从安全寿命到损伤容限——结构设计的观念演变

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

2、疲 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 Stre n gth )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

3、足以保证 设备运行的结构安全。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 Stre ngth En dura nee Limit )的方法， 也就是所谓的麦林法则(Miner's 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

4、疲劳破坏为止， 以获得此材料在各种施加应力和发生 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

5、劳寿命试验 数据，就包括了裂纹初始 ( Craek Initiation )及裂纹生长( CraekGrowth )这1两部分。所祈谓裂缴初始(Crack In itiattion ),是指试片表表面没有讓纹 至发现有初始台裂纹(initial Crack)的那一段时间间，至于初初始裂纹的勺大 小、尺寸、何时会黴现，那要要看该实懸室的非破破坏性检瞬能力而定。而製纹生长，贝V是指初0始裂缴由此之后后继续扩展展，直到漲终试片5完全 断製的那一段殳时间。go日AFWififl wrriSAE 1045( = 2.5 = -!) Experiment Analytical solutionSAE104

6、5钢材的SN曲线如果把逖种数据应用于谖备的结私构分析及谖计上，由于我们很很难 相循也无法際证所繭结构零饼都处于號美无瑕的勺情况，换言之，结构 上很可能(尊实上也早已预弦)存在1着各式各样样微小的裂裂纹，只；是制 造时的非破坏坏性检验能力无法法发现。如果结构上早已预先先存在着有T裂 纹,，则它的疲疲劳寿命中就不甬包含裂纹纹初始的那那一段时间间 而在僅统 的疲劳试验里里，裂纹徊始阶段所所花的时间约占打全部疲劳劳寿命的苗分之九十以上。 传统的麦林法则分析结果， 一律包含了裂纹初始及裂纹 生长两阶段时间，显然过于乐观，也因此在传统的疲劳设计里，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

7、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 ScaleFatigueTest）,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（pre existing）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

8、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”（ FaileSafeStrength ） 设计。设备结构中，那些大幅负担运行负载，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( Princ

9、ipal 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，在前段所述的静 力负载(Static Load)作用下，主结构强度符合设计需求(例如：在 施

10、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 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

11、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、 机械等因素陆续损坏，最终必会危及设备的安全寿命。在“破

12、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， 其仍能维持一段时间的余留强度。 ”损伤容限”设计中明确指

13、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长度前，需能检出此裂纹纹。在设计i新结构时，必须假设结构零零部件在出出厂时，由于不同的勺材 料、结构制作作、以歳制程所影影响，每主结构倂上应力最最大的位置, 如:：r角、御钉孔 会预存定大/小的裂纹，此裂纹卄设备运衍期 间旌负载作用!下逐谕生长，结构的设t计必需在餵纹存在的勺情况下，设 备伽能在一定巨时间内安全地容容忍这些损损伤。般以溺“损伤容容限”设计可让i设备在已知知有裂纹的的情况下继继续安金运行，这是个错误误的观念。没有任朮何设计规繼允许在明!知情况下, 让谡备的主帝构强度降到极限限负载

14、（Ultimate Load , 1.5倍的限制负 载）以下，“损伤容限限”设计主主要是对于在正筋使用情况兄下，不J预期 会发生裂纹，但可能在£运行醐间因环昵因素产生t裂纹的主主结构，提供 定期检查的制制订依据。主结构如果有餵纹，除非经工程分分析在后续续使用中的结构强度未降到极限负载以下，否则必须马上修复。I0.127公分丄I匕0.127>0427公分固定件位置0,635公分>0.318公分0.635公分W0R8公分非固定件位置损伤容限裂缴缓慢生长i设计下，融定预存裂纹初始长度度与形状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

15、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

16、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 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

17、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。< 0.051公分Up>S«4 SO AFWinfi cam0Q51公分0.051公分> >0.051 公分固定件位jlW0J27公分0.254公分H0.254兮分 非固定件位置损伤容限破损兹全设计卄，规定的J预存裂纹初始长度与形形状设备制i造出厂时，需以非1破坏性检验脸(Non Destructive Inspection) 确定结构上滋有大于上述尺寸t的裂纹；设备运彳行后，维修人员也要要能 以非破坏性噬验，在这些预存？裂纹的抿度生长!到临界长I度造成设餡损 毁前，发现加予

18、以修复。5.定期检查“损伤留限”设计下的纟结构安全与!否，取决于检验人人员能否及及时 发现裂纹，故故需有定期检查的勺密切配缶。应米用1破坏力学(Fracture Mechanics)的方法，制订T结构的禅卜充 性检查文件(Supplement Inspection Document )。经由破琳力学的裂纹生长e分析，可获得结构构在设计负负载下，预存 裂缴由初始长度生慑到余留强强度下可容容忍最大讓纹长度(即：临界长度)所需轲时间此结构的首次检查时机(In spectio n Threshold),为1裂纹由初始台长 度业长到检量人员!可检出的最ft小裂纹比度所需的勺时间；后续的次检查时距(Rep

19、eated Inspection Interval),至多可定为 裂缴由可检出最小慑度生长至到临界长度£的一半，以确保在在裂纹长度£足 以；造成破坏t前，至少有二次的勺检出机会会。检查霉果如果縉构无损伤, 设籥可继续运§行；如果发现有损损伤，则进行结构修修理或更换奂。换言之， 只要按时执佈检查并根据检查查结果执佈适当措施伍，设备蹴可永续迤行裂舷界長度卩】次檢fW距-nt r 裂寂長度绥紋初始長度运行时数许次檢杳時機损伤容限设计卄的结构检d查时距制讪方法实际运用情况表明：检查结果的不确定性是目前“损伤容限”设 计的隐忧， 这虽然可以通过缩短检验时距来克服， 但会降低

20、设备的有 效运行率，增加检验人员的负担。6 .散布型疲劳损伤设计中假设单一结构件应力最大的位置上存在着散布型疲劳损伤(Widespread Fatigue Damage),这种损伤为：“在多处位置上同时 存在的损伤， 其大小及分布密度使得结构无法满足规定的余留强度需 求。”其特征为：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( interac

21、tion )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