摘 要:船舶系统典型材料的失效分析案例中,经常会涉及复杂的载荷和工况环境。通过建立 船舶系统典型材料失效分析案例数据库,有利于更好地统计船舶系统典型材料的失效情况,为典型 材料零件安全、可靠地运行提供技术支撑。

关键词:船舶系统;典型材料;失效分析案例;数据库

中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)01-0031-04

船舶系统中主要使用金属材料,包括钢、铁、铜、 钛、铝等,这些材料的大部分工作在潮湿的海洋环 境。在复杂的工况环境与多重应力的耦合作用下, 金属零件经常会发生腐蚀、磨损、疲劳、断裂等多种 失效模式,导致船舶装备无法安全、可靠地运行,从 而直接或间接地造成巨大的经济损失,甚至发生灾 难性事故。据报道,美国每年因金属零件失效造成 的损失可达数千亿美元,而国内每年因金属材料失 效造成的损失也高达数千亿元。因此,建立船舶系 统的失效分析数据库不仅可以实现失效分析数据的 存储,也可以对典型材料的生产管理、适应性评价提 供技术支撑;同时,完备的失效分析数据库可以为船 舶系统关键零件的选材提供技术支持,便于研究人 员快速、准确地了解所选材料的基本性能,以及该材 料可能会出现的问题。

1 数据库建立的背景与意义

目前数据库水平已经成为一个国家工业化发展 水平的重要体现,近年来,发达国家都致力于开发各 种材料和生产工艺的数据库[1-2]。例如,美国国家标 准局先后建立了金属材料的理化性能数据库、腐蚀 性能数据库以及摩擦磨损性能数据库;法国目前已 建立了40多个不同类型的材料数据库,对各种材料 进行系统的整理和标准化处理;德国的SOLMA 金 属材料数据库也收录了2万多条材料理化性能数 据;荷兰的材料数据库涵盖了金属、非金属以及复合 材料等众多理化和热力学性能;英国国家数据中心和大型企业也都建有独具特色的数据库;日本的金 属材料研究所数据库涵盖了金属材料各个方面的性 能,能够为材料的腐蚀、断裂、疲劳和磨损等失效分 析提供巨大的技术支持。

近30年来,国内在高校、研究所、企业等众多领 域也都先后建立了各具特色的数据库,指导科研与生 产工作。例如,北京航空材料研究院曾对航空航天装 备的失效事故案例进行了系统归纳和整理,建立了航 空系统失效分析案例数据库,从而避免了同类型失效 事故再次发生,为航空系统的产品设计、研发和应用 提供经验数据和技术支撑。中国石油天然气股份有 限公司对行业内的众多失效案例进行整理,建立了石 油钻井安全事故案例库,通过对数据库的推广,行业 内同类型事故的发生率降低约20%。目前,随着大 数据时代的到来以及知识管理技术的提升,部分失效 分析案例数据库已经可以实现网络运营与共享。但 是,在船舶系统尚未形成特有的材料数据库,特别是 失效分析数据库的有效知识管理方面提及的较少。 因此,在大数据和知识管理的背景下,建立船舶系统 的失效分析案例数据库是十分必要的。

2 数据库建立过程

2.1 船舶典型材料失效分析案例数据库概述

失效分析案例数据库建立的目的在于:为客户 提供方便的查询与咨询服务;为船舶企业的生产管 理、适应性评价提供必要的数据和标准;为客户提供 基本的材料性能指南。因此,失效分析数据库不仅 包含众多收集和整理的失效分析案例,还包括失效 分析的一些常用基础知识、失效分析常见参考标准、 失效分析专家等相关方面的内容。

因此,失效分析数据库应包含以下内容:① 失效 分析简介,主要了解失效分析的目的、意义;② 失效分 析专家库,了解国内失效分析方面的专家;③ 失效分析 设备,包括失效分析工作常用的设备;④ 失效分析常用 知识,失效分析取样、护样、分析等方面的相关知识;⑤ 失效分析标准,包括常见的指导标准与规范;⑥ 材料数 据库,包括各种类型材料的基本理化性能。

2.2 船舶典型材料失效分析数据库软件

对失效分析数据库系统的需求进行分析,系统 主要用于本地计算机大量文档的查询、读取操作,因 此选择的功能软件有:① 软件编译工具,Microsoft VisualStudio.NET2003;② 编程语言,C++;③ PDF处理工具,XPDF;④ 数据库软件,SQLServer ManagementStudio。

软件设计时采用独立性原则对总体模块进行划 分,每个独立的子功能占用一个独立的模块。根据 系统需要主要分为文件管理、分类索引、关键字检 索、系统配置等4个主要功能模块。

2.2.1 文件管理模块

文件管理模块中设有文件存储功能、分类索引功 能和文件信息提取功能。文件存储功能是将文件以 “onlyid”作为文件唯一标识,存储于数据库中,并以 “onlyid”重命名文件,以防止文件重名,且方便程序查 找文件。分类索引功能是在系统中定义7个一级索 引条目,以人工的方式选择文档在7个一级索引条目 下的分类,如果找不到需要的索引条目,可以在分类 索引模块动态添加或者删除二、三级索引;文件信息 提取功能是通过PDF文件格式进行提取的,选择对 中文支持更好的XPDF工具,读取文档总页数,并循 环读取每一页的文本信息,存储到数据库中。

2.2.2 分类索引模块

文件索引模块中设有分类索引管理、分类索引 筛选、索引自动纠错和快捷操作等功能。可以根据 需要实现动态增加或者删除二、三级索引条目,可以 通过“和”的方式同时进行多条件的筛选,以达到精 确地选择。如果选择了互相冲突的条目,系统将自 动清除该一级索引下的所有选择。该功能可以避免 错误的检索方式给出搜索为空的结果,导致对系统 使用人员造成误导。需要查看所有索引,或者想返 回根索引时,可使用“折叠/展开所有层次”进行快捷 操作。在进行了多个勾选后,重新进行检索时,可使 用“取消所有选择”快速清除选择。

2.2.3 关键字检索模块

在关键字检索模块中设置了全文检索索引、检 索结果预览以及快速打开指定页的功能。选用 Lucene检索引擎能够实现检索关键词与所存储数 据的快速对比,更高效地找到需要的文档。关键词 检索结果可以确定到文档的某页,以及在目标页的 命中次数,对于每一个检索结果均对应于文档目标 页的文本信息,因此在鼠标悬停到结果记录时,调用 模态对话框,可实时显示目标页的文本信息,以便快 速查看是否为所需文档。鼠标移动到预览窗口以 后,可快速关闭预览窗口。

2.2.4 系统配置模块

不同的浏览器调用方式不同,系统需要指定 PDF浏览器的路径。PDF文件存储的位置可以根据需要进行调整,XPDF提取文档文本信息时的临 时文件路径可根据需要调整,XPDF工具的存储路 径需要指定。配置信息存储于数据库中,程序打开 时自动读取配置信息。

2.3 船舶典型材料失效分析案例数据库框架设计

对失效分析案例进行分类和关键词提取直接影响 了数据库查询与检索服务的有效性。该数据库的建立 参考了国内外相关的材料数据库[3-5],经过众多行业、 领域的失效分析专家修订,最终设计了以材料、零件、 失效形式、工况与断裂等分类方式进行区分的框架。

2.3.1 材料分类

船舶系统所用材料从大类来说涵盖了如图1所 示的钢、铁、铜、钛、镁、铝等所有的金属材料领域,但 就材料零部件来说主要还是集中在铸铁和钢上。同 时,考虑到目前船舶应用中也有较多的非金属材料, 因此对非金属材料专门列一栏进行归类。

2.3.2 零件分类

船舶系统中所涉及的零件有螺栓、万向节、轴 承、齿轮、衬套、管道、阀门等,根据功能可以分为连 接件、紧固件、传动件、输送件、定位件、支撑件、储能 件等7大类。同时,考虑到某些关键零件生产过程 中可能会因为模具问题而失效,因此专门设置有模 具件一栏,具体零件的分类如图2所示。

2.3.3 失效形式分类

船舶系统零件的失效形式几乎涉及金属材料的 磨损、变形、腐蚀和断裂等所有类型(见图3)。船舶 系统具有独特的海洋工况使用条件,因此90%以上 的失效形式与腐蚀有关,特别是应力腐蚀和微生物腐 蚀。随着船舶系统的蓬勃发展,海洋工况下的氢致开 裂损伤行为也成为船舶系统中常见的失效形式。

2.3.4 工况与断裂分类

该类别是充分考虑到零件的工作环境,从设备 的作用、服役环境、断裂后的断口特征以及失效原因等4个大类对失效分析案例进行划分(见图4),从 而满足不同需求的技术人员进行定向检索、查找。

3 船舶典型材料失效分析案例数据库应用 分析

船舶典型材料失效分析数据库的建立,可以为相 关失效分析人员提供大量的数据,以便更好地开展相 关失效分析工作,提高相关技术人员的失效分析技能 和水平。同时,船舶典型材料的冶炼企业、零件的生 产企业以及产品的使用企业可以通过失效分析案例 数据库了解各种材料、生产工艺以及建造过程中的薄 弱或易发事故环节,从而更好地保障相关零件安全、 可靠地运行。失效分析案例数据库的建立可让安全监察部门从众多的事故案例中,获取相关行业生产或 工程事故的发生规律,掌握重大危险源的情况,并了 解可以承担失效技术分析工作的企业和专家信息。

4 结语

船舶典型材料失效分析案例数据库的设计与建 立,是对船舶系统复杂载荷和环境共同作用下的失 效案例进行系统收集与整理,实现众多失效分析案 例的有效知识管理,达到船舶系统典型材料失效分 析数据的广泛共享。该数据库可为相关技术人员的 技术提升提供数据资料,为典型材料零件的安全、可 靠运行提供保障。

参考文献:

[1] 周敏惠,付立愉,陆瑞文,等.国外材料数据库现状 [J].机械工程材料,1987,11(3):46-52.

[2] 李霞,苏航,陈晓玲,等.材料数据库的现状与发展趋 势[J].中国冶金,2007,17(6):4-8.

[3] 王臣,高俊山.金属材料失效引发重大事故案例数据 库的设计与建设[J].冶金分析,2012,32(1):1-6.

[4] 杨川.金属材料零部件失效分析案例:涉及大量铁 路、汽车零部件[M].北京:国防工业出版社,2012.

[5] 吴连生.失效分析技术及其应用———第七讲 疲劳断 裂失效分析[J].理化检验(物理分册),1996,32(1): 57-61.

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 1期 (pp:31-34)>