船舶系统典型材料失效分析案例数据库的设计与建立

杨 晓,施卫博,潘恒沛,王世宁,李雪峰,2,高灵清,2

(1.中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳 471023；2.河南省船舶及海工装备结构材料技术与应用重点实验室，洛阳 471023)

船舶系统中主要使用金属材料，包括钢、铁、铜、钛、铝等，这些材料的大部分工作在潮湿的海洋环境。在复杂的工况环境与多重应力的耦合作用下，金属零件经常会发生腐蚀、磨损、疲劳、断裂等多种失效模式，导致船舶装备无法安全、可靠地运行，从而直接或间接地造成巨大的经济损失，甚至发生灾难性事故。据报道，美国每年因金属零件失效造成的损失可达数千亿美元，而国内每年因金属材料失效造成的损失也高达数千亿元。因此，建立船舶系统的失效分析数据库不仅可以实现失效分析数据的存储，也可以对典型材料的生产管理、适应性评价提供技术支撑；同时，完备的失效分析数据库可以为船舶系统关键零件的选材提供技术支持，便于研究人员快速、准确地了解所选材料的基本性能，以及该材料可能会出现的问题。

1 数据库建立的背景与意义

目前数据库水平已经成为一个国家工业化发展水平的重要体现，近年来，发达国家都致力于开发各种材料和生产工艺的数据库[1-2]。例如，美国国家标准局先后建立了金属材料的理化性能数据库、腐蚀性能数据库以及摩擦磨损性能数据库；法国目前已建立了40多个不同类型的材料数据库，对各种材料进行系统的整理和标准化处理；德国的SOLMA金属材料数据库也收录了2万多条材料理化性能数据；荷兰的材料数据库涵盖了金属、非金属以及复合材料等众多理化和热力学性能；英国国家数据中心和大型企业也都建有独具特色的数据库；日本的金属材料研究所数据库涵盖了金属材料各个方面的性能，能够为材料的腐蚀、断裂、疲劳和磨损等失效分析提供巨大的技术支持。

近30年来，国内在高校、研究所、企业等众多领域也都先后建立了各具特色的数据库，指导科研与生产工作。例如，北京航空材料研究院曾对航空航天装备的失效事故案例进行了系统归纳和整理，建立了航空系统失效分析案例数据库，从而避免了同类型失效事故再次发生，为航空系统的产品设计、研发和应用提供经验数据和技术支撑。中国石油天然气股份有限公司对行业内的众多失效案例进行整理，建立了石油钻井安全事故案例库，通过对数据库的推广，行业内同类型事故的发生率降低约20%。目前，随着大数据时代的到来以及知识管理技术的提升，部分失效分析案例数据库已经可以实现网络运营与共享。但是，在船舶系统尚未形成特有的材料数据库，特别是失效分析数据库的有效知识管理方面提及的较少。因此，在大数据和知识管理的背景下，建立船舶系统的失效分析案例数据库是十分必要的。

2 数据库建立过程

2.1 船舶典型材料失效分析案例数据库概述

失效分析案例数据库建立的目的在于：为客户提供方便的查询与咨询服务；为船舶企业的生产管理、适应性评价提供必要的数据和标准；为客户提供基本的材料性能指南。因此，失效分析数据库不仅包含众多收集和整理的失效分析案例，还包括失效分析的一些常用基础知识、失效分析常见参考标准、失效分析专家等相关方面的内容。

因此，失效分析数据库应包含以下内容：① 失效分析简介，主要了解失效分析的目的、意义；② 失效分析专家库，了解国内失效分析方面的专家；③ 失效分析设备，包括失效分析工作常用的设备；④ 失效分析常用知识，失效分析取样、护样、分析等方面的相关知识；⑤ 失效分析标准，包括常见的指导标准与规范；⑥ 材料数据库，包括各种类型材料的基本理化性能。

2.2 船舶典型材料失效分析数据库软件

对失效分析数据库系统的需求进行分析，系统主要用于本地计算机大量文档的查询、读取操作，因此选择的功能软件有：① 软件编译工具，Microsoft Visual Studio .NET 2003；② 编程语言，C++；③ PDF处理工具，XPDF；④ 数据库软件，SQL Server Management Studio。

软件设计时采用独立性原则对总体模块进行划分，每个独立的子功能占用一个独立的模块。根据系统需要主要分为文件管理、分类索引、关键字检索、系统配置等4个主要功能模块。

2.2.1 文件管理模块

文件管理模块中设有文件存储功能、分类索引功能和文件信息提取功能。文件存储功能是将文件以“onlyid”作为文件唯一标识，存储于数据库中，并以“onlyid”重命名文件，以防止文件重名，且方便程序查找文件。分类索引功能是在系统中定义7个一级索引条目，以人工的方式选择文档在7个一级索引条目下的分类，如果找不到需要的索引条目，可以在分类索引模块动态添加或者删除二、三级索引；文件信息提取功能是通过PDF文件格式进行提取的，选择对中文支持更好的XPDF工具，读取文档总页数，并循环读取每一页的文本信息，存储到数据库中。

2.2.2 分类索引模块

文件索引模块中设有分类索引管理、分类索引筛选、索引自动纠错和快捷操作等功能。可以根据需要实现动态增加或者删除二、三级索引条目，可以通过“和”的方式同时进行多条件的筛选，以达到精确地选择。如果选择了互相冲突的条目，系统将自动清除该一级索引下的所有选择。该功能可以避免错误的检索方式给出搜索为空的结果，导致对系统使用人员造成误导。需要查看所有索引，或者想返回根索引时，可使用“折叠/展开所有层次”进行快捷操作。在进行了多个勾选后，重新进行检索时，可使用“取消所有选择”快速清除选择。

2.2.3 关键字检索模块

在关键字检索模块中设置了全文检索索引、检索结果预览以及快速打开指定页的功能。选用Lucene检索引擎能够实现检索关键词与所存储数据的快速对比，更高效地找到需要的文档。关键词检索结果可以确定到文档的某页，以及在目标页的命中次数，对于每一个检索结果均对应于文档目标页的文本信息，因此在鼠标悬停到结果记录时，调用模态对话框，可实时显示目标页的文本信息，以便快速查看是否为所需文档。鼠标移动到预览窗口以后，可快速关闭预览窗口。

2.2.4 系统配置模块

不同的浏览器调用方式不同，系统需要指定PDF浏览器的路径。PDF文件存储的位置可以根据需要进行调整，XPDF提取文档文本信息时的临时文件路径可根据需要调整，XPDF工具的存储路径需要指定。配置信息存储于数据库中，程序打开时自动读取配置信息。

2.3 船舶典型材料失效分析案例数据库框架设计

对失效分析案例进行分类和关键词提取直接影响了数据库查询与检索服务的有效性。该数据库的建立参考了国内外相关的材料数据库[3-5]，经过众多行业、领域的失效分析专家修订，最终设计了以材料、零件、失效形式、工况与断裂等分类方式进行区分的框架。

2.3.1 材料分类

船舶系统所用材料从大类来说涵盖了如图1所示的钢、铁、铜、钛、镁、铝等所有的金属材料领域，但就材料零部件来说主要还是集中在铸铁和钢上。同时，考虑到目前船舶应用中也有较多的非金属材料，因此对非金属材料专门列一栏进行归类。

图1 船舶系统典型材料失效分析数据库材料分类

2.3.2 零件分类

船舶系统中所涉及的零件有螺栓、万向节、轴承、齿轮、衬套、管道、阀门等，根据功能可以分为连接件、紧固件、传动件、输送件、定位件、支撑件、储能件等7大类。同时，考虑到某些关键零件生产过程中可能会因为模具问题而失效，因此专门设置有模具件一栏，具体零件的分类如图2所示。

图2 船舶系统典型材料失效分析案例数据库零件分类

2.3.3 失效形式分类

船舶系统零件的失效形式几乎涉及金属材料的磨损、变形、腐蚀和断裂等所有类型(见图3)。船舶系统具有独特的海洋工况使用条件，因此90%以上的失效形式与腐蚀有关，特别是应力腐蚀和微生物腐蚀。随着船舶系统的蓬勃发展，海洋工况下的氢致开裂损伤行为也成为船舶系统中常见的失效形式。

图3 船舶系统典型材料失效分析案例数据库失效形式分类

2.3.4 工况与断裂分类

该类别是充分考虑到零件的工作环境，从设备的作用、服役环境、断裂后的断口特征以及失效原因等4个大类对失效分析案例进行划分(见图4)，从而满足不同需求的技术人员进行定向检索、查找。

图4 船舶系统典型材料失效分析数据库工况与断裂分类

3 船舶典型材料失效分析案例数据库应用分析

船舶典型材料失效分析数据库的建立，可以为相关失效分析人员提供大量的数据，以便更好地开展相关失效分析工作，提高相关技术人员的失效分析技能和水平。同时，船舶典型材料的冶炼企业、零件的生产企业以及产品的使用企业可以通过失效分析案例数据库了解各种材料、生产工艺以及建造过程中的薄弱或易发事故环节，从而更好地保障相关零件安全、可靠地运行。失效分析案例数据库的建立可让安全监察部门从众多的事故案例中，获取相关行业生产或工程事故的发生规律，掌握重大危险源的情况，并了解可以承担失效技术分析工作的企业和专家信息。

4 结语

船舶典型材料失效分析案例数据库的设计与建立，是对船舶系统复杂载荷和环境共同作用下的失效案例进行系统收集与整理，实现众多失效分析案例的有效知识管理，达到船舶系统典型材料失效分析数据的广泛共享。该数据库可为相关技术人员的技术提升提供数据资料，为典型材料零件的安全、可靠运行提供保障。