲劳损伤与断裂(精)/装备结构强度及可靠性丛书

第1章 疲劳研究的回顾与展望 1.1 疲劳研究的缘起与演化 1.1.1 古老文明的涵养 在人类文明的发展史上，轮子、曲柄连杆机构、飞轮和齿轮等核心机构的发明改变了人类的生产和生活方式。公元前4000年左右，轮子的发明使人力、畜力拉车成为可能，其意义可与火的使用相提并论。西方汽车的发展就始于轮子，而中国运用轮子在西汉初年发明了记里鼓车，又称“司里车”或“大章车”。公元31年，东汉南阳太守杜诗发明曲柄连杆机构(水排)，该机构将水力回转运动转变为连杆的往复运动，提高了冶铁效率和质量，可在蒸汽机的曲柄滑块机构中找到原型。1430年，德国出现了飞轮，后被瓦特用于蒸汽机。公元前约300年，齿轮在古希腊出现，直至1733年，卡米提出齿轮啮合定律及1765年欧拉发明渐开线齿轮，成了能量传递的重要构件，如图1-1所示。这些核心机构的发明被瓦特于1763年用于改良蒸汽机，成为机器动力革命的重要推动力。 图1-1 轮子、曲柄连杆机构、飞轮和齿轮等核心机构的发明 1.1.2 蒸汽动力催生结构失效 蒸汽机的发明开启了人类大规模运用火车、轮船等动力机械的时代。1804年，英国人特里维西克(Trevithick)设计了**台铁路蒸汽火车，人类进入铁路时代；1807年，美国人富尔顿(Fulton)发明了蒸汽船，开始蒸汽轮船时代；1885年，德国人卡尔弗里德利希本茨(Karl Friedrich Benz)发明汽车，美国人福特于1914年建立流水装配线，人类正式进入汽车时代；1903年，美国人莱特兄弟(Orville Wright和Wilbur Wright)发明了具有实际应用价值的飞机，开启了人类利用航空的时代。动力革命支撑了大量新机器和结构的产生与应用，也改变了人们的生活方式和社会结构。 相比于早期的水力、人力驱动，蒸汽机驱动的机器运转速度、频率和载荷水平都得到了大幅提升，以高速、重载为特征的大工业引发大量机器失效。图1-2为在发电、铁路和航空工业领域典型的机器失效事故。针对机器失效的问题，世界各国相继成立了专门机构。例如，1817年，英国成立专门委员会以防止蒸汽船爆炸的危险和破坏；1833年，英国成立曼彻斯特蒸汽锅炉保险公司来检查和确保锅炉免受爆炸造成的损害；1911年，美国机械工程师协会(ASME)成立“蒸汽锅炉和压力容器建造和在役维护标准规范”委员会；1946年，美国测试与材料协会成立疲劳专业委员会；1979年，我国在国家劳动总局锅炉局下建立锅炉压力容器检测中心站。此外，一些国家或国际组织还颁布了统一的相关标准。例如，1911年，ASME发布了世界上**部锅炉与压力容器标准；1939年，英国标准协会BSI编写熔焊压力容器的标准和规范；1982年，我国正式颁布**部压力容器部级标准。 图1-2 动力机器的失效事故 (a)1974年美国田纳西电厂爆炸汽轮机转子的裂纹；(b)1998年德国Eschede火车脱轨；(c)2018年美国西南航空公司引擎爆炸事故 相对于静态设备，动力机械具有的载荷不恒定、随机波动和随时间变化等特性构成了疲劳失效的典型特征。然而，疲劳问题的提出却经过了漫长的探索过程。1837年，Albert[1]设计传动链的测试装置，发表**篇有关疲劳的论文；1839年，Poncelet[2]在巴黎大学报告中描述金属会“累”；1843年，Rankine[3]在研究轮轨失效中意识到应力集中的重要性；1849年，Hodgkinson[4]提出了“结构上连续变化的载荷的影响，以及此类结构能耐载到什么程度而不影响安全”这个问题；1854年，Braithwaite[5]正式提出了“fatigue”概念。可见，疲劳的初期研究体现着人们对工程现象的再现，这一过程促使交变载荷下的疲劳成为机械强度学的重要分支。 相对而言，有关疲劳的科学知识在大学和课堂的传授则迟于工业界的研究。例如，1794年，法国拿破仑支持成立巴黎技术学院(世界上**个工程教育机构)，开设机械课程(机构学、应用数学)；1846年，在德国教育家雷腾巴赫的倡导下，卡尔斯鲁厄技术学校开设机械系，进一步形成机械设计课程体系；1847年，英国成立世界上**个工程学会，即英国机械工程学会；1861年，德国罗莱(Reuleaux)出版《机械设计者》，标志着机械设计学脱离应用力学；1924年，英国国家物理实验室的Gough出版**部疲劳专著《金属的疲劳》[6]；1980年，高镇同教授出版我国**本疲劳方面的专著《疲劳性能测试》[7]。 1.1.3 结构失效驱动疲劳的研究 人们对疲劳的研究是从对失效事故的调查开始的。1842年，法国凡尔赛火车轮轴断裂，火车出轨起火，造成多人死亡，此后发生了系列火车零部件破坏事故，促使人们开始重视并开展相关研究。那一时期的重点是如何再现破坏过程，为此开展了结构疲劳试验。例如，Albert[1]开展了采矿提升机链条加载试验，Fairbairn[8]开展了梁的弯曲疲劳试验，并从试验结果中认识到结构存在安全载荷。然而，仅通过结构疲劳试验对破坏规律的认识不足，因此从试验角度认识疲劳成为人们的研究重点，这一研究思路*终促进了疲劳极限和S-N曲线的提出。 1954年，首架英国彗星号(Comet)喷气客机坠落地中海，事故源于飞机窗户角的高应力集中区导致的疲劳。1957～1958年，连续发生了多起由结构疲劳失效引起的美军B-47轰炸机空中解体失事事件。20世纪50年代发生的多起疲劳事故，促使人们更加关注缺口疲劳失效问题，推动了应变-疲劳理论与方法的发展与进步，应变-疲劳成为除应力-疲劳外的重要研究领域之一。 研究过程中，静态破坏与循环加载失效的差异是一个必须要回答的问题。如图1-3所示，静态破坏时材料具有明显的塑性变形，失效时的载荷超过了材料的断裂强度；而在循环载荷条件下，材料承受低于屈服强度的载荷，经过多次往复加载后，*后发生突然断裂。静态破坏与循环载荷失效在断裂机理上具有很大不同，疲劳破坏具有显著的突发性和低应力特性，致使传统静态强度设计经验失效，疲劳成为防止结构断裂亟须解决的瓶颈问题。 图1-3 静态破坏与循环载荷失效的差异 对疲劳裂纹扩展规律的认识也起源于结构失效事故[9]。二战期间，在美国2500余艘全焊接自由轮(liberty ship)中，700余艘发生由焊接接头原始缺陷引起的断裂事故[10]。1967～1969年，美国空军F-111可变后掠翼战机多达4架次由机翼枢纽加工原始裂纹缺陷导致的坠机事故[11]。1977年，波音707货机在卢萨卡发生水平机翼初始裂纹扩展诱发的尾翼断裂事故。这些失效事故使人们对缺陷和裂纹有了深刻的认识，缺陷处裂纹萌生及扩展行为与结构断裂密切相关，而有关裂纹扩展规律的理论研究受益于20世纪60年代以来断裂力学的发展。其中，Irwin[12]于1958年基于断裂力学原理，研究了裂尖力学场的表征问题；Paris与Erdogen[13]于1963年报道疲劳裂纹扩展的幂指数规律，对疲劳裂纹扩展行为进行了理论分析；Elber[14]于1971年报道裂纹闭合的概念，揭示了应力比等因素对疲劳裂纹扩展行为的影响。 微观分析技术的进步促使人们开展对疲劳失效损伤机理的研究，并分析其与静态拉伸破坏的差异。静态破坏时材料具有明显的塑性变形，失效时的载荷超过了材料的断裂强度；在循环载荷的条件下，虽然材料承受的载荷低于屈服强度，但经过多次往复加载后发生突然断裂，这种突发性和低应力的特性，成为结构抗疲劳设计的难题。此外，不同疲劳破坏模式的出现，也推动着对疲劳裂纹萌生与扩展机理的研究不断向深度和广度拓展。 1.1.4 疲劳研究支撑机械强度学科 疲劳失效与可靠性研究的融合产生了新的学科方向。针对动力机器的失效问题：一方面，人们关注如何减小动应力，降低振动与噪声，提高设备的可靠性，从而催生了振动力学，它以系统的平衡、转子动力学、速度波动调节，以及振动、隔振与噪声等问题为主要内容，相关研究促进了机械动力学的产生与发展；另一方面，人们考虑如何使材料更加“健壮”，从而使设备在有裂纹的情况下也能安全运行，由此产生了材料力学，它以材料的破坏机理、结构设计的安全准则、应力的准确表达及考虑构件几何形状的影响等为主要内容，进一步发展成为损伤力学、断裂力学，进而产生了机械强度学，支撑了强度理论的发展[15]。机械动力学与机械强度学两个学科的共同目标是一致的，即解决机器的失效、振动、可靠性和寿命预测等问题[16]。 在当前机械强度学的学科框架内，结构疲劳强度与寿命仍依赖于校核的原则，强度校核又依赖于设计准则。一个完整的结构强度设计通常由三部分组成。①相似性原理。相似性原理的内涵在于名义应力相同，寿命也相同；应力强度因子相同，裂纹扩展速率也相同。②设计准则。在给定寿命下，把设计与校核的准则设置为结构工作载荷低于材料破坏的临界值。结构工作载荷可以为应力、应变和应力强度因子，材料破坏的临界值可以为疲劳强度、断裂韧性、疲劳裂纹扩展门槛值等参量，这些参量可通过材料疲劳试验得到。③安全系数。安全系数的目的是通过考虑未知破坏机理，纳入未知多因素的影响及交互作用，目标是通过纳入工程不确定性而设置结构设计冗余。然而，在实际运用过程中，虽然损伤断裂是材料现象，但设计中通常采用安全系数而不是更换材料的方案加以解决，安全系数实际上被作为包纳工程多因素的黑匣子。 近百年来，疲劳强度的基础研究支持了疲劳设计技术的进步。图1-4为结构设计技术随疲劳基础研究的演化关系。从图中可以看出，疲劳设计技术经历了经验类比设计、安全寿命设计、失效-安全设计、损伤容限设计和超长寿命设计五个阶段。18世纪后，人们以材料力学为基础进行经验类比设计；20世纪50年代后，随着高周疲劳理论的发展与成熟，引入线弹性强度理论和安全系数后，安全寿命是主要的设计技术，结构设计以无限寿命为目标；20世纪60年代，随着低周疲劳和局部应力应变理论的发展，形成了失效-安全设计技术，其目的是允许构件失效但不引起整个部件的失效；20世纪70年代后，随着疲劳断裂理论和无损检测技术的进步，损伤容限设计技术得到蓬勃发展，美国空军于1974年颁布军用规范——《飞机损伤容限需求：MIL-A-83444-1974》，其*大的特点是允许结构裂纹的存在，通过描述裂纹扩展并与疲劳寿命进行关联，成为结构剩余寿命评价和预测的重要工具；进入21世纪，随着人们对超高周疲劳研究的深入，将超高周疲劳的断裂行为与材料的冶金和制造联系起来，并考虑缺陷致裂，进而促使超长寿命设计方法成为研究的热点，以满足工程结构超长寿命服役的需求。 图1-4 结构设计技术随疲劳基础研究的演化 尽管疲劳设计技术得到了长足的发展与进步，但大型宽体客机和第四代增殖反应堆等新型高端装备的发展对疲劳强度、损伤模式与寿命设计的需求依然迫切，疲劳设计依然是高端装备研发的重要使能技术。 1.2 文献综合分析 在疲劳研究中，人们发表了大量的学术论文和著作。通过对发表的文献进行综合分析，总结具有重要影响的工作和关键研究领域，解析和认识疲劳研究的发展与演化，从而透过热点洞悉该领域未来的发展趋势。 1.2.1 论文发表情况 以“fatigue”作为关键词，在Web of Science数据库中，共检索到学术论文66521篇(截至2020年11月)。图1-5为1970～2020年疲劳领域研究的论文发表情况。从图中可以看出，论文发表数量逐年增加，尤其是近几年，每年的论文发表数量已经超过3000篇。从增长趋势中分析发现，论文数量基本呈现指数形式稳步增长，表明疲劳领域研究的热门度逐渐升高。对检索到的论文按学科领域分类(图1-6)，可见机械工程、冶金工程和力学三个学科发表的论文约占据论文总数的