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操作不当导致金属疲劳和误差成为罪魁祸首(结构是什么?)

时间:2023-11-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:在实践中,不可能精确设计出这么多小时或这么多年的“安全”寿命。敌军行动造成的轰炸机损失非常高,大约每20架中会损失一架。但是,飞行员不会同意这种做法。此外,祖先和他们的婴儿也会落入地上的剑齿虎等天敌之口。

操作不当导致金属疲劳和误差成为罪魁祸首(结构是什么?)

你有没有听说过单驾马车的绝妙。

它以如此合理的方式制造,

百年如一日,它飞驰奔跑,

然后,突然间,它就……

——奥利弗·温德尔·霍姆斯(Oliver Wendell Holmes),《单驾马车》(The One-Hoss Shay)

整个物质世界非常适合被看作一个宏大的能量体系:在一个庞大的市场中,能量的一种形式总是按照设定的规则和价格被换成另一种形式。在能量上有利的事情迟早会发生。在某种意义上,结构是一种装置,其存在的目的就是延迟某些在能量上有利的事件的发生。在能量上有利的事情包括重物落地、应变能释放等。重物迟早会落地,应变能迟早会释放,但结构的职责在于将这类事件延迟一季、一生或者数千年之久。最终,所有结构都会被破坏或摧毁,正如凡人终有一死。医学和工程学的目的就在于将这些事情推迟到适宜的时间再发生。(www.xing528.com)

问题是:“适宜的时间”是什么时候?每个结构的建造肯定都是为了使之在合理预期的工作寿命内是“安全的”。对于一个火箭燃料箱,这个时间可能是几分钟;对于一辆汽车或一架飞机,可能是10年或20年;对于一座主教座堂,或许是1000年。至于奥利弗·温德尔·霍姆斯的“单驾马车”,建造它是为了用上100年(不多不少)。其计划的崩溃时间是在1855年的11月1日,事实也确实如此,犹如牧师布道时讲到“最后一点”一样。但是,这当然是胡说八道。此外,在尼维尔·舒特(Nevil Shute)的《没有捷径》(No Highway)中,邪恶而英勇的哈尼先生预言了“驯鹿客机的机尾在飞行时数达到1440小时——误差为一天左右——之后将因“金属疲劳”而失效。作为一名资深的飞机设计师,尼维尔·舒特肯定清楚,这也是胡说八道。

在实践中,不可能精确设计出这么多小时或这么多年的“安全”寿命。我们只能依据积累的数据和经验,从统计学意义上考虑这个问题。然后,无论安全裕度如何,只要看起来合理,我们就可以建造出来。一直以来,我们的一切都是基于概率和估计。如果我们制造的结构太弱,可能会节省重量和资金,但它过早断裂的可能性会变得极大。反之,如果我们制造的结构很强,以至于对人类来说它或许“可永久使用”(这正是大众期望的),那么它可能会非常笨重和昂贵。如我们将会看到的,在许多情境中,额外重量招致的风险会高于相应的强度增长所规避的风险。因为我们不可避免地基于统计学工作,当我们为现实生活设计一个实用结构时,我们必须接受的事实是,不管多小,总会存在一定的提前失效风险。

阿尔弗雷德·帕格斯利爵士(Sir Alfred Pugsley)在其作品《结构的安全》(The Safety of Structures)[1]中指出,正是在这个相当有趣的领域中,我们可能不得不舍弃逻辑严密的问题解决方式。如帕格斯利所说,人类的情绪对结构失效的恐惧异常敏感,而外行人则极其固执地认为,与他们相关的任何结构或装置都应该是“牢不可破的”。这会发生在各种各样的联系中;有时它是无害的,而有时效果正相反。在上一次战争期间,飞机设计师在某种程度上可以选择是否以飞机的结构安全性换取其他品质。敌军行动造成的轰炸机损失非常高,大约每20架中会损失一架。[2]相较之下,结构失效导致的飞机损失非常少,远低于万分之一。一架飞机的结构几乎占其总重量的1/3,用削减轰炸机结构部件的重量来换取其他优势是合理的。

如果这样做,结构的事故率会略有上升,但节省下来的重量可被投入到更有利于防御的枪炮或更厚的护甲上。这样一来,净伤亡率或总伤亡率无疑会明显下降。但是,飞行员不会同意这种做法。他们宁愿冒被敌军击落的巨大风险,也不愿面对飞机因结构问题而在空中解体的更小风险。

帕格斯利认为,从某种意义上说,因结构破坏而产生的不安感可能遗传自我们栖身树上的祖先,他们特别害怕自己身下的栖木会断裂——一旦发生这种事,婴儿、摇篮等都会摔落。此外,祖先和他们的婴儿也会落入地上的剑齿虎等天敌之口。不管这是不是真正的原因,工程师都必须考虑到这类感受,虽然增加的额外重量可能使其自身陷入危险。

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