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斷裂力學

第一講導論:什么是斷裂力學?斷裂力學研究什么?斷裂力學和材料力學有什么聯(lián)系和區(qū)別?從強度理論到斷裂理論斷裂力學和破壞力學(failure)之間的關(guān)系斷裂力學從材料力學、彈性力學發(fā)展起來固體力學中最活躍的研究領(lǐng)域?qū)嵱眯裕捍罅康墓こ虘靡笱芯坎牧掀茐模豢鐚W科:力學、材料、物理、環(huán)境、分析計算方法、測試技術(shù);科學、工程結(jié)合形形色色的斷裂現(xiàn)象疲勞斷裂脆性斷裂斷裂的扳手韌性試件的斷裂LibertyShipsinWWIIFactsonLibertyShipsTherewere2,751LibertyShipsmanufacturedbetween1941-1945.Crackspropagatedin400oftheseshipsincluding145catastrophicfailures;only2existtodaywhicharesea-worthy.ThehullsofLibertyShipsfracturedwithoutwarning,mainlyintheNorthAtlantic.Thesearethefirstshipsmassproducedwithwelds.ThelowtemperaturesoftheNorthAtlanticcausedthesteeltobebrittle.Fracturesoccurredmainlyinthevicinityofstressraisers.Theproblemmaybepreventedbyemployinghigherqualitysteelsandimprovementofthedesignoftheship.TheAlohaBoeing737AccidentOnApril28,1988,partofthefuselageofaBoeing737failedafter19yearsofservice.Thefailurewascausedbyfatigue(multi-sitedamage).TheAlohaBoeing737Accident一個不斷發(fā)展的學科:

強度問題、裂紋問題、斷裂問題、疲勞、損傷、分析和規(guī)范、結(jié)構(gòu)完整性問題,等等損傷分布與裂紋共生的結(jié)構(gòu)工程問題:結(jié)構(gòu)承載能力(Structuralsafetyandintegrity).結(jié)構(gòu)承載時間(Durability).結(jié)構(gòu)可信度(Reliability).安全性評估(Confidencelevel).經(jīng)濟問題:建造成本和獲取手段(capitaloracquisitioncost);運行代價(operationalcost),廢棄代價(disposal/recyclingcost)成本優(yōu)化和使用壽命優(yōu)化(Optimizecapitalcostsandlifecyclecost)結(jié)構(gòu)完整性和壽命評估系統(tǒng)從強度理論到裂紋力學應力狀態(tài)和主應力參數(shù)強度函數(shù)SomeCriteriapredictmaterialsfailurebyyielding,othersbyfractureAgivenmaterialmayfailbyyieldingorfracturestrengthdependingonitspropertiesandthestateofstressFailurecriterionforisotropicmaterialisexpressedastheprincipalnormalstresseshavereachedacriticalfailurestrength(c)

f(1,2,3)=c常用的強度準則最大主應力準則;最大剪切應力準則;最大主應變準則;最大總應變能準則;最大畸變應變能準則;最大VonMises應力準則;Etc.孔洞導致應力集中-Inglis理論FracturestressforrealisticmaterialInglis(1913)analyzedfortheflatplatewithanellipticalholewithmajoraxis2aandminoraxis2b,subjectedtofarendstressThestressatthetipofthemajoraxis(pointA)isgivenby

Theratioisdefinedasthestressconcentrationfactor,Whena=b,itisacircularhole,thenWhenbisveryverysmall,Inglisdefineradiusofcurvatureas

Andthetipstressas

Inglis理論推廣到裂紋玻璃纖維的斷裂強度(示意圖)Griffith關(guān)于裂紋擴展的概念Griffith’sEnergybalanceapproachFirstdocumentedpaperonfracture(1920)ConsideredasfatherofFractureMechanicsAAGriffithlaidthefoundationsofmodernfracturemechanicsbydesigningacriterionforfastfracture.Heassumedthatpre-existingflawspropagateundertheinfluenceofanappliedstressonlyifthetotalenergyofthesystemistherebyreduced.Thus,Griffith'stheoryisnotconcernedwithcracktipprocessesorthemicromechanismsbywhichacrackadvances.Griffith’sEnergybalanceapproach(Contd.)Griffithproposedthat‘Thereisasimpleenergybalanceconsistingofthedecreaseinpotentialenergywithinthestressedbodyduetocrackextensionandthisdecreaseisbalancedbyincreaseinsurfaceenergy

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