疲劳断裂与寿命预测优秀课件.ppt

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1、疲劳断裂与寿命预测第1页，本讲稿共21页斜拉索桥事故斜拉索桥事故委内瑞拉的Maracibo桥，建于1960年，是世界著名的预应力混凝土斜拉索桥，由于桥索涂漆层经不住风雨的侵蚀，在拉索的剧烈振动下，192根的钢索中有25根存在严重隐患，1979年2月，一根拉索突然疲劳断裂，造成桥体局部坍塌，直接经济损失达5000万美元；美国德克萨斯州FredHartman桥1995年建成，但由于风雨激振致使100多个桥面端护筒焊接开裂，出现疲劳裂纹。第2页，本讲稿共21页斜拉索桥疲劳分析斜拉索桥疲劳分析斜拉索是斜拉索桥的主要受力构件，桥梁的重力和桥梁的活动载荷大部分都是通过斜拉索传递到踏柱上的。由于斜拉索的质量

2、小、阻尼小、柔度大的特点，极易在风、风雨交通载荷的作用下发生振动。随着斜拉索长度的增加，斜拉索的振动幅度也将随之增加。然由于振动的作用，斜拉索很容易发生疲劳断裂，产生交通事故。第3页，本讲稿共21页疲劳造成的列车事故疲劳造成的列车事故1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂，从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。第4页，本讲稿共21页列车事故疲劳分析列车事故疲劳分析金属构件在各种外力的反复作用下，可以产生疲劳，这是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡

3、，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。活塞从销座孔处出现活塞头部与裙部之间的整体断裂第5页，本讲稿共21页桥梁疲劳事故桥梁疲劳事故宜宾小南门桥主桥系中承式钢筋混凝土肋拱桥，矢跨比1/5，是建桥当时国内跨径最大的钢筋混凝土拱桥，中部180m范围为钢筋混凝土连续桥面。2001年11月7日凌晨4点，从四川南部宜宾进入云南的咽喉要道宜宾南门大桥发生悬索及桥面断裂事故，桥两端同时塌陷，造成交通及市外通讯中断。第6页，本讲稿共21页桥梁疲劳事故桥梁疲

4、劳事故辽宁盘锦田庄台大桥辽宁盘锦田庄台大桥2004年6月10日早晨7时许，辽宁省盘锦市境内田庄台大桥突然发生垮塌。大桥从中间断裂27米。该桥在超限车辆长期作用下，内部预应力严重受损。事故发生前，大连顺达运输公司一辆自重30吨的大货挂车，载着80吨的水泥，在严重超载情况下通过该桥(该桥在2000年7月被确定通行车辆限重15吨、限速20公里小时)，重载冲击力使大桥第9孔悬臂端预应力结构瞬间脆性断裂，致使桥板坍塌。第7页，本讲稿共21页桥梁疲劳事故桥梁疲劳事故重庆原彩虹桥始建于1994年11月5日，竣工于1996年2月16日，垮塌于1999年1月4日，建设工期1年零102天，使用寿命仅两年零222天

5、。由于设计不合理，造成结构受力不均，导致垮塌。这次因工程质量导致的重大责任事故，共造成40人死亡，其中包括18名年轻武警战士，直接经济损失628万余元。第8页，本讲稿共21页新建成的彩虹桥第9页，本讲稿共21页云天化公司爆炸云天化公司爆炸2009年月日时许从云南云天化股份有限公司了解到，该公司日中午发生的爆炸事件为合成氨装置合成塔出口管道断裂，事故导致名员工受到轻微伤。由于高温、高压气体外泄形成了强冲击波，导致合成氨装置合成塔出口管道发生断裂。第10页，本讲稿共21页深圳华侨城事故深圳华侨城事故2010年6月29日16时45分，深圳东部华侨城“太空迷航”娱乐项目发生重大安全事故，造成6人死亡，

6、10人受伤。“太空迷航”在设备设计方面存在的问题包括：座舱支承系统的中导柱法兰与活塞杆之间的联接为间隙配合，使中导柱内一个直径为16毫米的螺栓承受交变载荷，设计上没有考虑该螺栓承受交变载荷，未进行相应的疲劳验算，而且结构设计没有考虑在现场安装、维护时保证该螺栓达到预紧力的有效措施。由于该螺栓松动，加剧了中导柱法兰与活塞杆在运行时的相对运动，使该螺栓的受力状况恶化，从而导致该螺栓产生疲劳破坏。第11页，本讲稿共21页俄罗斯萨扬俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站舒申斯克水电站事故事故2009年8月17日，俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站发生重大事故，6400MW水电站被淹没，机电设备严重受损，电站停止运行，造成

7、75人死亡，13人失踪。发生事故的最初原因为一水轮机罩的螺栓发生疲劳破坏，螺栓断裂导致转子向上运动100-150mm而发生破坏。由于电厂断电，紧急闸门不能马上关闭，洪水进入电厂，造成设备短路，从而引发一系列的破坏。第12页，本讲稿共21页飞机疲劳事故飞机疲劳事故2010年11月29日，阿根廷举行飞机表演现场，金属疲劳造成机翼断裂，如图中左机翼。第13页，本讲稿共21页飞机疲劳事故飞机疲劳事故C-141星式运输机过度使用造成的机翼断裂事故。此型飞机的原始设计寿命是30,000飞行小时，后来由于美国空军想增加运输容量而将机身加长，当时的分析显示机体疲劳寿命可达45,000飞行小时，但是由于繁重的训

8、练任务，和次数频仍的高速低空飞行任务，使得机翼下蒙皮的损伤迅速累积，过度使用造成的机翼断裂事故。第14页，本讲稿共21页疲劳断裂安全隐患疲劳断裂安全隐患广州海印桥1988年将成，1995年5月发生9号斜拉索断裂事故，后又发现15号拉索松断，被迫进行进行全桥换索工程，经济损失2000多万元。第15页，本讲稿共21页疲劳断裂安全隐患疲劳断裂安全隐患铁道部大举召回动车原因：轮对发现裂纹轮对是机车与钢轨相接触的部分，由左右两个车轮压装在同一根车轴上组成，其作用是保证机车车辆在钢轨上的运行和转向，承受来自机车车辆的全部静、动载荷，把它传递给钢轨，并将因线路不平顺产生的载荷传递给机车车辆各零部件，使容易发

9、生机械疲劳，存在安全隐患。第16页，本讲稿共21页金属材料的疲劳特性人的疲劳感觉来自于长期的劳累或一次过重的负荷，金属也是一样。金属的机械性能会随着时间而渐渐变弱，这就是金属的疲劳。在正常使用机械时，重复的推、拉、扭或其他的外力情况下都会造成机械部件中金属的疲劳。这是因为机械受压时，金属中原子的排列会大大改变，大大的压力会使金属原子间的化学键断裂而导致金属裂开。由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断

10、取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。第17页，本讲稿共21页金属材料的疲劳特性金属疲劳并非完全难以检测。近年来，应用科学的检测手段避免了不少因金属疲劳而可能发生的事故。科学家证实，汽车刹车突然失灵而掉下悬崖、飞机发动机突然爆裂、强风使铁桥崩塌等惨祸发生前，刹车、机身、桥梁上都会产生异常震动，这实际上就是“金属疲劳”的一种征兆。所以，当工程师设计飞机、汽车、桥梁或其他机械时，都必须考虑到金属疲劳问题，并对这些金属建筑或机械定期“体检”，以确保安全。所有金属表面都存在微小缺陷，有的肉眼看得见，有的肉眼看不见。这些瑕疵都会使得应力在该处产生，从而导致金属开始裂开，所以，当一次负载过

11、重或是多次猛烈晃动，都会导致金属疲劳而从瑕疵处裂开。第18页，本讲稿共21页电子显微镜下裂纹图未经过疲劳试验的金属表面未经过疲劳试验的金属表面（N=0）经过疲劳试验的金属表面经过疲劳试验的金属表面（N=10000）第19页，本讲稿共21页电子显微镜下裂纹图经过疲劳试验的金属表面经过疲劳试验的金属表面（N=18000）经过疲劳试验的金属表面经过疲劳试验的金属表面（N=20000）第20页，本讲稿共21页金属构件疲劳预防古人就知道了如何让金属“强壮”的方法，那就是锻炼它们，令它们“百炼成钢”。现在我们所说的“锻炼身体”一词，其实就来源于对金属的锻炼，我们应该像锻炼金属一样锻炼自己的身体。锻炼金属的

12、方法是热处理，例如对钢不断回火和捶打，使其韧化，减弱金属容易疲劳的特性。在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。例如在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。随着科学技术的发展，现已出现。金属免疫疗法“新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。随着科技的进步，已经研制出更多含有金属的复合材料，如金属和玻璃纤维或塑料的合成物。这些复合材料使得金属不但保留了原来的强度，而且增加了纤维和塑料的韧性，使得金属不再轻易疲劳。第21页，本讲稿共21页