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管道罐体锅炉的内在流变:事故的本质机制 精选

已有 4141 次阅读 2015-4-12 12:01 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

      管道、罐体、锅炉是生活和工业上应用非常广泛的结构件。在高温、高压的工作条件下,一旦发生事故,其影响是很大的。为了安全,各国都制定了各式各样的标准。把安全系数加到足够大。

      由于设计的安全系数很大,因此,一般性的违反规程并不会产生直接的、实时性的事故。这个经验,无论是多么荒堂,被部分有经验的工作人员广泛的使用。压制这类违规操作是管理上的事,也就是所谓的安全管理。

      但是,解决问题的根本:管道、罐体、锅炉的疲劳断裂机制,也就是其流变机制,却少有拿得出手的、能解决问题的研究。理论研究的缺乏导制评价和探测手段的缺乏,而不得不在很大程度上依赖于经验。一般而言,学究式专家搞的研究结论的可靠程度不会高于有经验的工作人员的经验性结论!这就麻烦了!专家们的评价没有实质上的、被有经验的工作人员认可的权威性。这个问题最终反映为:安全管理管不到问题的实质上!责任追究不到实处!从而,在很大程度上,成为摆设性的。

      对于管道、罐体、锅炉的疲劳断裂机制,也就是其流变机制,学界到底研究到什么程度呢?基本上是靠模拟实验回答!也就是说,理论的东西没有令科技人员信服。

      这类理论研究的困难在那呢?学术理论上的不协调!管道、罐体、锅炉的疲劳断裂机制一般的是用工程力学(断裂力学)的理论来研究。其基本的运动方程有两类:静平衡方程,波动(震动)方程。前者的力学解与时间参数无关,从而不提供疲劳断裂解;后者给出的是波动、或震动解,好象是能够提供疲劳断裂解,但是,近百年下来,失望!

      问题出在那呢?几乎所有做疲劳断裂机制的力学家都知道,问题的实质在于现在用的力学基本方程只不过是低级近似!因此,引入各类新的力学机制到方程中就是普遍性的研究办法,这也是非线性力学流行的大背景之一。

      科学发展的实践表明:没有深层次的内在理论作为指导,在满足某类条件方程的同时,很可能就使得另一类条件方程违反了物理基本规律。这是很难在表观方程层次发现的。在工程力学中,很早就发现了:1. 应变的位移定义有可能产生问题,从而要引入位移协调性条件来限制力学理论基本方程容许的位移场。2. 应力的引入也需要满足相应的应力协调方程,否则也有问题。3. 边界条件(及初始条件)的引入也有限定,过多的引入也会产生问题,而过少的引入则不足于定解。4. 初边值的误差,或方程中近似项的看来合理的取舍,也有可能引起不可意料的失稳。

      因此,我们就陷入了一个陷阱:使用的经典工程力学理论给出了工程上满意的结果(在一阶近似意义上),因此理论被看成是精确的、不可挑战的!同样是使用经典工程力学理论,却没有得到满意的结果。从而,不得不修改理论,但是,又无从下手,只好依赖于直觉或经验而盲动一气,从而又招致源于经典工程力学理论或其它物理理论的否定。

      表面上看,管道、罐体、锅炉的疲劳断裂机制是简单问题,现有理论完全能够解决!这是很多很多学者的自信。但是,如果要在一般科学理论意义下解决,只能引入新的力学理论,把一阶近似意义上的力学推进到高阶近似。这点上几乎学界的看法是一致的。但是,在检验新的理论时,人们又把(特例下的)经典工程力学理论作为绝对的检验标准,从而又否定此类努力。

      这个矛盾在上个世纪里循环出现。事实上,这是一种过度的理论自信造成的,就是对经典力学理论基本概念内在协调性研究忽视的结果。而要想解决基本概念内在协调性就必须使用更深层次的基础科学理论。

      从而,结论就是:管道、罐体、锅炉的疲劳断裂机制的解决依赖于基础力学理论的研究进展和对基础力学理论的工程应用研究。

      但是,很遗憾,国际上也好国内也好,无论是学界的多数,还是科研资助部门的多数,往往是把问题看得简单直接。他们习惯性得认为,管道、罐体、锅炉的疲劳断裂机制是简单问题,只要现有理论应用得当(如搞多学科交叉)就能解决。与基础科学理论研究不沾边!

      排斥基础科学理论研究,而又迫切的希望解决工程看来简单的问题(实质上需要很深层次的理论才能解决)是普遍性的。

      我认为,此类现象在各学科是有普遍性的。

 




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