飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限分析

1、1第第3 3章章 飛機(jī)強(qiáng)度計(jì)算方法飛機(jī)強(qiáng)度計(jì)算方法飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限分析21基本概念基本概念 損傷容限損傷容限指在規(guī)定的未經(jīng)維修的使用階段內(nèi)，結(jié)構(gòu)抵指在規(guī)定的未經(jīng)維修的使用階段內(nèi)，結(jié)構(gòu)抵抗由于存在瑕疵、裂紋或損傷導(dǎo)致破壞的能力。抗由于存在瑕疵、裂紋或損傷導(dǎo)致破壞的能力。 損傷容限損傷容限承認(rèn)結(jié)構(gòu)在使用前就帶有初始缺陷，在使用承認(rèn)結(jié)構(gòu)在使用前就帶有初始缺陷，在使用中不可避免受到外來(lái)物的損傷，但必須把這些缺陷和損傷中不可避免受到外來(lái)物的損傷，但必須把這些缺陷和損傷在規(guī)定的未修使用期內(nèi)的增長(zhǎng)控制在一定的范圍內(nèi)，使得在規(guī)定的未修使用期內(nèi)的增長(zhǎng)控制在一定的范圍內(nèi)，使得裂紋不發(fā)生不穩(wěn)定（

2、裂紋不發(fā)生不穩(wěn)定（ 快速）擴(kuò)展，并在此期間，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)快速）擴(kuò)展，并在此期間，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)定的剩余強(qiáng)度要求，以滿(mǎn)足飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠足規(guī)定的剩余強(qiáng)度要求，以滿(mǎn)足飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。性。3臨界值臨界值可檢測(cè)可檢測(cè)性增加性增加裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展可檢門(mén)檻值可檢門(mén)檻值裂紋檢測(cè)周期裂紋檢測(cè)周期飛行次數(shù)飛行次數(shù)裂紋長(zhǎng)度裂紋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)極限設(shè)計(jì)極限剩余強(qiáng)剩余強(qiáng)度降低度降低剩余強(qiáng)度剩余強(qiáng)度破損安全破損安全飛行次數(shù)飛行次數(shù)應(yīng)力應(yīng)力待修理結(jié)構(gòu)待修理結(jié)構(gòu)1基本概念基本概念41基本概念基本概念剩余強(qiáng)度剩余強(qiáng)度：把含裂紋結(jié)構(gòu)的承載能力稱(chēng)為該結(jié)構(gòu)的：把含裂紋結(jié)構(gòu)的承載能力稱(chēng)為該結(jié)構(gòu)的“剩余剩余強(qiáng)度強(qiáng)度”。很明顯，剩余強(qiáng)

3、度隨著裂紋尺寸的增加而降低。很明顯，剩余強(qiáng)度隨著裂紋尺寸的增加而降低。裂紋擴(kuò)展壽命裂紋擴(kuò)展壽命：在設(shè)計(jì)應(yīng)力譜作用下由初始裂紋：在設(shè)計(jì)應(yīng)力譜作用下由初始裂紋a0擴(kuò)展擴(kuò)展到臨界裂紋到臨界裂紋acr時(shí)所達(dá)到的壽命。時(shí)所達(dá)到的壽命。初姑缺陷初姑缺陷：假定裝配后飛機(jī)結(jié)構(gòu)預(yù)存的缺陷尺寸，它剛：假定裝配后飛機(jī)結(jié)構(gòu)預(yù)存的缺陷尺寸，它剛小于無(wú)損檢測(cè)的最大不可檢缺陷尺寸。它的大小和特征小于無(wú)損檢測(cè)的最大不可檢缺陷尺寸。它的大小和特征受無(wú)損檢測(cè)能力制約，無(wú)損檢測(cè)能力提高了，初始缺陷受無(wú)損檢測(cè)能力制約，無(wú)損檢測(cè)能力提高了，初始缺陷尺寸尺寸a0就可定得小些。就可定得小些。檢查間隔檢查間隔：確保安全并由可檢查度類(lèi)別確定的

4、兩次之間：確保安全并由可檢查度類(lèi)別確定的兩次之間的期限。的期限。51基本概念基本概念應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出：應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出：損傷容限設(shè)計(jì)概念的引入，并不意味著損傷容限設(shè)計(jì)概念的引入，并不意味著對(duì)工藝質(zhì)量要求降低，對(duì)缺陷和裂紋等對(duì)工藝質(zhì)量要求降低，對(duì)缺陷和裂紋等不加注意。損傷容限設(shè)計(jì)是要求采取措不加注意。損傷容限設(shè)計(jì)是要求采取措施以保證含有一定損傷的結(jié)構(gòu)在使用中施以保證含有一定損傷的結(jié)構(gòu)在使用中的安全性。這些措施是徹底地、定期地的安全性。這些措施是徹底地、定期地對(duì)裂紋檢查。而為了保證裂紋不會(huì)擴(kuò)展對(duì)裂紋檢查。而為了保證裂紋不會(huì)擴(kuò)展到臨界尺寸，首先要保證初始缺陷不會(huì)到臨界尺寸，首先要保證初始缺陷不會(huì)超過(guò)某一最大

5、尺寸，這種檢驗(yàn)要在飛機(jī)超過(guò)某一最大尺寸，這種檢驗(yàn)要在飛機(jī)投入使用之前進(jìn)行。投入使用之前進(jìn)行。6 飛機(jī)在使用期間或制造初期允許出現(xiàn)裂紋（飛機(jī)在使用期間或制造初期允許出現(xiàn)裂紋（損傷損傷）, ,甚至允甚至允許主要受力構(gòu)件發(fā)生裂紋（許主要受力構(gòu)件發(fā)生裂紋（并無(wú)危及結(jié)構(gòu)安全并無(wú)危及結(jié)構(gòu)安全）。利用斷裂力）。利用斷裂力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果, ,設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)裂紋在一定限度內(nèi)（設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)裂紋在一定限度內(nèi)（損傷容損傷容限設(shè)計(jì)限設(shè)計(jì)）, ,保證結(jié)構(gòu)有足夠的剩余強(qiáng)度、剛度（能繼續(xù)承載）保證結(jié)構(gòu)有足夠的剩余強(qiáng)度、剛度（能繼續(xù)承載）, , 利用定期的檢測(cè)、維修保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用的安全可靠利用定期的檢測(cè)、維修

6、保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用的安全可靠, ,而不致而不致發(fā)生災(zāi)難事故。發(fā)生災(zāi)難事故。 把握好含裂結(jié)構(gòu)的裂紋的基本特性把握好含裂結(jié)構(gòu)的裂紋的基本特性斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)1基本概念基本概念72斷裂力學(xué)基礎(chǔ)斷裂力學(xué)基礎(chǔ) 斷裂力學(xué)概念斷裂力學(xué)概念 以含裂體的特征參數(shù)以含裂體的特征參數(shù)( (幾何、載荷幾何、載荷) )表征其內(nèi)力、形變規(guī)律，表征其內(nèi)力、形變規(guī)律，研究含裂體剩余強(qiáng)度規(guī)律及破壞準(zhǔn)則研究含裂體剩余強(qiáng)度規(guī)律及破壞準(zhǔn)則, , 包括交變載荷作用下包括交變載荷作用下的裂紋演變規(guī)律及壽命估算分析等。的裂紋演變規(guī)律及壽命估算分析等。 8按裂紋的幾何特征分類(lèi)按裂紋的幾何特征分類(lèi)裂紋裂紋9按裂紋的力學(xué)特征分類(lèi)按裂紋的力學(xué)特征分

7、類(lèi)1 1型型( (張開(kāi)型張開(kāi)型): ): 承受與裂紋面垂直的正應(yīng)力承受與裂紋面垂直的正應(yīng)力 ， 裂紋面位移沿裂紋面位移沿y y方向，裂紋張開(kāi)。方向，裂紋張開(kāi)。2 2型型( (滑開(kāi)型滑開(kāi)型): ): 承受承受xyxy平面內(nèi)的剪應(yīng)力平面內(nèi)的剪應(yīng)力 ， 裂紋面位移沿裂紋面位移沿x x方向，裂紋面沿方向，裂紋面沿x x方向滑開(kāi)。方向滑開(kāi)。3 3型型( (撕開(kāi)型撕開(kāi)型): ): 承受是在承受是在yzyz平面內(nèi)的剪應(yīng)力平面內(nèi)的剪應(yīng)力 ， 裂紋面位移沿裂紋面位移沿z z方向，裂紋沿方向，裂紋沿 z z方向撕開(kāi)。方向撕開(kāi)。裂紋裂紋10幾何特征：一個(gè)方向的尺寸比另兩個(gè)方向的尺寸小得多，例幾何特征：一個(gè)方向的尺寸

8、比另兩個(gè)方向的尺寸小得多，例 如等厚度平面薄板。如等厚度平面薄板。受力特征：外力和約束，僅平行于板面作用，沿受力特征：外力和約束，僅平行于板面作用，沿z方向不變化。方向不變化。應(yīng)力特征：平面應(yīng)力問(wèn)題只有三個(gè)應(yīng)力分量，僅為應(yīng)力特征：平面應(yīng)力問(wèn)題只有三個(gè)應(yīng)力分量，僅為x、y的函的函 數(shù)，與數(shù)，與z無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。( , )xxx y( , )yyx y( , )xyyxxyx y平面應(yīng)力平面應(yīng)力11 幾何特征：一個(gè)方向的尺寸比另兩個(gè)方向的尺寸大得多，且?guī)缀翁卣鳎阂粋€(gè)方向的尺寸比另兩個(gè)方向的尺寸大得多，且 沿長(zhǎng)度方向幾何形狀和尺寸不變化。沿長(zhǎng)度方向幾何形狀和尺寸不變化。 受力特征：外力和約束平行于橫截面

9、作用，沿長(zhǎng)度受力特征：外力和約束平行于橫截面作用，沿長(zhǎng)度z方向不變方向不變 化?；?。 應(yīng)變特征：如圖選取坐標(biāo)系，以任一橫截面為應(yīng)變特征：如圖選取坐標(biāo)系，以任一橫截面為xy面，任一縱面，任一縱 線(xiàn)為線(xiàn)為z軸，則任一橫截面均可視為對(duì)稱(chēng)面。平面應(yīng)軸，則任一橫截面均可視為對(duì)稱(chēng)面。平面應(yīng) 變問(wèn)題只有三個(gè)應(yīng)變分量，僅為變問(wèn)題只有三個(gè)應(yīng)變分量，僅為x、y的函數(shù)，與的函數(shù)，與 z無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。( , )xxx y( , )yyx y( , )xyyxxyx y平面應(yīng)變平面應(yīng)變12線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)基礎(chǔ)線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)基礎(chǔ) 無(wú)窮大板中心一橢圓無(wú)窮大板中心一橢圓 (a, b)孔邊的應(yīng)力集中孔邊的應(yīng)力集中 1tKrtbaK

10、或或，時(shí)，tKba10應(yīng)力集中增大應(yīng)力集中增大 ba，0變成裂紋變成裂紋tK1. 1.裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子131. 1.裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子3cos1 sinsin22223cos1 sinsin22223sincossin2222xyxyKrKrKr19571957年年 ( ( IRWIN )IRWIN ) 2ijijKfrKa 注意這里的注意這里的 是遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力。是遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力。為應(yīng)力強(qiáng)度因子。為應(yīng)力強(qiáng)度因子。14122(1)321 coscos4222IKrukE 122(1)321 sinsin4222I

11、KrvkE ()xywdzE 0w平面應(yīng)變平面應(yīng)變平面應(yīng)力平面應(yīng)力3431k平面應(yīng)變平面應(yīng)變平面應(yīng)力平面應(yīng)力1. 1.裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子15裂端正前方：裂端正前方： 裂紋表面：裂紋表面： 0,22, 0 xyIyIxrKrK，0, 00,xyyx， ( )( )2IIIijijKfr ( )( )IIiIiruKg裂紋尖端附近的應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)，可以簡(jiǎn)寫(xiě)成如下形式裂紋尖端附近的應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)，可以簡(jiǎn)寫(xiě)成如下形式1. 1.裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子16 ( )( )2IIIijijKfr應(yīng)力場(chǎng)公式的特點(diǎn)：應(yīng)力場(chǎng)公式的特

12、點(diǎn)：1）在裂紋尖端，即）在裂紋尖端，即r0處，應(yīng)力趨于無(wú)窮大，應(yīng)力在裂紋尖端處，應(yīng)力趨于無(wú)窮大，應(yīng)力在裂紋尖端出現(xiàn)奇異性。出現(xiàn)奇異性。2）應(yīng)力強(qiáng)度因子）應(yīng)力強(qiáng)度因子KI在裂紋尖端是有限量。在裂紋尖端是有限量。3）裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力分布是）裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力分布是r和和的函數(shù)，與無(wú)窮遠(yuǎn)處的的函數(shù)，與無(wú)窮遠(yuǎn)處的應(yīng)力和裂紋長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。應(yīng)力和裂紋長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。1. 1.裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子可以看出，用應(yīng)力作為參量來(lái)建立如傳統(tǒng)的強(qiáng)度條件失去了意可以看出，用應(yīng)力作為參量來(lái)建立如傳統(tǒng)的強(qiáng)度條件失去了意義。但應(yīng)力強(qiáng)度因子是有限量，它不代表某一點(diǎn)的應(yīng)力，而是義。但應(yīng)

13、力強(qiáng)度因子是有限量，它不代表某一點(diǎn)的應(yīng)力，而是表征裂端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的參量。所以表征裂端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的參量。所以K K可作為參量建立破壞可作為參量建立破壞條件是恰當(dāng)?shù)摹?qiáng)調(diào)：因條件是恰當(dāng)?shù)?。?qiáng)調(diào)：因K K由線(xiàn)彈性理論推出，所以一般只適由線(xiàn)彈性理論推出，所以一般只適用于線(xiàn)彈性材料的斷裂。由此建立起來(lái)的理論稱(chēng)為線(xiàn)彈性斷裂用于線(xiàn)彈性材料的斷裂。由此建立起來(lái)的理論稱(chēng)為線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)。力學(xué)。17應(yīng)力強(qiáng)度因子可定義如下應(yīng)力強(qiáng)度因子可定義如下000000lim2lim2lim2yrxyrxzrKrKrKr 一般可通過(guò)解析法、數(shù)值法或疊加法，典型的應(yīng)力強(qiáng)一般可通過(guò)解析法、數(shù)值法或疊加法，典型的應(yīng)力強(qiáng)度因子可

14、以從手冊(cè)中查到。度因子可以從手冊(cè)中查到。1. 1.裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子181. 1.裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子例如，對(duì)于無(wú)限大板的例如，對(duì)于無(wú)限大板的對(duì)于有限尺寸的平板，則應(yīng)進(jìn)行修正，即對(duì)于有限尺寸的平板，則應(yīng)進(jìn)行修正，即Ka()aKaW Ka 稱(chēng)為修正系數(shù)，或稱(chēng)為修正系數(shù)，或形狀因子形狀因子（函數(shù)），其它文獻(xiàn)用（函數(shù)），其它文獻(xiàn)用Y或或F表示。表示。231( )(1.770.277.05102.7) 0.7ab2bW192. 2.斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則 由前文分析可知：不管載荷類(lèi)型、大小、方向和分

15、布情由前文分析可知：不管載荷類(lèi)型、大小、方向和分布情況如何，也不管裂紋構(gòu)件的幾何形狀和裂紋位置、長(zhǎng)短與形況如何，也不管裂紋構(gòu)件的幾何形狀和裂紋位置、長(zhǎng)短與形狀如何，只要是同一類(lèi)型的裂紋，則裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力和狀如何，只要是同一類(lèi)型的裂紋，則裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力和位移場(chǎng)的結(jié)構(gòu)就完全相同。載荷情況反映在應(yīng)力強(qiáng)度因子的位移場(chǎng)的結(jié)構(gòu)就完全相同。載荷情況反映在應(yīng)力強(qiáng)度因子的大小上，帶裂紋構(gòu)件的幾何形狀以及裂紋的位置、長(zhǎng)度、形大小上，帶裂紋構(gòu)件的幾何形狀以及裂紋的位置、長(zhǎng)度、形狀等也反映在應(yīng)力強(qiáng)度因子上。如果兩個(gè)構(gòu)件的裂紋均屬于狀等也反映在應(yīng)力強(qiáng)度因子上。如果兩個(gè)構(gòu)件的裂紋均屬于I I型裂紋，而且應(yīng)力強(qiáng)度因

16、子的數(shù)值相等，則裂紋尖端區(qū)域型裂紋，而且應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值相等，則裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力和位移場(chǎng)就相同了。綜上分析，我們可以想象到裂紋的應(yīng)力和位移場(chǎng)就相同了。綜上分析，我們可以想象到裂紋是否擴(kuò)展與裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度有關(guān)的，也就是是否擴(kuò)展與裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度有關(guān)的，也就是與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子大小有關(guān)。與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子大小有關(guān)。試驗(yàn)表明，對(duì)于一定厚試驗(yàn)表明，對(duì)于一定厚度的平板，不論外加載荷、板件的幾何形狀和尺寸以及裂紋度的平板，不論外加載荷、板件的幾何形狀和尺寸以及裂紋的情況如何，只要應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，裂紋就失的情況如何，只要應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，裂紋就失穩(wěn)

17、擴(kuò)展，從而引起構(gòu)件斷裂。穩(wěn)擴(kuò)展，從而引起構(gòu)件斷裂。202. 2.斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則 使裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子值，稱(chēng)為材料的斷使裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子值，稱(chēng)為材料的斷裂韌性（或斷裂韌度），用裂韌性（或斷裂韌度），用Kc表示。表示。斷裂韌度代表含裂紋構(gòu)斷裂韌度代表含裂紋構(gòu)件抵抗斷裂破壞的能力。件抵抗斷裂破壞的能力。BKIC平面應(yīng)平面應(yīng)變狀態(tài)變狀態(tài)KC 實(shí)驗(yàn)表明，材料斷裂韌實(shí)驗(yàn)表明，材料斷裂韌度隨試件厚度度隨試件厚度B的增加而下降。的增加而下降。這時(shí)因?yàn)楸“宓牧鸭y尖端處這時(shí)因?yàn)楸“宓牧鸭y尖端處于平面應(yīng)力狀態(tài)，裂紋不易于平面應(yīng)力狀態(tài)，裂紋不易擴(kuò)展，其斷裂韌度較高；隨擴(kuò)

18、展，其斷裂韌度較高；隨著板厚度的增加，裂紋尖端著板厚度的增加，裂紋尖端處于平面應(yīng)變狀態(tài)的部分增處于平面應(yīng)變狀態(tài)的部分增加，裂紋較易擴(kuò)展，其斷裂加，裂紋較易擴(kuò)展，其斷裂韌度降低。當(dāng)板厚度增加到韌度降低。當(dāng)板厚度增加到一定值以后，斷裂韌度降到一定值以后，斷裂韌度降到最低值，稱(chēng)為平面應(yīng)變斷裂最低值，稱(chēng)為平面應(yīng)變斷裂韌度，用韌度，用KIC表示。表示。 綜上，綜上，I型裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展型裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的判據(jù)為的判據(jù)為,ICIICKKKK212. 2.斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則 強(qiáng)調(diào)強(qiáng)調(diào)：雖然斷裂韌度：雖然斷裂韌度KIC是應(yīng)力強(qiáng)度因子是應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的臨界值，的臨界值，兩者存在密切的關(guān)系，但物理意義

19、完全不同。兩者存在密切的關(guān)系，但物理意義完全不同。KI是裂紋尖是裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度的度量，與載荷、構(gòu)件幾何及裂紋情況端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度的度量，與載荷、構(gòu)件幾何及裂紋情況有關(guān)；而斷裂韌度有關(guān)；而斷裂韌度KIC卻是材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度卻是材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，只和材料的成分、熱處理狀態(tài)及加工工藝有關(guān)，它是量，只和材料的成分、熱處理狀態(tài)及加工工藝有關(guān)，它是一個(gè)材料常數(shù)。一個(gè)材料常數(shù)。 我們知道，只有當(dāng)構(gòu)件足夠厚，裂紋尖端區(qū)域處于平我們知道，只有當(dāng)構(gòu)件足夠厚，裂紋尖端區(qū)域處于平面應(yīng)變狀態(tài)，材料的斷裂韌度才是一個(gè)與厚度無(wú)關(guān)的常數(shù)，面應(yīng)變狀態(tài)，材料的斷裂韌度才是一個(gè)與厚度無(wú)關(guān)的常數(shù)，即

20、平面應(yīng)變的斷裂韌度即平面應(yīng)變的斷裂韌度KIC，為了使裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸，為了使裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)小于構(gòu)件和裂紋尺寸，構(gòu)件的韌帶寬度遠(yuǎn)小于構(gòu)件和裂紋尺寸，構(gòu)件的韌帶寬度W-a（W是構(gòu)件是構(gòu)件的寬度）和裂紋尺寸均應(yīng)足夠大。實(shí)驗(yàn)表明，構(gòu)件厚度、的寬度）和裂紋尺寸均應(yīng)足夠大。實(shí)驗(yàn)表明，構(gòu)件厚度、裂紋尺寸和韌帶寬度之值均應(yīng)滿(mǎn)足下式裂紋尺寸和韌帶寬度之值均應(yīng)滿(mǎn)足下式22.5ICysKBaWa、 、222. 2.斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則 以上討論的均為以上討論的均為I型裂紋，對(duì)于型裂紋，對(duì)于II裂紋的斷裂判據(jù)是否裂紋的斷裂判據(jù)是否也為也為 ，尚缺乏充分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的證實(shí)，因而沒(méi)有被，尚缺乏充分

21、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的證實(shí)，因而沒(méi)有被人們普遍接受。人們普遍接受。 對(duì)于對(duì)于III型裂紋，其斷裂判據(jù)也為型裂紋，其斷裂判據(jù)也為IIIICKKIIIIIICKK 至于復(fù)合型裂紋斷裂判據(jù)，可參見(jiàn)相關(guān)書(shū)籍，這里只至于復(fù)合型裂紋斷裂判據(jù)，可參見(jiàn)相關(guān)書(shū)籍，這里只給出工程斷裂判據(jù)，如下給出工程斷裂判據(jù)，如下I-II型型I-III型型I-II-III型型IIIICKKK2211 2IIIIICICKKKK2211 2IIIIIIICICKKKKK23IICKaK 2. 2.斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則斷裂韌度和斷裂準(zhǔn)則ICCKa 21ICCKa臨界應(yīng)力或臨界應(yīng)力或剩余強(qiáng)度剩余強(qiáng)度臨界（容限）臨界（容限）裂紋尺寸裂紋尺寸,ICII

22、CKKKK適用于脆性斷裂和小范圍屈服適用于脆性斷裂和小范圍屈服情況（需要修正）！實(shí)驗(yàn)證實(shí)，情況（需要修正）！實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該判據(jù)對(duì)相對(duì)脆的材料或截面該判據(jù)對(duì)相對(duì)脆的材料或截面面積相當(dāng)大的構(gòu)件是合適的，面積相當(dāng)大的構(gòu)件是合適的，許多許多高強(qiáng)剛、硬鋁和高強(qiáng)度鋁高強(qiáng)剛、硬鋁和高強(qiáng)度鋁合金合金制成的構(gòu)件。制成的構(gòu)件。243. 3.裂紋尖端塑性區(qū)裂紋尖端塑性區(qū) 前面曾提到，根據(jù)彈性解，在裂紋尖端處應(yīng)力趨于無(wú)前面曾提到，根據(jù)彈性解，在裂紋尖端處應(yīng)力趨于無(wú)窮大，而實(shí)際上這是不可能的。事實(shí)上，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服窮大，而實(shí)際上這是不可能的。事實(shí)上，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力時(shí)，必然在裂紋尖端鄰近區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，從而使應(yīng)力時(shí)，

23、必然在裂紋尖端鄰近區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，從而使裂紋尖端區(qū)的應(yīng)力松弛，不可能達(dá)到無(wú)限大。應(yīng)該說(shuō)，材裂紋尖端區(qū)的應(yīng)力松弛，不可能達(dá)到無(wú)限大。應(yīng)該說(shuō)，材料一旦屈服，就不遵從彈性規(guī)律，故線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)不適料一旦屈服，就不遵從彈性規(guī)律，故線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)不適用于屈服區(qū)。但如果屈服區(qū)很小用于屈服區(qū)。但如果屈服區(qū)很小( (高強(qiáng)度、低中韌性材料高強(qiáng)度、低中韌性材料即如此即如此) )則其周?chē)膹V大區(qū)域仍是彈性區(qū)，經(jīng)過(guò)必要的修則其周?chē)膹V大區(qū)域仍是彈性區(qū)，經(jīng)過(guò)必要的修正后，線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)分析仍然有效。正后，線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)分析仍然有效。 那么如何就塑性區(qū)影響進(jìn)行修正呢？那么如何就塑性區(qū)影響進(jìn)行修正呢？253. 3.裂紋尖

24、端塑性區(qū)裂紋尖端塑性區(qū) 裂紋尖端鄰近塑性區(qū)的存在，自然要引起周?chē)鷱椥詰?yīng)力裂紋尖端鄰近塑性區(qū)的存在，自然要引起周?chē)鷱椥詰?yīng)力分布的改變。在工程應(yīng)用中，常引進(jìn)一個(gè)被視為圓形區(qū)域的分布的改變。在工程應(yīng)用中，常引進(jìn)一個(gè)被視為圓形區(qū)域的塑性范圍。歐文為了避免彈塑性分析，建議塑性范圍。歐文為了避免彈塑性分析，建議將包含塑性區(qū)范將包含塑性區(qū)范圍在內(nèi)的有效半裂紋長(zhǎng)度圍在內(nèi)的有效半裂紋長(zhǎng)度a+Ry作為假想裂紋，仍采用線(xiàn)彈性作為假想裂紋，仍采用線(xiàn)彈性分析，并認(rèn)為分析，并認(rèn)為這一塑性修正對(duì)應(yīng)力場(chǎng)而言是等效的這一塑性修正對(duì)應(yīng)力場(chǎng)而言是等效的。這種修這種修正說(shuō)明，塑性區(qū)的存在相當(dāng)于裂紋長(zhǎng)度的增加。正說(shuō)明，塑性區(qū)的存在相當(dāng)

25、于裂紋長(zhǎng)度的增加。 Rya+Ryax彈性解彈性解yys等效模型等效模型263. 3.裂紋尖端塑性區(qū)裂紋尖端塑性區(qū)Rya+Ryax彈性解彈性解yys屈服范圍對(duì)于面應(yīng)力狀態(tài)和平面應(yīng)變狀態(tài)屈服范圍對(duì)于面應(yīng)力狀態(tài)和平面應(yīng)變狀態(tài)( (由由MisesMises屈服屈服準(zhǔn)則求得準(zhǔn)則求得) )是不同的，歐文建議近似取為下式是不同的，歐文建議近似取為下式2222121,64 2IysyIyssKRKK平面應(yīng)平面應(yīng)力狀態(tài)力狀態(tài)平面應(yīng)平面應(yīng)變狀態(tài)變狀態(tài)這是因?yàn)?，在平面?yīng)變狀這是因?yàn)?，在平面?yīng)變狀態(tài)下，沿厚度方向約束所態(tài)下，沿厚度方向約束所產(chǎn)生的是拉應(yīng)力產(chǎn)生的是拉應(yīng)力, ,在三向在三向拉應(yīng)力下材料不易屈服而拉應(yīng)力下材

26、料不易屈服而變脆。變脆。312() 273. 3.裂紋尖端塑性區(qū)裂紋尖端塑性區(qū) 在求得在求得Ry后，即可計(jì)算等效裂紋長(zhǎng)度后，即可計(jì)算等效裂紋長(zhǎng)度aaRy，然后計(jì)算等，然后計(jì)算等效應(yīng)力強(qiáng)度因子效應(yīng)力強(qiáng)度因子KI ，用等效裂紋長(zhǎng)度代替原裂紋，有，用等效裂紋長(zhǎng)度代替原裂紋，有()IyKaR Rya+Ryax彈性解彈性解yys28Rya+Ryax彈性解彈性解yys()IyKaR 3. 3.裂紋尖端塑性區(qū)裂紋尖端塑性區(qū)2222121,64 2IysyIyssKRKK2212IysaK 2214 2IysaK 平面應(yīng)平面應(yīng)力狀態(tài)力狀態(tài)平面應(yīng)平面應(yīng)變狀態(tài)變狀態(tài)Ry是是KI的函數(shù)，而的函數(shù)，而KI是是Ry的的

27、函數(shù)，所以嚴(yán)格上要用迭函數(shù)，所以嚴(yán)格上要用迭代的方法求得。代的方法求得。歐文的塑性區(qū)模型只適用于小范圍屈服情況，對(duì)歐文的塑性區(qū)模型只適用于小范圍屈服情況，對(duì)大范圍屈服，即裂紋尺寸和塑性區(qū)尺寸是同一量大范圍屈服，即裂紋尺寸和塑性區(qū)尺寸是同一量級(jí)，應(yīng)采用彈塑性斷裂力學(xué)方法。級(jí)，應(yīng)采用彈塑性斷裂力學(xué)方法。29IICKaK ICCKa 21ICCKa臨界應(yīng)力或臨界應(yīng)力或剩余強(qiáng)度剩余強(qiáng)度臨界（容限）臨界（容限）裂紋尺寸裂紋尺寸算例算例2214 2IysaK 考慮形狀修正考慮形狀修正和塑性修正和塑性修正30算例算例1 板寬板寬W100mm，板厚度，板厚度B10mm，板中心具有穿透，板中心具有穿透裂紋，其長(zhǎng)

28、度裂紋，其長(zhǎng)度2a20mm。該板在遠(yuǎn)離裂紋處受拉應(yīng)力作用，。該板在遠(yuǎn)離裂紋處受拉應(yīng)力作用，696MPa，板的材料為，板的材料為30CrMnSiNi2A，其，其s1471MPa，KIC83.4MPa.m0.5，問(wèn)該板是否會(huì)發(fā)生斷裂？，問(wèn)該板是否會(huì)發(fā)生斷裂？231( )(1.770.2770.5102.7) 解：解：2min2.58.04ICsKBBmm1）判斷裂紋尖端處于平面應(yīng)變狀態(tài)的最小厚度）判斷裂紋尖端處于平面應(yīng)變狀態(tài)的最小厚度裂紋尖端處于裂紋尖端處于平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)2）應(yīng)力強(qiáng)度因子幾何修正）應(yīng)力強(qiáng)度因子幾何修正0.7ab2bW231101010(1.770.2770.510()2.

29、7() )5050501.0331算例算例13）應(yīng)力強(qiáng)度因子塑性修正）應(yīng)力強(qiáng)度因子塑性修正3221.03 69610 101.0217129.78814 2IICysaKMPa mK 2222111.02171.036961114714 24 2ys4）計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子）計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子因此，板將發(fā)生斷裂。因此，板將發(fā)生斷裂。32算例算例2確定上例中板的臨界應(yīng)力？確定上例中板的臨界應(yīng)力？解：解：456.94CMPa2283.414 2IICysaKK 33算例算例3某種合金鋼在不同回火溫度下，測(cè)得的性能如下：某種合金鋼在不同回火溫度下，測(cè)得的性能如下：1780,52sICMPa KMPam15

30、00,100sICMPa KMPam2750C回火時(shí)回火時(shí)6000C回火時(shí)回火時(shí)設(shè)應(yīng)力強(qiáng)度因子為設(shè)應(yīng)力強(qiáng)度因子為且工作應(yīng)力為且工作應(yīng)力為0.5s，求兩種回火下構(gòu)件的臨界裂紋尺寸？，求兩種回火下構(gòu)件的臨界裂紋尺寸？1.1IKa 解：解：IICKK21()1.1ICCKa2750C回火時(shí)回火時(shí)6000C回火時(shí)回火時(shí)0.9Camm4.66Camm從靜強(qiáng)度來(lái)看，從靜強(qiáng)度來(lái)看，2750C回火溫度的回火溫度的合金鋼優(yōu)于合金鋼優(yōu)于6000C回火穩(wěn)定的，但回火穩(wěn)定的，但從斷裂韌度來(lái)看，從斷裂韌度來(lái)看， 6000C回火溫回火溫度比度比2750C回火溫度的要好的多?；鼗饻囟鹊囊玫亩?。事實(shí)上，構(gòu)件中事實(shí)上，構(gòu)件中

31、0.9mm的裂紋是的裂紋是難以避免的，因此全面考慮應(yīng)選難以避免的，因此全面考慮應(yīng)選用用6000C回火溫度的合金鋼。回火溫度的合金鋼。34 6a=1某飛機(jī)構(gòu)件用某飛機(jī)構(gòu)件用30CrMnSiNi2A材料材料制作，板厚制作，板厚5mm, b=1667.19Mpa, S=1274.91 Mpa, 按傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度按傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，安全系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，安全系數(shù) f=1.5, 設(shè)設(shè)計(jì)過(guò)載計(jì)過(guò)載 n =8。經(jīng)長(zhǎng)期使用后，孔。經(jīng)長(zhǎng)期使用后，孔邊出現(xiàn)邊出現(xiàn)1mm深的裂紋，實(shí)測(cè)材料深的裂紋，實(shí)測(cè)材料的的 KI C = 55.82 Mpa.m0.5,問(wèn)構(gòu)件的問(wèn)構(gòu)件的承載能力還有多少？承載能力還有多少？ 算

32、例算例435 檢驗(yàn)平面應(yīng)變斷裂條件，即應(yīng)檢驗(yàn)平面應(yīng)變斷裂條件，即應(yīng) 22.5ICSKB255.822.51274.91B=5 =4.79 mm （滿(mǎn)足平面應(yīng)變條件滿(mǎn)足平面應(yīng)變條件） 由由K KI I = K = KICIC 計(jì)算剩余強(qiáng)度計(jì)算剩余強(qiáng)度 355.82502.981 101.98ICCKMPaa 按飛機(jī)過(guò)載概念，將上述剩余強(qiáng)度（應(yīng)力值）轉(zhuǎn)換成過(guò)載大小按飛機(jī)過(guò)載概念，將上述剩余強(qiáng)度（應(yīng)力值）轉(zhuǎn)換成過(guò)載大小 構(gòu)件的許用應(yīng)力構(gòu)件的許用應(yīng)力 為：為： =b b/ f =1667.19/1.5 = 1111.46 MPa 1 1個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)載的當(dāng)量應(yīng)力為：個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)載的當(dāng)量應(yīng)力為： 1111.461

33、38.98gnC 的過(guò)載當(dāng)量為的過(guò)載當(dāng)量為: : 502.983.6138.8CngIKa 解：解：查相應(yīng)資料得：查相應(yīng)資料得： = 1.98 = 1.98 算例算例4364. 4.能量釋放率能量釋放率G G 顯然，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中要消耗能量。如裂紋擴(kuò)展，裂紋顯然，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中要消耗能量。如裂紋擴(kuò)展，裂紋表面積就會(huì)增加，裂紋擴(kuò)展形成上、下兩個(gè)新表面，故裂表面積就會(huì)增加，裂紋擴(kuò)展形成上、下兩個(gè)新表面，故裂紋擴(kuò)展單位面積所需消耗的表面能為紋擴(kuò)展單位面積所需消耗的表面能為2。對(duì)于金屬材料，。對(duì)于金屬材料，裂紋擴(kuò)展前都要產(chǎn)生塑性變形，這就需要消耗更多的能量。裂紋擴(kuò)展前都要產(chǎn)生塑性變形，這就需要消耗更多

34、的能量。設(shè)裂紋擴(kuò)展單位面積塑性變形所消耗的能量為設(shè)裂紋擴(kuò)展單位面積塑性變形所消耗的能量為UP，則總起，則總起來(lái)，裂紋擴(kuò)展單位面積所需要消耗的能量用來(lái)，裂紋擴(kuò)展單位面積所需要消耗的能量用R表示，如下表示，如下2PRU R就是裂紋擴(kuò)展阻力。就是裂紋擴(kuò)展阻力。 要想使得裂紋擴(kuò)展，必須提供動(dòng)力，令要想使得裂紋擴(kuò)展，必須提供動(dòng)力，令GI為裂紋擴(kuò)展單為裂紋擴(kuò)展單位面積系統(tǒng)提供的動(dòng)力，顯然裂紋擴(kuò)展時(shí)必定位面積系統(tǒng)提供的動(dòng)力，顯然裂紋擴(kuò)展時(shí)必定GIR。374. 4.能量釋放率能量釋放率G G G稱(chēng)為的裂紋尖端的稱(chēng)為的裂紋尖端的“能量釋放率能量釋放率”，又稱(chēng)作裂紋驅(qū)動(dòng)力，又稱(chēng)作裂紋驅(qū)動(dòng)力，其量綱是裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)

35、度單位板厚的能量，也即是裂紋擴(kuò)其量綱是裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度單位板厚的能量，也即是裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度的力。展單位長(zhǎng)度的力。 在裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的在裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的G叫做臨界裂紋擴(kuò)展能量釋放率，叫做臨界裂紋擴(kuò)展能量釋放率，用用GIC 表示。表示。GIC越大，就表示裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展需要更大的能越大，就表示裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展需要更大的能量。在線(xiàn)性彈性斷裂力學(xué)中，能量釋放率量。在線(xiàn)性彈性斷裂力學(xué)中，能量釋放率GIC與與KIC之間存之間存在如下關(guān)系在如下關(guān)系221ICICICICKGEGKE平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)ICGG385. 5.平面應(yīng)力斷裂問(wèn)題平面應(yīng)力斷裂問(wèn)題 飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的大部分構(gòu)件為薄壁構(gòu)

36、件，這些薄壁結(jié)構(gòu)主飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的大部分構(gòu)件為薄壁構(gòu)件，這些薄壁結(jié)構(gòu)主要承受自身平面內(nèi)的載荷，其斷裂問(wèn)題屬于平面應(yīng)力斷裂問(wèn)要承受自身平面內(nèi)的載荷，其斷裂問(wèn)題屬于平面應(yīng)力斷裂問(wèn)題。題。 如果如果R 。失穩(wěn)條件是失穩(wěn)條件是GRGRaa注意：此時(shí)能量準(zhǔn)則注意：此時(shí)能量準(zhǔn)則GR只是一個(gè)必要條件而不是充分條件。只是一個(gè)必要條件而不是充分條件。436. 6.彈塑性斷裂問(wèn)題彈塑性斷裂問(wèn)題是否含裂體一定是完全由是否含裂體一定是完全由K K斷裂判據(jù)控制著破壞行為呢？不斷裂判據(jù)控制著破壞行為呢？不一定！問(wèn)題的關(guān)鍵還是取決于含裂體尖端的屈服范圍大小一定！問(wèn)題的關(guān)鍵還是取決于含裂體尖端的屈服范圍大小 。 當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)

37、已大到不能忽略時(shí)，采用線(xiàn)彈性斷裂當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)已大到不能忽略時(shí)，采用線(xiàn)彈性斷裂判據(jù)已經(jīng)不適合了，必須采用彈塑性斷裂力學(xué)方法。目前應(yīng)判據(jù)已經(jīng)不適合了，必須采用彈塑性斷裂力學(xué)方法。目前應(yīng)用較多理論主要有用較多理論主要有J積分理論和積分理論和COD理論。理論。44 靜態(tài)下斷裂判據(jù)解決了臨界載荷、剩余強(qiáng)度、損傷容靜態(tài)下斷裂判據(jù)解決了臨界載荷、剩余強(qiáng)度、損傷容限問(wèn)題限問(wèn)題, ,尚未解決結(jié)構(gòu)的使用壽命、裂紋擴(kuò)展規(guī)律和安全尚未解決結(jié)構(gòu)的使用壽命、裂紋擴(kuò)展規(guī)律和安全檢修方面的情況檢修方面的情況, ,這需要掌握：這需要掌握：I I） 含裂體承受的交變載荷歷程；含裂體承受的交變載荷歷程；IIII）交變載荷下的裂

38、紋擴(kuò)展規(guī)律；交變載荷下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律；IIIIII）壽命分析計(jì)算方法。壽命分析計(jì)算方法。7. 7.疲勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋擴(kuò)展壽命估算疲勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋擴(kuò)展壽命估算45K控制的試驗(yàn)規(guī)律控制的試驗(yàn)規(guī)律()ndaCKdNmaxminKKKParis 公式公式 ()(1)nCdaCKdNR KKForman 公式公式max(1)nmdaCR KdNWalker公式公式 實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明, , c, n 是有條件的材料常數(shù)是有條件的材料常數(shù) ( (與環(huán)境、溫度、循環(huán)比及等有關(guān)與環(huán)境、溫度、循環(huán)比及等有關(guān)) )。 門(mén)檻值門(mén)檻值thK0,dNdaKKthIIIIIIlgdadNlg KthK7. 7.疲

39、勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋擴(kuò)展壽命估算疲勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋擴(kuò)展壽命估算46dNda 影響影響 的各種因素的各種因素 頻率頻率 f dNda,材料有阻尼，頻率太高材料不能及時(shí)響應(yīng)；材料有阻尼，頻率太高材料不能及時(shí)響應(yīng)； 溫度溫度T dNda,裂尖原子獲得激活能形成空穴，速率加大；裂尖原子獲得激活能形成空穴，速率加大； 腐蝕腐蝕, , 金屬氧化、電子丟失（物質(zhì)傳輸）、氫脆。金屬氧化、電子丟失（物質(zhì)傳輸）、氫脆。 dNda 壽命估算分析壽命估算分析0(,)(, )caadadafKRNdNfK R復(fù)雜性：復(fù)雜性： 超載遲滯效應(yīng)：每次超載后，裂紋擴(kuò)展速率都會(huì)明顯下降；超載遲滯效應(yīng)：每次超載后，裂紋擴(kuò)展速率

40、都會(huì)明顯下降； da/dN 隨機(jī)性（隨機(jī)性（外在的載荷、環(huán)境隨機(jī)，內(nèi)在速率隨機(jī)）。外在的載荷、環(huán)境隨機(jī)，內(nèi)在速率隨機(jī)）。 公式應(yīng)用的準(zhǔn)確性及誤差等；公式應(yīng)用的準(zhǔn)確性及誤差等； 7. 7.疲勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋擴(kuò)展壽命估算疲勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋擴(kuò)展壽命估算47算例算例5 某壓力容器層板上有一長(zhǎng)度為某壓力容器層板上有一長(zhǎng)度為2a42mm的周向穿透型裂的周向穿透型裂紋，容器每次升壓和降壓時(shí)紋，容器每次升壓和降壓時(shí)100MPa。臨界裂紋尺寸。臨界裂紋尺寸ac225mm，裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式為，裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式為da/dN=210-10(KI)3mm/周。周。試估算該容器的裂紋擴(kuò)展壽命和經(jīng)過(guò)試估算該容器

41、的裂紋擴(kuò)展壽命和經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)后裂紋尺寸？次循環(huán)后裂紋尺寸？（忽略塑性修正的影響）（忽略塑性修正的影響）解：解：IKaIKa 0()canaIdaNCK單位：?jiǎn)挝唬篗Pa/m0.5應(yīng)力應(yīng)力MPa；裂紋裂紋m05000()canaIdaCK48算例算例5000331031032233112230103231032033310321()2 10()2 10()13(1)2 10()21113(1)2 10(100)21113225 1021 10(1)2 10(100)28600cccaaanaaaIIccdadadaNCKKaaaaa （次）49算例算例505000()canaIdaCK58

42、.95camma3331032111500031021 10(1) 2 10(100)2a 50算例算例6無(wú)限大板有一中心穿透裂紋，無(wú)限大板有一中心穿透裂紋，2a010mm，均勻外載與裂紋，均勻外載與裂紋垂直，外載大小和加載次數(shù)如下表，裂紋擴(kuò)展速率為垂直，外載大小和加載次數(shù)如下表，裂紋擴(kuò)展速率為da/dN=3.210-8(KI)4mm/周，求加載后的疲勞裂紋擴(kuò)展量？周，求加載后的疲勞裂紋擴(kuò)展量？外載外載（MPa）加載次加載次數(shù)數(shù)N半裂紋長(zhǎng)度半裂紋長(zhǎng)度a（mm）K(MPa.m0.5)da/dN(mm/周周)a(mm)132.31516.58 2.42E-030.00242 117.695.002

43、42 14.74 1.51E-030.01360 88.2905.01602 11.07 4.81E-040.04328 56.89005.05930 7.16 8.41E-050.07573 27.420005.13503 3.48 4.69E-060.00939 3132.35 1016.58Ka 843/3.2 1016.582.42 10/da dnmm周/ada dnN 51n 結(jié)構(gòu)的損傷容限分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的損傷容限分析計(jì)算 危險(xiǎn)部位的選擇、分析及確定危險(xiǎn)部位的選擇、分析及確定 ； 載荷和應(yīng)力譜的分析與制定；載荷和應(yīng)力譜的分析與制定； 初始損傷品質(zhì)評(píng)定；初始損傷品質(zhì)評(píng)定； 裂紋擴(kuò)展計(jì)算

44、與壽命估算；裂紋擴(kuò)展計(jì)算與壽命估算； 剩余強(qiáng)度計(jì)算與損傷容限評(píng)估。剩余強(qiáng)度計(jì)算與損傷容限評(píng)估。 n 結(jié)構(gòu)的損傷容限驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的損傷容限驗(yàn)證性試驗(yàn)n 結(jié)構(gòu)的使用與維修結(jié)構(gòu)的使用與維修 結(jié)構(gòu)損傷的無(wú)損檢測(cè)方法；結(jié)構(gòu)損傷的無(wú)損檢測(cè)方法； 檢查能力評(píng)估與檢查間隔制定；檢查能力評(píng)估與檢查間隔制定； 制定結(jié)構(gòu)的使用維修大綱。制定結(jié)構(gòu)的使用維修大綱。3損傷容限設(shè)計(jì)損傷容限設(shè)計(jì)52損傷容限設(shè)計(jì)損傷容限設(shè)計(jì)n 設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)概念：承認(rèn)初始缺陷：承認(rèn)初始缺陷, , 控制缺陷增長(zhǎng)控制缺陷增長(zhǎng), , 用分析及檢查的方法用分析及檢查的方法 來(lái)保證結(jié)構(gòu)使用的安全可靠。來(lái)保證結(jié)構(gòu)使用的安全可靠。 n 設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo):

45、: 通過(guò)損傷容限設(shè)計(jì)和裂紋擴(kuò)展及剩余強(qiáng)度分析通過(guò)損傷容限設(shè)計(jì)和裂紋擴(kuò)展及剩余強(qiáng)度分析, , 保證保證 飛機(jī)結(jié)構(gòu)在未修使用期內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)在未修使用期內(nèi), , 其剩余結(jié)構(gòu)能夠承受使用其剩余結(jié)構(gòu)能夠承受使用 載荷載荷, ,不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破壞或過(guò)分變形不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破壞或過(guò)分變形, , 提供足夠安全提供足夠安全 性所要求的檢查水平。性所要求的檢查水平。 n 設(shè)計(jì)要素設(shè)計(jì)要素 : 臨界裂紋尺寸或剩余強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)最大的損傷容限能力）臨界裂紋尺寸或剩余強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)最大的損傷容限能力） 裂紋擴(kuò)展（把握裂紋擴(kuò)展（把握損傷過(guò)程的發(fā)展，提供檢修依據(jù)）損傷過(guò)程的發(fā)展，提供檢修依據(jù)） 損傷檢查損傷檢查 （依據(jù)可檢度確定不同部位的

46、檢修方法與手段）（依據(jù)可檢度確定不同部位的檢修方法與手段） 互相補(bǔ)充互相補(bǔ)充53n 設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟 : 設(shè)計(jì)使用載荷譜設(shè)計(jì)使用載荷譜( (據(jù)疲勞損傷統(tǒng)計(jì)分析理論據(jù)疲勞損傷統(tǒng)計(jì)分析理論, , 簡(jiǎn)化成能在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化成能在設(shè)計(jì) 和試驗(yàn)中使用的計(jì)算譜和實(shí)驗(yàn)譜。由此計(jì)算出構(gòu)件危險(xiǎn)部位的和試驗(yàn)中使用的計(jì)算譜和實(shí)驗(yàn)譜。由此計(jì)算出構(gòu)件危險(xiǎn)部位的 應(yīng)力譜和應(yīng)力強(qiáng)度因子變程應(yīng)力譜和應(yīng)力強(qiáng)度因子變程譜譜) )； 選擇關(guān)鍵件選擇關(guān)鍵件( (據(jù)設(shè)計(jì)、使用經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)力分析、可檢水平等確定據(jù)設(shè)計(jì)、使用經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)力分析、可檢水平等確定 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件的危險(xiǎn)部位結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件的危險(xiǎn)部位, ,進(jìn)行裂紋擴(kuò)展剩余強(qiáng)度分析進(jìn)行裂紋擴(kuò)展剩余強(qiáng)度分析

47、, ,有效地實(shí)有效地實(shí) 施斷裂控制施斷裂控制) )； 合理選材合理選材( (兼顧靜強(qiáng)度、剛度、斷裂韌性、重量、加工性、成本兼顧靜強(qiáng)度、剛度、斷裂韌性、重量、加工性、成本 以及抗腐蝕性能等綜合選材以及抗腐蝕性能等綜合選材) )； 結(jié)構(gòu)分類(lèi)結(jié)構(gòu)分類(lèi)（據(jù)結(jié)構(gòu)的功能特征、安全性程度及裂紋可檢度要求（據(jù)結(jié)構(gòu)的功能特征、安全性程度及裂紋可檢度要求 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi), , 按類(lèi)型設(shè)計(jì)成相應(yīng)的飛行安全結(jié)構(gòu)）；按類(lèi)型設(shè)計(jì)成相應(yīng)的飛行安全結(jié)構(gòu)）；54 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)（除一般的抗疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)外（除一般的抗疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)外, , 還應(yīng)盡可能地提高損傷還應(yīng)盡可能地提高損傷 可檢性）；可檢性）； 確定初始缺陷確定初始缺陷 （對(duì)不同的關(guān)鍵部位、不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)型，按對(duì)不同的關(guān)鍵部位、不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)型，按 規(guī)范要求確定初始缺陷尺寸或應(yīng)用當(dāng)量方法折算規(guī)范要求確定初始缺陷尺寸或應(yīng)用當(dāng)量方法折算) )； 損傷容限分析損傷容限分析（對(duì)危險(xiǎn)部位的