疲勞斷裂與壽命預(yù)測

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)5000萬美元；美國德克薩斯州Fred Hartman橋1995年建成，但由于風(fēng)雨激振致使100多個橋面端護(hù)筒焊接開裂，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載荷大部分都是通過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。隨著斜拉索長度的增加，斜拉索的振動幅度也將隨之增加。然由于振動的作用，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)致了這場近50年來德國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，有的地方會成為應(yīng)力集中區(qū)。與此同時，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，裂紋會越來越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力部分越來越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負(fù)載時，金屬構(gòu)件就會全部毀壞。,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)時國內(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,遼寧盤錦田莊臺大橋2004年6月10日早晨7時許，遼寧省盤錦市境內(nèi)田莊臺大橋突然發(fā)生垮塌。大橋從中間斷裂27米。該橋在超限車輛長

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)，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628萬余元。,新建成的彩虹橋,云天化公司爆炸,2009年３月２３日１５時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4

7、5分，深圳東部華僑城“太空迷航”娛樂項(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)計方面存在的問題包括：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)一個直徑為16毫米的螺栓承受交變載荷，設(shè)計上沒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)計沒有考慮在現(xiàn)場安裝、維護(hù)時保證該螺栓達(dá)到預(yù)緊力的有效措施。由于該螺栓松動，加劇了中導(dǎo)柱法蘭與活塞桿在運(yùn)行時的相對運(yùn)動，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，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，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)過度使用造成的機(jī)翼斷裂事故。此型飛機(jī)的原始設(shè)計壽命是 30,000 飛行小時，后來由于美國空軍想增加運(yùn)輸容量而將機(jī)身加長，當(dāng)時的分析顯示機(jī)體疲勞壽命可達(dá) 45,000 飛行小時，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號斜拉索斷裂事故，后又發(fā)現(xiàn)15號拉索松斷，被迫進(jìn)行進(jìn)行全橋換索工程，經(jīng)濟(jì)損失2000多萬元。,疲勞斷裂安全隱患,鐵道部大舉召回動車原因：輪對發(fā)現(xiàn)裂紋輪對是機(jī)車與鋼軌相接觸的部分，由左右兩個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，承受來自機(jī)車車輛的全部靜、動載荷，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、勞感覺來自于長期的勞累或一次過重的負(fù)荷，金屬也是一樣。金屬的機(jī)械性能會隨著時間而漸漸變?nèi)?，這就是金屬的疲勞。在正常使用機(jī)械時，重復(fù)的推、拉、扭或其他的外力情況下都會造成機(jī)械部件中金屬的疲勞。這是因?yàn)闄C(jī)械受壓時，金屬中原子的排列會大大改變，大大的壓力會使金屬原子間的化學(xué)鍵斷裂而導(dǎo)致金屬裂開。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，美國的5000艘貨船共發(fā)生1000多次破壞事故，有238艘完全報廢，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，人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得了新的成果，才開發(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。近年來，應(yīng)用科學(xué)的檢測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、橋梁上都會產(chǎn)生異常震動，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)計飛機(jī)、汽

13、車、橋梁或其他機(jī)械時，都必須考慮到金屬疲勞問題，并對這些金屬建筑或機(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，有的肉眼看不見。這些瑕疵都會使得應(yīng)力在該處產(chǎn)生，從而導(dǎo)致金屬開始裂開，所以，當(dāng)一次負(fù)載過重或是多次猛烈晃動，都會導(dǎo)致金屬疲勞而從瑕疵處裂開。,電子顯微鏡下裂紋圖,未經(jīng)過疲勞試驗(yàn)的金屬表面（N=0）,經(jīng)過疲勞試驗(yàn)的金屬表面（N=10000）,電子顯微鏡下裂紋圖,經(jīng)過疲勞試驗(yàn)的金屬表面（N=18

14、000）,經(jīng)過疲勞試驗(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)在我們所說的“鍛煉身體”一詞，其實(shí)就來源于對金屬的鍛煉，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)萬分之幾或千萬分之幾的稀土元

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)，通過事先引入的辦法來增強(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。對產(chǎn)生震動的機(jī)械設(shè)備要采取防震措施，以減少金屬疲勞的可能性。在必要的時候，要進(jìn)行對金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測，對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