实验设计揭示结构奥秘

如今建造轻便马车，让我来为你明言，

某处总会有个最弱点——

或在轮轴，或在轮胎、轮辋，或在弹簧、车辕，

或在门板、横木，或在底板、窗沿，

或在螺钉、螺栓，或在支撑皮带——凡此隐患，

不论何处，你必须发现，你也必将发现。

——奥利弗·温德尔·霍姆斯，《单驾马车》

当然，正是理论设计过程的不可靠性，导致我们必须对所有飞机做实验性的强度测试。但是，实验性方法的好处还可以进一步扩展。我们假设，设计师的目标应该是确定测试过程中结构初次失效所需的载荷。不过，即便是设计最科学的结构，也不太可能让各个部位的强度保持一致，就像传说中的单驾马车，其上(www.xing528.com)

……车轮之强，正如车辕，

底板之强，正如窗沿，

门板之强，正如底板——

测试架上的结构会在最薄弱的地方断裂。因此结构的其他部位都具有更大的强度。如果机身的初始失效仅需120%的全因子载荷，那么结构的绝大部分强度就其作用而言就太高了，而这额外的强度完全被浪费了。但是，我们无从知晓在哪里以及如何减轻结构。反复测试大型结构既费钱又费时，所以在时间和资金允许的情况下，如果可能，最好让初始失效发生时的载荷充裕地低于公认的120%。由此显露出来的薄弱之处随后即可得到强化，整个结构也可以再次进行测试，以下类推。

战时的蚊式轰炸机是历史上最成功的飞机之一，其初始失效发生在88%因子载荷的条件下和尾翼的翼梁上。随后，飞机被逐步强化，直到达到118%。部分原因在于，机身重量格外轻而强度特别高，从而使这架飞机性能出众。

大致说来，这是达尔文式的方法，大自然似乎就是依靠这种方法发展其自身结构的，虽然相较于大多数文明开化的人类工程师，它好像没那么匆忙，也不太在意生命的价值。在很大程度上，这也是汽车及其他便宜的量产商品的制造商采用的方法。这些人倾向于故意把商品制造得太弱而不堪其用，并依靠顾客的投诉来发现显著缺陷。

因此，设计中大量预测强度的要素可被归结为一种游戏，我们则设法在其中找出负载系统上最薄弱的环节。结构越复杂，它就变得越困难和越不可靠。幸运的是，从家具、建筑物到飞机，许多结构的设计之所以没有沦为完全荒谬的工序，依靠的事实就是刚度要求可能比强度要求更严格。因此，如果结构的刚度足以满足要求，那么它极可能也具备足够的强度。因为结构的挠度变形取决于它的整体性质，而不是“最薄弱环节”的存在，所以刚度预测的实现要比强度预测容易得多，也可靠得多。这就是我们在谈论“凭眼睛”设计一个东西时真正表达的意思。