如何解决结构中裂缝和应力集中问题

不智者不思虑之，愚顽者不了然之。

——《圣经·旧约全书·诗篇》（Psalm 92）

上一章我们说到，19世纪的数学家取得的一项重大成就是，找到一种相当普适、一般化或学术化的方法，来计算大部分材料中的应力分布与大小。然而，在很多一线工程师接受这种计算方法后没多久，英格利斯就在他们心中播下了怀疑的种子。借助弹性研究者的代数化方法，他指出，在看似安全的材料中，即便存在微小的意外缺陷或不规则，也能导致局部应力的增长，一旦超过材料所能承受的断裂应力，就会导致材料断裂。

事实上，用英格利斯公式很容易算出，若用稍硬的普通尖钉去划福斯铁路桥的主梁，造成的应力集中足以导致这座桥断裂并坠入海中。但实际上，桥梁被钉子划后很少坍塌，而且所有像机械、船舶和飞机这样的实用结构，都不乏孔洞、裂缝和沟槽导致的应力集中，而它们在现实生活中很少发生危险。实际上，这些缺陷通常是完全无害的。只是，这些结构一旦发生断裂，就是非常严重的事故。

大约五六十年前，当工程师开始理解英格利斯公式的含义时，他们倾向于援引惯用的金属“延展性”来解决整个难题。大部分可延展金属的应力-应变曲线类似于图5-9所示，通俗地讲，在应力作用下金属裂缝尖端的流动方式与塑料类似，可缓解自身需承受的严重超量的应力。因此，裂缝尖端可被“四舍五入”，应力集中因此减少，而安全性得以恢复。(www.xing528.com)

就像许多冠冕堂皇的解释一样，这种解释至少是部分正确的，尽管在现实中它远非故事的全部。在很多情境中，金属的延展性无法完全消除应力集中，局部应力远高于被普遍接受的材料的“断裂应力”，后者来自实验室中的小型样品，且被收录在印制的表格和工具书里。

然而多年来，令人尴尬的猜测并不受欢迎，它可能会打击人们对材料强度现有计算方法的信心。当我还是个学生时，英格利斯的名字几乎无人提及，满是客套话的工程领域也极少聊到这些疑虑和困难。说实话，这种态度也有其道理，因为既然有了审慎选择的安全系数，大部分常见金属结构的强度就都可以用传统办法估计，虽然它无形中忽略了应力集中。事实上，这种方法也是今天几乎所有政府和保险公司的强制性安全规章的基础。

但是，即使在最出色的工程领域，丑闻也时有发生。例如，1928年竣工的排水量56551吨的英国白星航运公司的雄伟号邮轮是当时世界上最大、最豪华的轮船，配备了专门的旅客电梯。在安装电梯的过程中，带尖锐边角的矩形孔穿透了船的几层强力甲板。当船行驶至纽约和南安普顿之间的某处时（当时船上载有近3000人），一条裂缝从一部电梯的开口处延伸到栏杆处，又顺着船舷向下延伸了数英尺（1英尺≈0.3米），连接上一个孔道。这艘邮轮最终安全抵达南安普顿，无论乘客还是媒体都对此毫不知情。巧合的是，同样的事情几乎同时间也发生在世界第二大轮船——美国跨大西洋邮轮利维坦号——上。再一次，轮船安全抵港，而公众却被蒙在鼓里。如果裂缝延伸得再远一些，导致船在海上断成两截，那么人员伤亡可能会非常严重。

对船舶、桥梁和石油钻台等大型结构而言，这类惊人的事故的确只在“二战”以后才变得普遍，近年来它们越发频繁，而非越发罕见。多年来令人痛苦的悲剧——生命和财产损失巨大——频发，虽然胡克、托马斯·杨、纳维叶以及很多19世纪的数学家阐明的传统弹性理论非常有用且不应被忽视或唾弃，但其本身还不足以精确预测结构的失效，尤其是对大型结构而言。