从安全寿命到损伤容限——结构设计的观念演变

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 Strength）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 Strength‐Endurance 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S‐N曲线（S‐N 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劳寿命试验数据，就包括了裂纹初始（Crack Initiation）及裂纹生长（Crack Growth）

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至于用来验证结构运行寿命的全结构疲劳试验（Full Scale Fatigue Test），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”（Fail‐Safe Strength）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（Principal 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

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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。

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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（interaction）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图规定

的结构件，仍然无法确保设备的结构安全。

结语

为维护设备的运行安全，设备结构的设计观念也历经多次的变革。

早期的静力强度设计观念完全不考虑疲劳效应，这导致了很多的疲劳强度风险。

接续的“安全寿命”设计观念则企图界定结构的疲劳寿命，当结构使用时数到达此数值时，不论其是否完好如初，皆视为其疲劳寿命已使用殆尽而必须更换新件，因此这种设计的结构安全性被称为“以更换保障安全”（Safety‐by‐Retirement）。换言之，如果结构疲劳寿命分析失真，结构安全将面临大灾难.

“破损安全”设计观念则企图藉由良好的设计，让结构上的裂纹在未造成安全顾虑前，零部件在正常操作及维修状态下即能轻易发现它，所以这种设计观念的结构安全性被称为“以设计保障安全”（Safety‐by‐Design），也因此，如果结构设计失当时结构安全亦将不保。

目前业界普遍采用的“损伤容限”设计观念，则是依赖定期检查来发现结构上预期会产生的疲劳裂纹，这种设计观念的结构安全性被称为“以检查保障安全”（Safety‐by‐Inspection），因此，如果是检查人员疏忽或未预期的结构上产生疲劳裂纹，结构安全将面临重大挑战。

西方有一句谚语：“人皆会犯错（To err is human.）”，由于人类头脑的心智过程，在任何工作中都会发生一定程度的人为随机型失误（Random Error），再好的系统及设计也无法完全消弭这种失误。

到目前为止，结构安全的设计仍未完全达到理想目标，而随着未来对设备性能要求的逐渐提升，以及延长设备运行年限来获得最佳经济效益的趋势，结构设计将面临更为艰巨的挑战。