船舶系統(tǒng)典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與建立

楊 曉,施衛(wèi)博,潘恒沛,王世寧,李雪峰,2,高靈清,2

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，洛陽 471023；2.河南省船舶及海工裝備結(jié)構(gòu)材料技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，洛陽 471023)

船舶系統(tǒng)中主要使用金屬材料，包括鋼、鐵、銅、鈦、鋁等，這些材料的大部分工作在潮濕的海洋環(huán)境。在復(fù)雜的工況環(huán)境與多重應(yīng)力的耦合作用下，金屬零件經(jīng)常會發(fā)生腐蝕、磨損、疲勞、斷裂等多種失效模式，導(dǎo)致船舶裝備無法安全、可靠地運行，從而直接或間接地造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至發(fā)生災(zāi)難性事故。據(jù)報道，美國每年因金屬零件失效造成的損失可達(dá)數(shù)千億美元，而國內(nèi)每年因金屬材料失效造成的損失也高達(dá)數(shù)千億元。因此，建立船舶系統(tǒng)的失效分析數(shù)據(jù)庫不僅可以實現(xiàn)失效分析數(shù)據(jù)的存儲，也可以對典型材料的生產(chǎn)管理、適應(yīng)性評價提供技術(shù)支撐；同時，完備的失效分析數(shù)據(jù)庫可以為船舶系統(tǒng)關(guān)鍵零件的選材提供技術(shù)支持，便于研究人員快速、準(zhǔn)確地了解所選材料的基本性能，以及該材料可能會出現(xiàn)的問題。

1 數(shù)據(jù)庫建立的背景與意義

目前數(shù)據(jù)庫水平已經(jīng)成為一個國家工業(yè)化發(fā)展水平的重要體現(xiàn)，近年來，發(fā)達(dá)國家都致力于開發(fā)各種材料和生產(chǎn)工藝的數(shù)據(jù)庫[1-2]。例如，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局先后建立了金屬材料的理化性能數(shù)據(jù)庫、腐蝕性能數(shù)據(jù)庫以及摩擦磨損性能數(shù)據(jù)庫；法國目前已建立了40多個不同類型的材料數(shù)據(jù)庫，對各種材料進(jìn)行系統(tǒng)的整理和標(biāo)準(zhǔn)化處理；德國的SOLMA金屬材料數(shù)據(jù)庫也收錄了2萬多條材料理化性能數(shù)據(jù)；荷蘭的材料數(shù)據(jù)庫涵蓋了金屬、非金屬以及復(fù)合材料等眾多理化和熱力學(xué)性能；英國國家數(shù)據(jù)中心和大型企業(yè)也都建有獨具特色的數(shù)據(jù)庫；日本的金屬材料研究所數(shù)據(jù)庫涵蓋了金屬材料各個方面的性能，能夠為材料的腐蝕、斷裂、疲勞和磨損等失效分析提供巨大的技術(shù)支持。

近30年來，國內(nèi)在高校、研究所、企業(yè)等眾多領(lǐng)域也都先后建立了各具特色的數(shù)據(jù)庫，指導(dǎo)科研與生產(chǎn)工作。例如，北京航空材料研究院曾對航空航天裝備的失效事故案例進(jìn)行了系統(tǒng)歸納和整理，建立了航空系統(tǒng)失效分析案例數(shù)據(jù)庫，從而避免了同類型失效事故再次發(fā)生，為航空系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)和應(yīng)用提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。中國石油天然氣股份有限公司對行業(yè)內(nèi)的眾多失效案例進(jìn)行整理，建立了石油鉆井安全事故案例庫，通過對數(shù)據(jù)庫的推廣，行業(yè)內(nèi)同類型事故的發(fā)生率降低約20%。目前，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來以及知識管理技術(shù)的提升，部分失效分析案例數(shù)據(jù)庫已經(jīng)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運營與共享。但是，在船舶系統(tǒng)尚未形成特有的材料數(shù)據(jù)庫，特別是失效分析數(shù)據(jù)庫的有效知識管理方面提及的較少。因此，在大數(shù)據(jù)和知識管理的背景下，建立船舶系統(tǒng)的失效分析案例數(shù)據(jù)庫是十分必要的。

2 數(shù)據(jù)庫建立過程

2.1 船舶典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫概述

失效分析案例數(shù)據(jù)庫建立的目的在于：為客戶提供方便的查詢與咨詢服務(wù)；為船舶企業(yè)的生產(chǎn)管理、適應(yīng)性評價提供必要的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)；為客戶提供基本的材料性能指南。因此，失效分析數(shù)據(jù)庫不僅包含眾多收集和整理的失效分析案例，還包括失效分析的一些常用基礎(chǔ)知識、失效分析常見參考標(biāo)準(zhǔn)、失效分析專家等相關(guān)方面的內(nèi)容。

因此，失效分析數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含以下內(nèi)容：① 失效分析簡介，主要了解失效分析的目的、意義；② 失效分析專家?guī)?，了解國?nèi)失效分析方面的專家；③ 失效分析設(shè)備，包括失效分析工作常用的設(shè)備；④ 失效分析常用知識，失效分析取樣、護(hù)樣、分析等方面的相關(guān)知識；⑤ 失效分析標(biāo)準(zhǔn)，包括常見的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范；⑥ 材料數(shù)據(jù)庫，包括各種類型材料的基本理化性能。

2.2 船舶典型材料失效分析數(shù)據(jù)庫軟件

對失效分析數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，系統(tǒng)主要用于本地計算機(jī)大量文檔的查詢、讀取操作，因此選擇的功能軟件有：① 軟件編譯工具，Microsoft Visual Studio .NET 2003；② 編程語言，C++；③ PDF處理工具，XPDF；④ 數(shù)據(jù)庫軟件，SQL Server Management Studio。

軟件設(shè)計時采用獨立性原則對總體模塊進(jìn)行劃分，每個獨立的子功能占用一個獨立的模塊。根據(jù)系統(tǒng)需要主要分為文件管理、分類索引、關(guān)鍵字檢索、系統(tǒng)配置等4個主要功能模塊。

2.2.1 文件管理模塊

文件管理模塊中設(shè)有文件存儲功能、分類索引功能和文件信息提取功能。文件存儲功能是將文件以“onlyid”作為文件唯一標(biāo)識，存儲于數(shù)據(jù)庫中，并以“onlyid”重命名文件，以防止文件重名，且方便程序查找文件。分類索引功能是在系統(tǒng)中定義7個一級索引條目，以人工的方式選擇文檔在7個一級索引條目下的分類，如果找不到需要的索引條目，可以在分類索引模塊動態(tài)添加或者刪除二、三級索引；文件信息提取功能是通過PDF文件格式進(jìn)行提取的，選擇對中文支持更好的XPDF工具，讀取文檔總頁數(shù)，并循環(huán)讀取每一頁的文本信息，存儲到數(shù)據(jù)庫中。

2.2.2 分類索引模塊

文件索引模塊中設(shè)有分類索引管理、分類索引篩選、索引自動糾錯和快捷操作等功能?？梢愿鶕?jù)需要實現(xiàn)動態(tài)增加或者刪除二、三級索引條目，可以通過“和”的方式同時進(jìn)行多條件的篩選，以達(dá)到精確地選擇。如果選擇了互相沖突的條目，系統(tǒng)將自動清除該一級索引下的所有選擇。該功能可以避免錯誤的檢索方式給出搜索為空的結(jié)果，導(dǎo)致對系統(tǒng)使用人員造成誤導(dǎo)。需要查看所有索引，或者想返回根索引時，可使用“折疊/展開所有層次”進(jìn)行快捷操作。在進(jìn)行了多個勾選后，重新進(jìn)行檢索時，可使用“取消所有選擇”快速清除選擇。

2.2.3 關(guān)鍵字檢索模塊

在關(guān)鍵字檢索模塊中設(shè)置了全文檢索索引、檢索結(jié)果預(yù)覽以及快速打開指定頁的功能。選用Lucene檢索引擎能夠?qū)崿F(xiàn)檢索關(guān)鍵詞與所存儲數(shù)據(jù)的快速對比，更高效地找到需要的文檔。關(guān)鍵詞檢索結(jié)果可以確定到文檔的某頁，以及在目標(biāo)頁的命中次數(shù)，對于每一個檢索結(jié)果均對應(yīng)于文檔目標(biāo)頁的文本信息，因此在鼠標(biāo)懸停到結(jié)果記錄時，調(diào)用模態(tài)對話框，可實時顯示目標(biāo)頁的文本信息，以便快速查看是否為所需文檔。鼠標(biāo)移動到預(yù)覽窗口以后，可快速關(guān)閉預(yù)覽窗口。

2.2.4 系統(tǒng)配置模塊

不同的瀏覽器調(diào)用方式不同，系統(tǒng)需要指定PDF瀏覽器的路徑。PDF文件存儲的位置可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，XPDF提取文檔文本信息時的臨時文件路徑可根據(jù)需要調(diào)整，XPDF工具的存儲路徑需要指定。配置信息存儲于數(shù)據(jù)庫中，程序打開時自動讀取配置信息。

2.3 船舶典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫框架設(shè)計

對失效分析案例進(jìn)行分類和關(guān)鍵詞提取直接影響了數(shù)據(jù)庫查詢與檢索服務(wù)的有效性。該數(shù)據(jù)庫的建立參考了國內(nèi)外相關(guān)的材料數(shù)據(jù)庫[3-5]，經(jīng)過眾多行業(yè)、領(lǐng)域的失效分析專家修訂，最終設(shè)計了以材料、零件、失效形式、工況與斷裂等分類方式進(jìn)行區(qū)分的框架。

2.3.1 材料分類

船舶系統(tǒng)所用材料從大類來說涵蓋了如圖1所示的鋼、鐵、銅、鈦、鎂、鋁等所有的金屬材料領(lǐng)域，但就材料零部件來說主要還是集中在鑄鐵和鋼上。同時，考慮到目前船舶應(yīng)用中也有較多的非金屬材料，因此對非金屬材料專門列一欄進(jìn)行歸類。

圖1 船舶系統(tǒng)典型材料失效分析數(shù)據(jù)庫材料分類

2.3.2 零件分類

船舶系統(tǒng)中所涉及的零件有螺栓、萬向節(jié)、軸承、齒輪、襯套、管道、閥門等，根據(jù)功能可以分為連接件、緊固件、傳動件、輸送件、定位件、支撐件、儲能件等7大類。同時，考慮到某些關(guān)鍵零件生產(chǎn)過程中可能會因為模具問題而失效，因此專門設(shè)置有模具件一欄，具體零件的分類如圖2所示。

圖2 船舶系統(tǒng)典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫零件分類

2.3.3 失效形式分類

船舶系統(tǒng)零件的失效形式幾乎涉及金屬材料的磨損、變形、腐蝕和斷裂等所有類型(見圖3)。船舶系統(tǒng)具有獨特的海洋工況使用條件，因此90%以上的失效形式與腐蝕有關(guān)，特別是應(yīng)力腐蝕和微生物腐蝕。隨著船舶系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，海洋工況下的氫致開裂損傷行為也成為船舶系統(tǒng)中常見的失效形式。

圖3 船舶系統(tǒng)典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫失效形式分類

2.3.4 工況與斷裂分類

該類別是充分考慮到零件的工作環(huán)境，從設(shè)備的作用、服役環(huán)境、斷裂后的斷口特征以及失效原因等4個大類對失效分析案例進(jìn)行劃分(見圖4)，從而滿足不同需求的技術(shù)人員進(jìn)行定向檢索、查找。

圖4 船舶系統(tǒng)典型材料失效分析數(shù)據(jù)庫工況與斷裂分類

3 船舶典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫應(yīng)用分析

船舶典型材料失效分析數(shù)據(jù)庫的建立，可以為相關(guān)失效分析人員提供大量的數(shù)據(jù)，以便更好地開展相關(guān)失效分析工作，提高相關(guān)技術(shù)人員的失效分析技能和水平。同時，船舶典型材料的冶煉企業(yè)、零件的生產(chǎn)企業(yè)以及產(chǎn)品的使用企業(yè)可以通過失效分析案例數(shù)據(jù)庫了解各種材料、生產(chǎn)工藝以及建造過程中的薄弱或易發(fā)事故環(huán)節(jié)，從而更好地保障相關(guān)零件安全、可靠地運行。失效分析案例數(shù)據(jù)庫的建立可讓安全監(jiān)察部門從眾多的事故案例中，獲取相關(guān)行業(yè)生產(chǎn)或工程事故的發(fā)生規(guī)律，掌握重大危險源的情況，并了解可以承擔(dān)失效技術(shù)分析工作的企業(yè)和專家信息。

4 結(jié)語

船舶典型材料失效分析案例數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與建立，是對船舶系統(tǒng)復(fù)雜載荷和環(huán)境共同作用下的失效案例進(jìn)行系統(tǒng)收集與整理，實現(xiàn)眾多失效分析案例的有效知識管理，達(dá)到船舶系統(tǒng)典型材料失效分析數(shù)據(jù)的廣泛共享。該數(shù)據(jù)庫可為相關(guān)技術(shù)人員的技術(shù)提升提供數(shù)據(jù)資料，為典型材料零件的安全、可靠運行提供保障。