疲勞斷裂與壽命預(yù)測(cè)

1、斜拉索橋事故,委內(nèi)瑞拉的Maracibo橋，建于1960年，是世界著名的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉索橋，由于橋索涂漆層經(jīng)不住風(fēng)雨的侵蝕，在拉索的劇烈振動(dòng)下，192根的鋼索中有25根存在嚴(yán)重隱患，1979年2月，一根拉索突然疲勞斷裂，造成橋體局部坍塌，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5000萬(wàn)美元；美國(guó)德克薩斯州Fred Hartman橋1995年建成，但由于風(fēng)雨激振致使100多個(gè)橋面端護(hù)筒焊接開(kāi)裂，出現(xiàn)疲勞裂紋。,斜拉索橋疲勞分析,斜拉索是斜拉索橋的主要受力構(gòu)件，

2、橋梁的重力和橋梁的活動(dòng)載荷大部分都是通過(guò)斜拉索傳遞到踏柱上的。由于斜拉索的質(zhì)量小、阻尼小、柔度大的特點(diǎn)，極易在風(fēng)、風(fēng)雨交通載荷的作用下發(fā)生振動(dòng)。隨著斜拉索長(zhǎng)度的增加，斜拉索的振動(dòng)幅度也將隨之增加。然由于振動(dòng)的作用，斜拉索很容易發(fā)生疲勞斷裂，產(chǎn)生交通事故。,疲勞造成的列車事故,1998年6月3日，德國(guó)一列高速列車在行駛中突然出軌，造成100多人遇難身亡的嚴(yán)重后果。事后經(jīng)過(guò)調(diào)查，人們發(fā)現(xiàn)，造成事故的原因竟是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪內(nèi)部疲勞斷裂，從

3、而導(dǎo)致了這場(chǎng)近50年來(lái)德國(guó)最慘重鐵路事故的發(fā)生。,列車事故疲勞分析,金屬構(gòu)件在各種外力的反復(fù)作用下，可以產(chǎn)生疲勞，這是因?yàn)榻饘賰?nèi)部結(jié)構(gòu)并不均勻，從而造成應(yīng)力傳遞的不平衡，有的地方會(huì)成為應(yīng)力集中區(qū)。與此同時(shí)，金屬內(nèi)部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續(xù)作用下，裂紋會(huì)越來(lái)越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力部分越來(lái)越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負(fù)載時(shí)，金屬構(gòu)件就會(huì)全部毀壞。,活塞從銷座孔處出現(xiàn)活塞頭部與裙部之間的整體斷裂,橋梁疲勞事故,宜賓小南門橋

4、主橋系中承式鋼筋混凝土肋拱橋，矢跨比1/5，是建橋當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)跨徑最大的鋼筋混凝土拱橋，中部180m范圍為鋼筋混凝土連續(xù)橋面。    2001年11月7日凌晨4點(diǎn)，從四川南部宜賓進(jìn)入云南的咽喉要道宜賓南門大橋發(fā)生懸索及橋面斷裂事故，橋兩端同時(shí)塌陷，造成交通及市外通訊中斷。,橋梁疲勞事故,遼寧盤錦田莊臺(tái)大橋2004年6月10日早晨7時(shí)許，遼寧省盤錦市境內(nèi)田莊臺(tái)大橋突然發(fā)生垮塌。大橋從中間斷裂27米。該橋在超限車輛長(zhǎng)

5、期作用下，內(nèi)部預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重受損。事故發(fā)生前，大連順達(dá)運(yùn)輸公司一輛自重30噸的大貨掛車，載著80噸的水泥，在嚴(yán)重超載情況下通過(guò)該橋(該橋在2000年7月被確定通行車輛限重15噸、限速20公里／小時(shí))，重載沖擊力使大橋第9孔懸臂端預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)瞬間脆性斷裂，致使橋板坍塌。,橋梁疲勞事故,重慶原彩虹橋始建于1994年11月5日，竣工于1996年2月16日，垮塌于1999年1月4日，建設(shè)工期1年零102天，使用壽命僅兩年零222天。由于設(shè)計(jì)不合理，造

6、成結(jié)構(gòu)受力不均，導(dǎo)致垮塌。這次因工程質(zhì)量導(dǎo)致的重大責(zé)任事故，共造成40人死亡，其中包括18名年輕武警戰(zhàn)士，直接經(jīng)濟(jì)損失628萬(wàn)余元。,新建成的彩虹橋,云天化公司爆炸,2009年３月２３日１５時(shí)許從云南云天化股份有限公司了解到，該公司２３日中午發(fā)生的爆炸事件為合成氨裝置合成塔出口管道斷裂，事故導(dǎo)致７名員工受到輕微傷。由于高溫、高壓氣體外泄形成了強(qiáng)沖擊波，導(dǎo)致合成氨裝置合成塔出口管道發(fā)生斷裂。,深圳華僑城事故,2010年6月29日16時(shí)4

7、5分，深圳東部華僑城“太空迷航”娛樂(lè)項(xiàng)目發(fā)生重大安全事故，造成6人死亡，10人受傷?！疤彰院健痹谠O(shè)備設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題包括：座艙支承系統(tǒng)的中導(dǎo)柱法蘭與活塞桿之間的聯(lián)接為間隙配合，使中導(dǎo)柱內(nèi)一個(gè)直徑為16毫米的螺栓承受交變載荷，設(shè)計(jì)上沒(méi)有考慮該螺栓承受交變載荷，未進(jìn)行相應(yīng)的疲勞驗(yàn)算，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮在現(xiàn)場(chǎng)安裝、維護(hù)時(shí)保證該螺栓達(dá)到預(yù)緊力的有效措施。由于該螺栓松動(dòng)，加劇了中導(dǎo)柱法蘭與活塞桿在運(yùn)行時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使該螺栓的受力狀況惡化，

8、從而導(dǎo)致該螺栓產(chǎn)生疲勞破壞。,俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站事故,2009年8月17日，俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站發(fā)生重大事故，6400 MW水電站被淹沒(méi)，機(jī)電設(shè)備嚴(yán)重受損，電站停止運(yùn)行，造成75人死亡，13人失蹤。發(fā)生事故的最初原因?yàn)橐凰啓C(jī)罩的螺栓發(fā)生疲勞破壞，螺栓斷裂導(dǎo)致轉(zhuǎn)子向上運(yùn)動(dòng)100-150mm而發(fā)生破壞。由于電廠斷電，緊急閘門不能馬上關(guān)閉，洪水進(jìn)入電廠，造成設(shè)備短路，從而引發(fā)一系列的破壞。,飛機(jī)疲勞事故,2010年11月29

9、日，阿根廷舉行飛機(jī)表演現(xiàn)場(chǎng)，金屬疲勞造成機(jī)翼斷裂，如圖中左機(jī)翼。,飛機(jī)疲勞事故,C-141星式運(yùn)輸機(jī)過(guò)度使用造成的機(jī)翼斷裂事故。此型飛機(jī)的原始設(shè)計(jì)壽命是 30,000 飛行小時(shí)，后來(lái)由于美國(guó)空軍想增加運(yùn)輸容量而將機(jī)身加長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)的分析顯示機(jī)體疲勞壽命可達(dá) 45,000 飛行小時(shí)，但是由于繁重的訓(xùn)練任務(wù)，和次數(shù)頻仍的高速低空飛行任務(wù)，使得機(jī)翼下蒙皮的損傷迅速累積，過(guò)度使用造成的機(jī)翼斷裂事故。,疲勞斷裂安全隱患,廣州海印橋1988年將成，1

10、995年5月發(fā)生9號(hào)斜拉索斷裂事故，后又發(fā)現(xiàn)15號(hào)拉索松斷，被迫進(jìn)行進(jìn)行全橋換索工程，經(jīng)濟(jì)損失2000多萬(wàn)元。,疲勞斷裂安全隱患,鐵道部大舉召回動(dòng)車原因：輪對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋輪對(duì)是機(jī)車與鋼軌相接觸的部分，由左右兩個(gè)車輪壓裝在同一根車軸上組成，其作用是保證機(jī)車車輛在鋼軌上的運(yùn)行和轉(zhuǎn)向，承受來(lái)自機(jī)車車輛的全部靜、動(dòng)載荷，把它傳遞給鋼軌，并將因線路不平順產(chǎn)生的載荷傳遞給機(jī)車車輛各零部件，使容易發(fā)生機(jī)械疲勞，存在安全隱患。,金屬材料的疲勞特性,人的疲

11、勞感覺(jué)來(lái)自于長(zhǎng)期的勞累或一次過(guò)重的負(fù)荷，金屬也是一樣。金屬的機(jī)械性能會(huì)隨著時(shí)間而漸漸變?nèi)酰@就是金屬的疲勞。在正常使用機(jī)械時(shí)，重復(fù)的推、拉、扭或其他的外力情況下都會(huì)造成機(jī)械部件中金屬的疲勞。這是因?yàn)闄C(jī)械受壓時(shí)，金屬中原子的排列會(huì)大大改變，大大的壓力會(huì)使金屬原子間的化學(xué)鍵斷裂而導(dǎo)致金屬裂開(kāi)。由于金屬材料的疲勞一般難以發(fā)現(xiàn)，因此常常造成突然的事故。在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)的5000艘貨船共發(fā)生1000多次破壞事故，有238艘完全報(bào)廢，其

12、中大部分要?dú)w咎于金屬的疲勞。直到出現(xiàn)了電子顯微鏡之后，人類在揭開(kāi)金屬疲勞秘密的道路上不斷取得了新的成果，才開(kāi)發(fā)出一些發(fā)現(xiàn)和消除金屬疲勞的手段。,金屬材料的疲勞特性,金屬疲勞并非完全難以檢測(cè)。近年來(lái)，應(yīng)用科學(xué)的檢測(cè)手段避免了不少因金屬疲勞而可能發(fā)生的事故?？茖W(xué)家證實(shí)，汽車剎車突然失靈而掉下懸崖、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)突然爆裂、強(qiáng)風(fēng)使鐵橋崩塌等慘禍發(fā)生前，剎車、機(jī)身、橋梁上都會(huì)產(chǎn)生異常震動(dòng)，這實(shí)際上就是“金屬疲勞”的一種征兆。所以，當(dāng)工程師設(shè)計(jì)飛機(jī)、汽

13、車、橋梁或其他機(jī)械時(shí)，都必須考慮到金屬疲勞問(wèn)題，并對(duì)這些金屬建筑或機(jī)械定期“體檢”，以確保安全。所有金屬表面都存在微小缺陷，有的肉眼看得見(jiàn)，有的肉眼看不見(jiàn)。這些瑕疵都會(huì)使得應(yīng)力在該處產(chǎn)生，從而導(dǎo)致金屬開(kāi)始裂開(kāi)，所以，當(dāng)一次負(fù)載過(guò)重或是多次猛烈晃動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致金屬疲勞而從瑕疵處裂開(kāi)。,電子顯微鏡下裂紋圖,未經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)的金屬表面（N=0）,經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)的金屬表面（N=10000）,電子顯微鏡下裂紋圖,經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)的金屬表面（N=18

14、000）,經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)的金屬表面（N=20000）,金屬構(gòu)件疲勞預(yù)防,古人就知道了如何讓金屬“強(qiáng)壯”的方法，那就是鍛煉它們，令它們“百煉成鋼”?，F(xiàn)在我們所說(shuō)的“鍛煉身體”一詞，其實(shí)就來(lái)源于對(duì)金屬的鍛煉，我們應(yīng)該像鍛煉金屬一樣鍛煉自己的身體。鍛煉金屬的方法是熱處理，例如對(duì)鋼不斷回火和捶打，使其韌化，減弱金屬容易疲勞的特性。在金屬材料中添加各種“維生素”是增強(qiáng)金屬抗疲勞的有效辦法。例如在鋼鐵和有色金屬里，加進(jìn)萬(wàn)分之幾或千萬(wàn)分之幾的稀土元

15、素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領(lǐng)，延長(zhǎng)使用壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)。金屬免疫療法“新技術(shù)，通過(guò)事先引入的辦法來(lái)增強(qiáng)金屬的疲勞強(qiáng)度，以抵抗疲勞損壞。此外，在金屬構(gòu)件上，應(yīng)盡量減少薄弱環(huán)節(jié)，還可以用一些輔助性工藝增加表面光潔度，以免發(fā)生銹蝕。對(duì)產(chǎn)生震動(dòng)的機(jī)械設(shè)備要采取防震措施，以減少金屬疲勞的可能性。在必要的時(shí)候，要進(jìn)行對(duì)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，對(duì)防止金屬疲勞也很有好處。隨著科技的進(jìn)步，已經(jīng)研制出更多含有金屬的復(fù)合材料，如金屬