（机械工程专业论文）电动单梁起重机疲劳剩余寿命评估系统的数据库研制.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 如何评估现役老、旧式单梁起熏机技术状态与剩余寿命、判断其能否继续使用、 确定其使用级别，是太极集团重庆桐君阁药。亟待解决的课题。起重机的剩余寿命 取决于它的金属结构的疲劳寿命。疲劳强度理论和断裂力学理论是评估单梁起重机金 属结构疲劳寿命的有效方法，采用最小寿命法又最终可以得出整机的剩余寿命。数据 库技术在材料专用数据库、机械零件设计、设备管理等方面获得了广泛的应用，但将 数据库技术应用于金属结构疲劳寿命评估却并不多见。本文力求在这一方面做一些探 讨性的工作。 本文首先通过分析金属结构疲劳剩余寿命评估系统的需求与功能，设计了系统总 体软件的方案及构成，重点讨论了数据库在系统中的作用与地位，阐述了其主要内容。 随后主要从数据库结构、数据库接口和数据库应用程序三个方面阐述了数据库的设计 与实现。 按照规范化设计要求，数据库系统设计按以下几步进行：规划、需求分析、概念 结构设计、逻辑结构设计、数据库物理设计、数据库实现及数据库运行和维护。首先 通过分析系统数据流图，编写数据字典，得出数据库系统的数据和功能需求i 然后经 过概念结构设计得到数据库局部e r 图和全局e r 图，经过逻辑结构设计将e r 图转换成关系数据模型；最后采用s q ls e r v e r2 0 0 0 作为工具完成了数据库的物理设 计并建立丁数据库的全部结构。 数据库接口技术是连接数据库与应用程序的桥梁，选择一个性能好、合适的数据 库接f ：_ _ i 技术是完成应用程序开发的前提。因此，本文简要比较了m ic r o s o f t 公司 w i n d o w s 平台上的几种数据库接口技术，然后重点介绍了本系统所采用的a d o 技术的 对象模型以及v c + 十环境下的编程实现。 为了方便数据库的管理，本系统专门设计了数据库管理应用程序。详细讨论了应 用程序的设计与开发，包括数据库的管理功能、数据库管理内容及人机交互界面。 实践证明，本数据库具有结构合理，数据充分，功能强大，人机交瓦界面友好等 优点。 关键词：疲劳寿命，寿命评估，数据库技术，d b m s ，a d o 币庆大学颀上学位论文 英史摘要 a b s t r a c t i t 。ss t i l la nu r g e n tu n s o l v e dp r o b l e mt h a th o wt oe s t l m a t et h et e c h n i c a ls i t u a t i o na n d t h er e m a i n e dl i f eo ft h eo l dc r a n e ，h o wt oj u d g et h ef u t u r eu s i n gp o s s i b i l i t ya n dc o n f i r m t h eu s i n gl e v e li nt h et a i j ig r o u pc h o n g q i n gt o n gj u ng ep h a r m a c e u t i c a lf a c t o r y t h e c r a n e sr e m a i n e dl i f ei sd e t e r m i n e db yt h ef a t i g u el i f eo fi t sm e t a ls t r u c t u r e f a t i g u e s t r e n g t ht h e o r ya n df r a c t u r em e c h a n i c st h e o r ya r et h ee f f e c t i v em e t h o d st oe s t i m a t et h e f a t i g u el i f eo fc r a n e sm e t a ls t r u c t u r e a n dt h em i n l i f em e t h o dc a nb eu s e dt od e d u c tt h e c r a n e sr e m a i n e dl i f et h ed a t a b a s et e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu s e di ns u c ha s p e c t sa s m a t e ri nd a t a b a s e ，t h ed e s i g no fm e c h a n i c a le l e m e n ta n dt h ed e v i c e m a n a g e m e n t h o w e v e r , i th a ss e l d o mb e e nf o u n du s i n gi ne v a l u a t i n gf a t i g u el i f eo fm e t a ls t r u c t u r e ， w h i c hi st h ef o c u st h i sp a p e ra i m sa t f i r s t l y , ag e n e r a lm e t h o da n dc o n s t r u c t i o no f t h es o f t w a r eo f t h es y s t e mh a sb e e np u t o u tb ya n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t sa n df u n c t i o n so ft h em e t a ls t r u c t u r ef a t i g u el i f e e s t i m a t i o ns y s t e m ，a n da l s od i s c u s s e dt h ef u n c t i o n si nd e t a i l ，s t a t u sa n dc o n t e n t so ft h e d a t a b a s ei nt h i ss y s t e m i te x p a t i a t e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t i n go f t h ed a t a b a s ef r o m t h r e ea s p e c t s ：d a t a b a s es t r u c t u r e ，d a t a b a s ey oa n dd a t a b a s ea p p l i c a t i o np r o g r a m t h ed e s i g no ft h ed a t a b a s es y s t e mc a nb ed o n eb yt h ef o l l o w i n gs t e p sa c c o r d i n gt o t h en o r m a l i z a t i o nr e q u i r e m e n t ：p l a n ，r e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，c o n c e p t u a ls t r u c t u r ed e s i g n ， l o g i c a ls t r u c t u r ed e s i g n ，d a t a b a s ep h y s i c a ld e s i g n ，d a t a b a s ea c t u a l i z a t i o na n dd a t a b a s e r u n n i n ga n dm a i n t e n a n c et h ed a t aa n dt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t sf o rt h i sd a t a b a s e s y s t e ma r ed e d u c t e df i r s t l yb yt h ea n a l y z i n go ft h ed a t af l o wf i ga n dt h ec o m p i l i n go f t h ed a t ad i c t i o n a r yt h e n ，t h el o c a le rf i ga n dt h ew h o l ee rf i ga r eo b t a i n e db y c o n c e p ts t r u c t u r ed e s i g n t h ed a t a b a s ep h y s i c a ld e s i g ni sf i n a l l yc o m p l e t e db ys q l s e r v e r2 0 0 0a n dt h ew h o l es t r u c t u r eo f t h ed a t a b a s ei sb u i i t d a t a b a s ec l i e n tt e c h n i q u ei sab r i d g eb e t w e e nd a t a b a s ea n da p p l i e dp r o g r a mt h e s e l e c t i n go far i g h ta n ds u i t a b l ed a t a b a s ec l i e n tt e c h n i q u ei st h ep r e c o n d i t i o nt od e v e l o p a na p p l i e dp r o g r a mt h e r e f o r e ，af e wd a t a b a s ec l i e n tt e c h n i q u e so nt h em i c r o s o f t c o m p a n yw i n d o w sf l a ta r eb r i e f l yc o m p a r e da tt h eb e g i n n i n g ，t h ep a p e re m p h a s i z e so n t h ei n t r o d u c t i o no ft h eo b j e c tm o d e lo fa d o t e c h n i q u ea n dt h ep r o g r a mm e t h o du n d e r v c + + c o n d i t i o n f o rt h ec o n v e n i e n c eo f d a t a b a s em a n a g e m e n t ，t h i ss y s t e mh a ss p e c i a l l yd e s i g n e da n a p p l i e dp r o g r a mf o rt h ed a t a b a s em a n a g e m e n tt h ep a p e rh a sp a r t i c u l a r l yd i s c u s s e dt h e 重庆人学硕十学位论文 英史摘要 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ea p p l i e dp r o g r a m ，i n c l u d i n g d a t a b a s e m a n a g e m e n t f u n c t i o n s ，t h ec o n t e n t so fd a t a b a s em a n a g e m e n ta n dt h em u t u a li n t e r f a c eb e t w e e n p e r s o na n dc o m p u t e r i t i sp r o v e db yt h ep r a c t i c a lu s et h a tt h i sd a t a b a s es y s t e mh a ss u c hv i a u e sa s r e a s o n a b l es t r u c t u r e ，s u f f i c i e n td a t as u p p l y i n g ，p o w e r f u lf u n c t i o na n df r i e n d l yp c i n t e r f a c e e t c k e y w o r d s ：f a t i g u el i f e ，l i f ee s t i m a t i o n ，d a t a b a s et e c h n i q u e ，d b m s ，a d o 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 本课题项目来源于太极集团重庆桐君阁药，。以太极集团重庆桐君阁药厂5 吨 电动单梁起重机为依托。 1 1 2 课题背景 起重机械是工矿企业的重要设备。对它们的使用、管理的好坏直接影响着企业的 经济效益和生产、人身安全。为此国家制定了许多规定来规范这些没备的设计、使用 及管理。例如规范中规定普通起重机械最长使用寿命为2 0 年，超过使用期限必须报 废或降低使用标准。然而这些规范和法规都是计划体制下的产物，是按照设计寿命制 定的，基本上没有考虑其实际使用寿命的差异，更没有考虑其疲劳寿命。 目前太极集团重庆桐君阁药厂的老、旧式电动单粱起重机己经陆续面临着淘汰 问题，有些甚至是超期服役。但是由于日常工作量大小、工作环境的4 i 同，导致这些 设备的实际使用寿命亦不同。一方面，有的电动单梁起重机日常工作量大、工作环境 恶劣，已经超出其使用寿命，只有依靠高额维修、保养费来维持其寿命，给生产带来 严重的安全隐患；另一方面，有的电动单梁起重机工作量小、工作环境不是很恶劣， 实际上并没有达到其寿命极限，如果按照规定一刀切地淘汰，势必给企业造成巨额的 经济损失，从而加重企业的经营负担。 因此，如何评估现役老、旧式电动单梁起重机技术状态与剩余寿命、判断其能否 继续使h j 、确定其使用级别，成为重庆桐君阁药厂亟待解决的问题。 随着计算机技术的发展，数据库技术得到了广泛的应用。将数据库技术应用到剩 余寿命评估中，是一种探索。数据库是本课题中的重要组成部分。数据库设计弓开发 的好坏直接影响着本系统性能的优劣。 1 1 3 研究目的及意义 本课题研究的目的是用疲劳强度理论和弹塑性断裂力学理论的疲劳寿命计算方 法，对在役电动单梁起重机进行疲劳寿命估算，并建立一套方便使用的评估软件系统。 本系统的研制成功至少有以下几方面的意义： ( 1 ) 通过对在役电动单梁起重机的技术状态评价与剩余寿命评估，既为企业合理 使用、维护和管理设备提供科学依据，又为企业实现设备的关键零、部件的目标退役 提供理沦支持，可为企业带来可观的社会效益和经济效益。 ( 2 ) 通过研制电动单梁起重机疲劳剩余寿命评估数据库，可为存储和管理数据提 供极大的方便，也可保证系统较好的可扩充性。 重庆大学硕士学位论文 绪论 ( 3 ) 本文研制的是集材料、金属结构、评估方法、评估结果于一体的通用数据 库系统，州改变传统的单一化、专业化数据库系统的缺陷。 ( 4 ) 本课题的研制成功，能为太极集团重庆桐君阁药厂其余大型设备的寿命 评估奠定坚实的基础。 1 2 国内外现状与趋势 1 2 1 疲劳寿命评估的现状与趋势 1 、疲劳问题研究历史回顾 1 8 2 9 年，德囤采矿工程师w a ，j a l b e r t ( 1 j 可贝特) 对链条进行了重复加载试验， 提出了疲劳问题的研究报告，从而开始了人们对疲劳问题研究的历史【i 】。1 9 3 9 年， p o n c e l e t ( 波恩斯莱特) 首先使用“f a t i g u e ”词来描述“在反复腌加的载荷作用下的 结构破坏”。1 8 5 4 年b r a i t h w a i t e ( 勃瑞斯威特) 在伦敦土木工程师学会上第一个以“疲 劳”。词作为题目发表了论文。首次提出材料疲劳特性s _ n 曲线的是德国铁路工程 师a u g u s t w o h l e r ( 韦勒) 。罄个1 9 世纪，对疲劳问题研究比较著名的或贡献比较突出 的还有f a i r b a i r n ( 费尔巴尔) 、b a k e r ( 贝克) 、g e r b e r ( 盖尔博) 、g o o d m a n ( 占德曼) 等。 从总体来看，1 9 世纪对疲劳问题的研究还处于较低级的水平上，人们还不能对 构件疲劳寿命进行预测，还不能对种种疲劳现象进行解释。进入2 0 世纪以来，疲劳 问题的研究有了长足的发展，这主要表现在两方面：其一是较深入地进行n 机理研究； 其二：是开展了较复杂的试验研究。 2 0 世纪初，人们应用光学显微镜蹋察到了滑移线和滑移带引起的裂纹。2 0 3 0 年代，英阁伦敦国家物理实验室的h e r b e r t ( 赫尔贝特) 、g o u g h ( 高夫) 等人根据材料的 内部组织的改变来解释疲劳现象，这是对疲劳机理研究的重要贡献。g r i f f i t h ( 格里菲 斯) 首先提出玻璃的裂纹与其强度的关系后，o r o w a n ( 奥洛万) 和i r w i n ( 伊文) 研究了材 料的塑胜对裂纹扩展的影响，进而由伊文提出了应力强度因子的概念，逐步完善，断 裂力学体系f 2 1 。断裂力学的产生和发展，给疲劳机理研究、寿命预测提供了新的有力 工具，主要有两方面：一是如何计算裂纹尖端的应力应变场的问题；二是如何计算 裂纹尖端的应力强度因子问题f 3 l 。这两个内容都与确定裂纹扩展寿命密切相关。当时 人们在人量的试验基础e ，提出了许多疲劳寿命的估算方法，如：线性疲劳损伤累积 假设即m i n e r 法则、局部应力一应变疲劳寿命估算方法、雨流计数法、p a r i s 公式和 f o r m a n 公式等。这些方法都解决了一些问题，但还不成熟、不完善。近一、二十年 来，疲劳问题的研究以“精细”为特色，为了解决实际问题，展开了大量的专题研究， 如：多向载荷的疲劳问题1 4 、超载对疲劳的影响孔、疲劳与蠕变相结合问题【6 】、短裂 纹扩展行为b 9 1 、低循环疲劳 1 0 - 1 2 1 等。 疲劳破坏是工程和机械构件最常见的失效形式。为了避免事故和减少损失，人们 一直在研究提高构件的抗疲劳能力和探索更准确的构件疲劳寿命预测方法。然而由于 2 重庆大学硕上学位论文l 绪论 疲劳问题非常复杂，影响因素很多，致使这方面的研究仍然不完善、不成熟，目前还 没有- 个简单而准确町靠的疲劳寿命预测计算式，在很多情况下理论分析结论与实验 还有一定的差距。 1 2 2 数据库技术的现状与趋势 数据库系统是随着计算机在数据处理方面的应用发展而产生的。数据处理是计算 机应川领域中最大的应用，这种数据密集型应用的主要特点是数据量大、数据保存期 长、多系统的数据共享等。用计算机实现数据管理经历了三个发展阶段： 第一阶段为人工管理阶段。这是数据管理的初级阶段。j o 年代中期以前，计算 机采用的是批处理工作方式，主要用于科学计算。 第二阶段为文件系统阶段。5 0 年代后期至6 0 年代中期，计算机技术有了很大的 发展，出现了计算机的联机工作方式。此时计算机广泛用于信息处理。 第三阶段为数据库系统阶段。6 0 年代后期，计算机用于信息处理的规模越来越 大，对数据管理的技术要求更高。此时便提出计算机网络系统和分布式系统，出现_ r 大容量的磁盘，文件系统已不再能胜任多用户环境下的数据共享和处理，一个新的数 据管理技术即数据库管理系统( d b m s ) 由此而形成，它对所有用户数据实行统一的、集 中的管理、操作和维护。 7 0 年代初，数据库系统发展相当迅速。但始终以数据模型的发展为主线。凶此， 按照数据模型的发展情况，数据库系统发展可划分为三代。”“1 ： 第一代数据库系统，即层次数据库系统和网状数据库系统。这一代数据库系统主 要支持层次和网状数据模型。主要特点是支持三级抽象模式的体系结构，用存取路径 ( 指针) 来表示数据之间的联系，数据定义语言( d d l ) 和数据操纵语言( d m l ) 相对独立， 数据库语言采用过程性( 导航式) 语言。第一代数据库系统发展经历了如下的过程： t 9 6 4 年，美国通用电气公司的b a c h m a n 等人开发成功世界上第一一个d b m s 一 d s ( t n t e g r a t e d d a t a s t o r e ) 系统，奠定了网状数据库系统的基础。 1 9 6 9 年，美国i b m 公司研制成功世界上第一个商品化d b m s 产品一 i m s ( 1 n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) 系统，这是一个层次数据库系统。 1 9 6 9 1 9 7 0 年，美国c o d a s y l ( c o n f e r e n c eo nd a t as y s t e ml a n g u a g e ) 协商会下 耩的d b t g ( d a t ab a s et a s kg r o u p ) 对数据库方法进行了系统的研讨，提出了d b r g 报 告，建立了以网状数据模型为基础的数据库系统概念“”1 。 第二代数据库系统，即关系数据库系统( r d b m s ) 。这一代数据库系统主要支持关 系数据模型。这种模型有严格的理论基础，概念简单，清晰，易于用户理解和使用。 因此，关系模型经提出，便迅速发展，成为实用性最强的产品。该系统的主要特点 是：概念单一化，数据及其数据间的联系都用关系来表示，以关系代数为理论基础： 数据独立性强；数据库语言采用说明性语占，大大简化了用户的编程难度。第二代数 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 据库系统的发展经历了如下阶段： 1 9 7 0 年，美国i b m 公司s a nj o s e 研究实验室的研究员e f t o d d 提出了关系数 据模型，丌创了关系数据库系统的研究，奠定了关系数据模型的理论基础。e f c o d d 因此在1 9 8 1 年获得_ 厂a c m 图灵奖。 1 9 7 4 年，美国i b m 公司s a nj o s e 研究实验室研制成功s y s t e mr ，并在i b m s y s t e i l l 3 7 0 机器上运行，这是世界上最早的功能强大的关系数据库系统，以后又陆 续推出rs q l d s 和d b 2 等商品化，“品。 1 9 8 0 年以后，r d b m s 的产品迅速推出，如o r a c e ，i n f o r m i x ，s y b a s e ，d b a s e ， f o x b a s e ，f o x p r o 等”。 1 9 9 0 年以后，r d b m s 产品的版本不断更新功能更强大，支持分布式数据库和客 户服务器数据库以及客户浏览器服务器数据库等，同时实现了开放式网络环境 下异质数据库的互联操作，以及在整个企业行业范围内的o l t p ( 存线事务处理) 应 用支持。 第三代数据库系统，即新一代数据库系统一一面向对象数据库系统。这r 叶数据 库系统是基于扩展的关系数据模型或面向对象数据模型的，是尚未完全成熟前的一代 数据库系统。主要特点是支持包括数据、对象和知识的管理，在保持和继承第_ 代数 据库系统的技术基础上引入新技术( 如面向对象技术) ，对其他系统开放，具有良好的 _ r i j 移植性、可连接性、可扩充性和可互操作性。 第三代数据库系统的典型代表有s e r v i o 公司的g e m s t o n e ，o w t o s 公司的0 m o s ， o b j e c td e s i g n 分司的v e r s a n t ，i n t e l l i t i c ，o b j e c t i v i s y 公司的o b j e c t i v i t y d b ， v e r s a n to b j e c tt e c h m o l o g y 公司的v e r s a n t ，i n t e 】l i t i ci n t e r m a t i o n a l 公司的 m a t i s s e ，i t a s c as y s t e m s 公司的i t a s c a 等。它们都支持严格面向对象的数据模型。 与此同时，面临新的应用领域的挑战，许多商品化的关系数据库系统也对支持的数据 模型进行了扩充，发展成了对象关系数据库系统( o r d b m s ) 。 数据库技术是计算机软件领域的一个重要分支。经过3 0 余年的发展，已形成相 当规模的理论体系和实用技术，近年来又出现许多新的分支。例如：演绎数据库，主 动数据库，基于逻辑的数据库、时态数据库、模糊数据库、模糊演绎数据库，并行数 据库、巨型数据库，多媒体数据库、内存数据库、联邦数据库、工作流数据库，工程 数据库，地理数据库等。图j1 从数据模型、相关技术、应用领域三方面，通过一个 三维空间的视图，阐述了目前的数据库系列【”1 。经过多年的发展，数据库技术已经 得到了极大的完善，尤其是在关系数据库管理系统中。目前，关系数据库成了数据库 技术的主流。但随着数据库技术不断向新的应用领域的渗透，新技术的不断涌现，数 据库技术将在以下几个方面得到更大的发展1 2 “。 ( 1 ) 关系数据库理论的深入研究，以适应新的应用。 4 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 ( 2 ) 新的数据模型的研究。对象数据模型具有很强的描述复杂对象的能力及诸 如能包含更多的数据语义信息的优点等。它能适应当前对复杂对象进行描述、管理， 也能适应某些特殊的应用。所以有人预言，数据库的未来将是面向对象的时代。但目 前对象数据库技术还不够完善。 ( 3 ) 数据库标准的研究。数据库语言s q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ) 是数据库与 应用程序的重要接口，是操作数据库的重要工具，它的研究与标准化时数据库软件产 品技术的发展和数据库的应用具有很大的推动作用。s q l 标准从2 0 世纪8 0 年代提 出，经历了s q l 8 9 、s q l 2 、s q l 3 的发展过程，现在还在不断的完善和修改。数据 库语言s q l 的完善和标准化，标志着数据库技术的进步和成熟。 ( 4 ) 数据库的安全技术。数据库的安全是数据库系统的生命。随着信息技术的 发展和利用，当数据资源成为一种最重要的财富，且计算机犯罪猖獗时，数据库的安 全问题当成为首要的研究课题，并将继续深化和实用化。 ( 5 ) 数据库技术与计算机网络技术相结合。 ( 6 ) 数据库技术与人工智能技术相结合。 ( 7 ) 数据库工具及设计方法的研究。 数据模型 对氖模型j 关系模 m i s 痢状模 全立数据库 空间势据库 层次模 数据仓库 型i 型l _ 一 ，事务处理 情报检索 g ls 统计分析决策 应用领域 布式并行 多媒体 据库数据库知识库 数据库 彗秦蓥粟蓑紫攀檗相关技术按术 技术技术技术 侣犬仪小 图11 数据库系列 埏11s e r i e so f d a t a b a s e 心 型， 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 2 3 数据库技术在金属结构疲劳寿命评估中的应用瑰状 金属结构疲劳寿命的评估离不开材料，因此建立材料数据库具有很重要的意义。 目前国内外建立的材料数据库种类较多，其中国内影响较大的有 2 1 - 2 2 】；上海材料研究 所的机械工程材料性能数据库；航空航天部材料数据中心的航空材料性能数据库；郑 州机械所的机械强度与疲劳设计数据库；以清华大学材料研究所为中心建立的8 6 3 新材料数据库系统以及北京有色金属研究院的有色金属数据库等；国外的有：美国和 英国金属学会共同支持的m e t a l d a t a f i l e 大型数据库；美国国家技术情报服务部m p d c 力学性能数据中心的数据库；美国电力研究所( e p r i ) j q c 境敏感断裂数据库( e d e a c ) ： 欧洲共同体联合研究中心的高温材料数据库( h t m - d b ) ：日本材料技术研究所( n r i m 、 的树料强度数据库等。这些数据库都是为了某一方面的用途而开发的，虽然具有一定 的参考价值，但不能完全满足本系统的需要，且它们大多价格昂贵。 金属结构疲劳寿命的评估更离不开金属结构数据库。然而目前这方面的研究却很 少，这主要有以下几方面的原因：金属结构种类繁多，建立所有金属结构的数据库有 很高的难度；即使就某类型的机械，如起重机械，它的金属结构( 即零部件) 的种类 和数目也很繁杂，这将使数据库很庞大。本系统主要以太极集团重庆桐君阁药厂5 t 电动电动单梁起重机为对象建立起重机的金属结构数据库。 疲劳寿命的评估方法是决定数据库中所需数据内容的主要依据。若采用模糊评价 的方法，则需建立模糊判据数据库；若采用专家系统评判方法，则需建立专家库和知 识库；若采用疲劳强度和断裂力学的方法，则需建立各自相关的疲劳性能和断裂性能 数据库。 1 3 本文主要内容 l 、通过查阅国内外文献资料，分析并掌握疲劳寿命评估及数据库技术的国内外 研究现状及趋势，阐述数据库技术在材料、金属结构疲劳寿命评估系统中的应用； 2 、详细阐述了金属结构疲劳寿命评估理论，并在此基础上提出厂电动电动单梁 起重机的剩余寿命评估方法。 3 、在金属结构剩余寿命评估系统需求分析的基础上，采用模块化设计方法对系 统软件进行总体方案设计； 4 、采用关系数据库理论，分析得出数据库的数据结构，并通过数据库管理系统 软件s q ls e r v e r2 0 0 0 创建数据库； 5 、对比研究当前主要的数据库接口技术，并探讨了v c + + 环境下a d o ( a c t i v e d a t a o b j e c t ) 技术的实现方法i 6 、对数据库管理功能进行设计，并采用面向对象语言v c + + 予以实现； 7 、回顾本文的工作，得出结论。展望未来，指出了今后的研究重点。 6 重庆大学硕士学位论文2 金属结构疲劳寿命评估理论基础 2 金属结构疲劳剩余寿命评估理论基础 对起重机金属结构的疲劳寿命进行准确预测戍建立在大量试验和计算的綦础 上，但目前这一途径无论是理论上还是工作中都难阻实现。但是国内外的研究成 果已经可以对其疲劳寿命进行预测和估算，其方法主要有理论研究方法和试验研 究疗法两类。理论研究的方法包括疲劳强度理论 2 1 - 2 5 】、断裂力学 2 6 - 2 8 】、可靠性设 计2 9 - 3 h 、概率断裂力学m 。5 1 等方法。试验研究的方法包括超声波探伤法、巴克豪 森法、涂漆法、光纤测试等方法。这些试验方法在各自的适用范围内都发挥_ 重 要作用，但是它们存在明显的缺点，如超声波探伤法测试费用昂贵，一一般仅用于 飞机、航天器等重要结构或设备上，巴克豪森法尚处于实验室研究阶段，涂漆法 和光纤测试适用范围比较狭窄。 2 1 疲劳强度理论及疲劳寿命预测方法 2 1 1 疲劳强度理论 常规疲劳强度设计中假设材料是无缺陷的连续体，将疲劳破坏的过程分为疲 劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。它是应用疲劳损伤累积理论来 评估金属结构的疲劳寿命的。 大多数工程结构或机械的失效是由一系列的循环载荷所产生的疲劳损伤的累 积而造成的。所以疲劳损伤的累积理论对于疲劳寿命的预测十分重要。目前专家 们所提出的疲劳损伤累积理论可归纳为以下三类：线陛损伤累积理论、修正的线 性损伤累积理论、经验损伤累积理论。 线性损伤累积理论的原理是：在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累 加的，各个应力之间相互独立和互不相干，当累加的损伤达到某一数值时，试件 或构件就发生疲劳破坏。该种理论中最典型的是m i n e r 理论。线性损伤累积理论 比较简单方便，但这种理论没有考虑到应力与应力之间的相互作用，从而使预测 结果与试验值相差较大，有时甚至相差很远，进而有专家提出了修正的线性损伤 累积理论，其中最典型的是c a r t e n - d o l a n 理论。除了上述两种理论外，还有一些 经验或半经验损伤累积理论。 2 1 2 疲劳寿命颈测方法 疲劳寿命预测方法很多。按疲劳裂纹形成寿命预测的基本假定和控制参数， 可分为名义应力法、局部应力应变法、能量法、场强法等。 2 。1 2 。1 名义应力法 名义应力法是以结构的名义应力为试验和寿命估算的基础，采用雨流法取出 重庆大学硕上学位沦文 2 金属结构疲劳寿命评估理论基础 个个相_ ：独立、目：不相关的应力循环，结合材料的s n 曲线，按线性累积损伤 理论估算结构疲劳寿命的一种方法。基本假定：对任一构件( 或结构细节或元件) ， 只要应力集中系数k ，相同，载荷谱相同，它们的寿命则相同。此法中名义应力为 控制参数。浚方法考虑到了载荷顺序和残余应力的影响，简单易行。但该种方法 有两个主要的不足之处：一是因其在弹性范围内研究疲劳问题，没有考虑缺口根 部的局部龌性变形的影响，在计算有应力集中存在的结构疲劳寿命时，计算误差 较大：是标准试样和结构之间的等效关系的确定f 分困难，这是由r 这种关系 与结构的几何形状、加载方式和结构的大小、材料等因素有关。正是因为上述缺 陷，使名义应力法预测疲劳裂纹的形成能力较低，且该种方法需求得在不间的应 力比r 和不同的应力集中因子k t 下的s 。n 曲线，而获得这些材料数据需要大量的 经费。因而名义应力法只适用于计算应力水平较低的高周疲劳和无缺口结构的疲 劳寿命。近年来，名义应力法也在不断的发展中，相继出现了应力严重系数法 ( ssf ) 、有效应力法、额定系数法( d r f ) 等。 2 1 2 2 局部应力一应变法 局部应力一应变法的基本思想是根据结构的名义应力历程，借助于局部应力一 应变法分析缺口处的局部应力。再根据缺口处的局部应力，结合构件的s n 曲线、 材料的循环o g 曲线、e - n 曲线及线性累积损伤理论，估算结构的疲劳寿命。 基本假定：若一个构件的危险部位( 点) 的应力应变历程与一个光滑小试件的 应力一应变历程相同，则寿命相同。此法中局部应力应变是控制参数。 局部应力应变法主要用于解决高应变的低周疲劳和带缺口结构的疲劳寿命问 题。该方法的特点是可以通过一定的分析、计算将结构上的名义应力转化为缺口 处的局部应力和应变。它可以细致地分析缺口处的局部应力和应变的非线性关系， 可以考虑载荷顺序和残余应力对疲劳寿命的影响。因此，到目前为止，局部应力 应变法是一种比较好的疲劳寿命估算方法。它克服了名义应力法的两个主要缺陷， 但它亦有本身固有的缺陷。一是没有考虑缺口根部附近应力梯度和多轴应力的影 响。二是疲劳寿命的计算结果对疲劳缺口系数k 值非常敏感。而在实际工作中， 精确地确定结构的k 值是非常困难的，这就影响了局部应力应变法估算疲劳寿命 的精度。此外，局部应力应变法要用到材料的e _ n 曲线，而。_ n 曲线是在控 制应变的条件下进行疲劳试验而得到的，试验数据资料比较少，不如s _ n 曲线容 易得到，这电影响了该方法的使用。 2 1 2 3 能量法 基本假定：由相同的材料制成的构件( 元件或结构细节) ，如果在疲劳危险区承 受相同的局部应变能历程，则它们具有相同的疲劳裂纹形成寿命。 能量法的材料性能数据主要是材料的循环应力一应变曲线和循环能耗一寿命曲 重庆大学硕上学位论文 2 金属结构疲劳寿命评估理论基础 线。虽然企现有的能量法中均假设各循环的能耗是线性可加的，而事实上由于循 环加载过程中材料内部的损伤界面不断扩大，因此能耗总爨与循环数之间的关系 是非线性的。这一关键问题导致了能量法难f 运用于工程实际。因此能量法可能 不是一种十分合理和有前途的方法。 2 1 2 4 场强法 基本假设：由相同的材料制成的构件( 元件或结构细节) ，如果在疲劳失效区域 承受相同应力场强度历程，则具有相同疲劳寿命。此法的控制参数是应力场强度。 用场强法预测结构的疲劳裂纹的形成寿命时，需要循环应力一应变曲线和s - n f 曲线( 或e n f 曲线) ，分析计算较复杂。 由上述四种疲劳寿命预测方法各自的特点可知，不同的已知条件需采用4 i 同 的预测方法。如对于具有大昔的疲劳性能数据的材料制成的连接件或结构件可采 用名义应力法；对于具有复杂的几何外形且承受复杂载荷作用下的一些结构件可 采用局部应力应变法，尤其是瞬态的循环o e 曲线和e n f 曲线相结合的方法； 应力场强法可以用于与局部应力一应变法相同的材料疲劳性能数据即循环o e 曲 线和s n 或- n f 曲线。 2 2 断裂力学方法 断裂力学理论是基于材料本身存在着缺陷或裂纹这一事实，以变形体力学为基 础，研究含缺陷或裂纹的扩展、失稳和止裂。通过对断口定量分析得出构件在实 际工作中的疲劳裂纹扩展速率( 适用较广泛的是p a r i s 疲劳裂纹扩展速率公式) ， 合理地对零、部件进行疲劳寿命估算，确定构件形成裂纹的时间，评价其制造质 量，有利于正确分析事故原因。事实上这种方法解决了工程中许多灾难性的低应 力脆断问题，弥补了常规设计方法的不足，现已成为失效分析的重要方法之一。 疲劳断裂是结构零、部件失效的主要模式。据统计，由于结构部件失效导致 的重大事故中的8 5 9 0 与疲劳断裂有关。根据断裂力学的观点，金属结构件的 疲劳破坏是由于主裂纹扩展到临界尺寸而造成的，结构的寿命取决于结构危险部 位裂纹的萌生与扩展。该方法将疲劳断裂过程分为三个阶段。一是构件在交变力 作用下产生初始裂纹( 初始裂纹定义至今仍无统一一标准，习惯上为0 5 l 啪) ：二： 是裂纹开始扩展，以致产生较大宏观裂纹；三是裂纹急剧扩展，迅速导致破坏， 它的寿命往往很短，称瞬间断裂寿命，工程上不予考察。按裂纹产生的时间，又 可将第一阶段定义为始裂寿命，第二阶段定义为为裂纹扩展寿命( 习惯上称剩余寿 命) 。对寿命的度量一般以经历的循环荷载的次数来表示。该理论认为，疲劳极限 是客观存在的，也就是说，当构件承受的循环荷载幅值小于该构件材料的疲劳极 限时，该构件不可能因产生裂纹导致破坏，即从疲劳寿命角度考察其寿命是无限 重庆大学硕士学位论文 2 金属结构疲劳寿命评估理论基础 的。此外疲劳寿命不仅与循环载荷幅值和材料物理、化学特性有关，还与载荷的 变化频率有关，故疲劳寿命有高周疲劳与低周疲劳之分。 前述名义应力法、局部应力一应变法等均是研究始裂寿命。而剩余寿命的研究， 则较复杂。目前是一个热点问题，工程界尚未提出普遍接受的评估手段。 近年来，断裂力学理论得到了长足的发展，但是它还很不完善，断裂失效的 机理还不是十分清楚，所以要应用该理论得出简单而准确可靠的疲劳寿命预测计 算式还有待时日。 2 3 可靠性设计方法 可靠性设计方法是应用可靠性理论和设计参数的统计数据，在给定的可靠性 指标f ，对零部件、设备或系统进行的设计。其目的是发现和确定产品存在的隐 患和薄弱环节，通过预防和改进，提高产品的固有可靠性。但是机械系统的可靠 性研究还很不成熟，况且用可靠性设计的方法也不能解决疲劳剩余寿命评估的问 题。 2 4 概率断裂力学 断裂力学是基于确定性参数的估算方法。概率断裂力学是将断裂力学中裂纹 尺、j 、断裂韧性、应力强度因子、裂纹扩展速率等参数作为随机变量，进行可靠 性分析。这样就提高了断裂力学工程分析方法的可靠性。但该种方法存在一定的 缺陷，一是其涉及到随机变量和随机数目前主要采用正态分布、三参数威布尔分 布来产生，显然不足以完全反映实际情况；二是试验数据不足。故这种方法在实 际应用中受到了一定的限制。 目前也有人利用模糊数学和统计模拟的方法对金属结构的技术状态进行综合 评价，并在此基础上推算它的剩余寿命 3 6 - 3 9 1 。这些方法是否可靠，不仅取决j 二数 学方法，还取决于人的主观因素。 2 5 金属结构疲劳寿命评估理论发展趋势口”4 0 在今后的金属结构疲劳寿命评估理论中，专家们一致认为应着手以下几方面 的研究： 理论上侧熏研究系统临界状态及多临界状态的优化问题，研究多判据情况下 一次二阶矩法；研究验证临界失效模型的有效方法；完善疲劳强度理论及断裂力 学方法；研究更适合系统的概率失效模型，改进目前计算断裂概率方法；进一步 研究计算可靠度的方法；研究影响系统的敏感性参数，特别研究对系统的参数敏 感性分析方法，从而系统有效地处理其敏感性指标。 1 0 首庆大学硕士学位论文 2 金属结构疲劳寿命评估理论基础 试验上侧重于研究选择适合于工程的金属结构实际测量的方法，找到应用于 实际的判断依据，从而正确地评价其寿命。 利用计算机的虚拟技术，提高对实测数据的处理，建立金属结构件的专家系 统，评定金属结构的疲劳剩余寿命和其余的技术指标，进而研究金属结构的设计、 制造和技术改造等的人工智能系统。 2 6 单粱起重机剩余寿命评估方法 疲劳破坏是起重机金属结构失效的主要形式之一。例如梁作为起重机金属结构 主要受力部件，其寿命长短决定着整个起重机的寿命极限。因此，对起重机梁的 疲劳寿命研究非常重要。起重机梁为焊接结构件，焊接过程中难免产生裂纹、气 孔、夹渣、未熔合等缺陷。由于应力集中等原因，疲劳裂纹根源往往产生于这些 缺陷处。这些缺陷在外界交变载荷多次循环作用下，逐渐扩展，最后导致粱的疲 劳断裂失效。疲劳裂纹的扩展占梁寿命的绝大部分。 金属结构的疲劳寿命包括裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命。对有裂纹的构件及 焊接件只需计算其裂纹扩展寿命，而对无裂纹的构件则计算其裂纹形成寿命和裂 纹扩展寿命。裂纹形成寿命依据疲劳强度寿命理论计算，主要方法有名义应力法、 局部应力应变法、能量法、场强法等。单梁起重机金属结构经常发生的是变幅疲 劳破坏。而对于变幅疲劳寿命估算较成熟的方法是名义应力法。该方法实际上是 一种传统的、应用最广泛也是最成熟、最安全的疲劳寿命估算法，它能保证般 的工程精度。之所以这样说，是由于构件的实际破坏往往是从结构内部或表面具 有应力集中的缺陷部位开始的。从理论上讲，应该用缺陷部位的局部应力来进行 结构的疲劳寿命估算，但是这样做有较大实际困难