船舶系統典型材料失效分析案例數據庫的設計與建立

楊 曉,施衛博,潘恒沛,王世寧,李雪峰,2,高靈清,2

(1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，洛陽 471023；2.河南省船舶及海工裝備結構材料技術與應用重點實驗室，洛陽 471023)

船舶系統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境。在復雜的工況環境與多重應力的耦合作用下，金屬零件經常會發生腐蝕、磨損、疲勞、斷裂等多種失效模式，導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濟損失，甚至發生災難性事故。據報道，美國每年因金屬零件失效造成的損失可達數千億美元，而國內每年因金屬材料失效造成的損失也高達數千億元。因此，建立船舶系統的失效分析數據庫不僅可以實現失效分析數據的存儲，也可以對典型材料的生產管理、適應性評價提供技術支撐；同時，完備的失效分析數據庫可以為船舶系統關鍵零件的選材提供技術支持，便于研究人員快速、準確地了解所選材料的基本性能，以及該材料可能會出現的問題。

1 數據庫建立的背景與意義

目前數據庫水平已經成為一個國家工業化發展水平的重要體現，近年來，發達國家都致力于開發各種材料和生產工藝的數據庫[1-2]。例如，美國國家標準局先后建立了金屬材料的理化性能數據庫、腐蝕性能數據庫以及摩擦磨損性能數據庫；法國目前已建立了40多個不同類型的材料數據庫，對各種材料進行系統的整理和標準化處理；德國的SOLMA金屬材料數據庫也收錄了2萬多條材料理化性能數據；荷蘭的材料數據庫涵蓋了金屬、非金屬以及復合材料等眾多理化和熱力學性能；英國國家數據中心和大型企業也都建有獨具特色的數據庫；日本的金屬材料研究所數據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支持。

近30年來，國內在高校、研究所、企業等眾多領域也都先后建立了各具特色的數據庫，指導科研與生產工作。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行了系統歸納和整理，建立了航空系統失效分析案例數據庫，從而避免了同類型失效事故再次發生，為航空系統的產品設計、研發和應用提供經驗數據和技術支撐。中國石油天然氣股份有限公司對行業內的眾多失效案例進行整理，建立了石油鉆井安全事故案例庫，通過對數據庫的推廣，行業內同類型事故的發生率降低約20%。目前，隨著大數據時代的到來以及知識管理技術的提升，部分失效分析案例數據庫已經可以實現網絡運營與共享。但是，在船舶系統尚未形成特有的材料數據庫，特別是失效分析數據庫的有效知識管理方面提及的較少。因此，在大數據和知識管理的背景下，建立船舶系統的失效分析案例數據庫是十分必要的。

2 數據庫建立過程

2.1 船舶典型材料失效分析案例數據庫概述

失效分析案例數據庫建立的目的在于：為客戶提供方便的查詢與咨詢服務；為船舶企業的生產管理、適應性評價提供必要的數據和標準；為客戶提供基本的材料性能指南。因此，失效分析數據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知識、失效分析常見參考標準、失效分析專家等相關方面的內容。

因此，失效分析數據庫應包含以下內容：① 失效分析簡介，主要了解失效分析的目的、意義；② 失效分析專家庫，了解國內失效分析方面的專家；③ 失效分析設備，包括失效分析工作常用的設備；④ 失效分析常用知識，失效分析取樣、護樣、分析等方面的相關知識；⑤ 失效分析標準，包括常見的指導標準與規范；⑥ 材料數據庫，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據庫軟件

對失效分析數據庫系統的需求進行分析，系統主要用于本地計算機大量文檔的查詢、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 數據庫軟件，SQL Server Management Studio。

軟件設計時采用獨立性原則對總體模塊進行劃分，每個獨立的子功能占用一個獨立的模塊。根據系統需要主要分為文件管理、分類索引、關鍵字檢索、系統配置等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”作為文件唯一標識，存儲于數據庫中，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文件格式進行提取的，選擇對中文支持更好的XPDF工具，讀取文檔總頁數，并循環讀取每一頁的文本信息，存儲到數據庫中。

2.2.2 分類索引模塊

文件索引模塊中設有分類索引管理、分類索引篩選、索引自動糾錯和快捷操作等功能。可以根據需要實現動態增加或者刪除二、三級索引條目，可以通過“和”的方式同時進行多條件的篩選，以達到精確地選擇。如果選擇了互相沖突的條目，系統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果，導致對系統使用人員造成誤導。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”進行快捷操作。在進行了多個勾選后，重新進行檢索時，可使用“取消所有選擇”快速清除選擇。

2.2.3 關鍵字檢索模塊

在關鍵字檢索模塊中設置了全文檢索索引、檢索結果預覽以及快速打開指定頁的功能。選用Lucene檢索引擎能夠實現檢索關鍵詞與所存儲數據的快速對比，更高效地找到需要的文檔。關鍵詞檢索結果可以確定到文檔的某頁，以及在目標頁的命中次數，對于每一個檢索結果均對應于文檔目標頁的文本信息，因此在鼠標懸停到結果記錄時，調用模態對話框，可實時顯示目標頁的文本信息，以便快速查看是否為所需文檔。鼠標移動到預覽窗口以后，可快速關閉預覽窗口。

2.2.4 系統配置模塊

不同的瀏覽器調用方式不同，系統需要指定PDF瀏覽器的路徑。PDF文件存儲的位置可以根據需要進行調整，XPDF提取文檔文本信息時的臨時文件路徑可根據需要調整，XPDF工具的存儲路徑需要指定。配置信息存儲于數據庫中，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據庫框架設計

對失效分析案例進行分類和關鍵詞提取直接影響了數據庫查詢與檢索服務的有效性。該數據庫的建立參考了國內外相關的材料數據庫[3-5]，經過眾多行業、領域的失效分析專家修訂，最終設計了以材料、零件、失效形式、工況與斷裂等分類方式進行區分的框架。

2.3.1 材料分類

船舶系統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行歸類。

圖1 船舶系統典型材料失效分析數據庫材料分類

2.3.2 零件分類

船舶系統中所涉及的零件有螺栓、萬向節、軸承、齒輪、襯套、管道、閥門等，根據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，考慮到某些關鍵零件生產過程中可能會因為模具問題而失效，因此專門設置有模具件一欄，具體零件的分類如圖2所示。

圖2 船舶系統典型材料失效分析案例數據庫零件分類

2.3.3 失效形式分類

船舶系統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，特別是應力腐蝕和微生物腐蝕。隨著船舶系統的蓬勃發展，海洋工況下的氫致開裂損傷行為也成為船舶系統中常見的失效形式。

圖3 船舶系統典型材料失效分析案例數據庫失效形式分類

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境，從設備的作用、服役環境、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行劃分(見圖4)，從而滿足不同需求的技術人員進行定向檢索、查找。

圖4 船舶系統典型材料失效分析數據庫工況與斷裂分類

3 船舶典型材料失效分析案例數據庫應用分析

船舶典型材料失效分析數據庫的建立，可以為相關失效分析人員提供大量的數據，以便更好地開展相關失效分析工作，提高相關技術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、零件的生產企業以及產品的使用企業可以通過失效分析案例數據庫了解各種材料、生產工藝以及建造過程中的薄弱或易發事故環節，從而更好地保障相關零件安全、可靠地運行。失效分析案例數據庫的建立可讓安全監察部門從眾多的事故案例中，獲取相關行業生產或工程事故的發生規律，掌握重大危險源的情況，并了解可以承擔失效技術分析工作的企業和專家信息。

4 結語

船舶典型材料失效分析案例數據庫的設計與建立，是對船舶系統復雜載荷和環境共同作用下的失效案例進行系統收集與整理，實現眾多失效分析案例的有效知識管理，達到船舶系統典型材料失效分析數據的廣泛共享。該數據庫可為相關技術人員的技術提升提供數據資料，為典型材料零件的安全、可靠運行提供保障。