《彈性力學(xué)緒論》PPT課件.ppt

1、斷裂力學(xué) (Fracture Mechanics),任課教師：黃莉,緒 論,1、斷裂力學(xué)的產(chǎn)生 2、斷裂力學(xué)研究內(nèi)容 3、宏觀斷裂力學(xué)研究方法,1、斷裂力學(xué)的產(chǎn)生,自第二次世界大戰(zhàn)以來，隨著高強(qiáng)度材料和大型結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，一些按傳統(tǒng)強(qiáng)度理論和常規(guī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)、制造并經(jīng)過嚴(yán)格檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品，先后發(fā)生了不少災(zāi)難性斷裂事故。,二十世紀(jì)十大著名災(zāi)難之一,Titanic慘劇的原因：三要素,1 材料因素： 采用含硫高的鋼板 韌性差，特別是低溫呈脆性 2 力學(xué)因素： 冰山?jīng)_擊 沖擊載荷 3 環(huán)境因素： 冰海 低溫,發(fā)生斷裂失效的船體,二十世紀(jì)十大著名災(zāi)難之一,1963年，美國“長尾鯊”號(hào)核潛艇沉沒。 價(jià)值達(dá)

2、4500萬美元，長85米，排水量3750噸，于1960年7月9日下水。1963年4月10日，在距好望角408公里處作下潛300米的潛水試驗(yàn)時(shí)，神秘地沉入2300米深的海底，奪走了艇上129名船員的生命。 事故原因始終未查出，但有證據(jù)表明系材料故障。,斷裂失效的實(shí)例： 20世紀(jì)40年代，美國近5000余艘焊接船中，發(fā)生了1000多起脆性破壞，其中238艘完全報(bào)廢，有的甚至斷成兩截。焊接缺陷、應(yīng)力集中。 50年代初，美國北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，試驗(yàn)時(shí)爆炸。高強(qiáng)度合金，破壞由宏觀裂紋引起。 1969年，美國F-111飛機(jī)，左翼脫落，飛機(jī)墜毀。機(jī)翼樞軸出現(xiàn)缺陷，疲勞斷裂。,為什么？ 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論

3、的局限,分析： 1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法認(rèn)為材料是均質(zhì)，無缺陷的，各向同性的。 2 在這個(gè)假設(shè)的前提下，對(duì)于塑性材料破壞之前必須先發(fā)生較大的塑性變形。,強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一般方法：,控制設(shè)計(jì)：強(qiáng)度是最主要的控制指標(biāo)。,研究對(duì)象是無缺陷變形體， 研究目的是保證在最大載荷下有足夠的強(qiáng)度。,結(jié)構(gòu)/構(gòu)件強(qiáng)度的控制參量是應(yīng)力。,斷裂力學(xué)的產(chǎn)生,實(shí)際情況是：對(duì)于較高強(qiáng)度的具有一定缺陷的構(gòu)件，往往發(fā)生了脆斷，即斷裂前沒有發(fā)生較大的塑性變形。通過觀察分析可知，這些斷裂是從局部裂紋擴(kuò)展而成的。 判據(jù)： 不適用于評(píng)判帶有裂紋的構(gòu)件，為了解決這個(gè)問題，斷裂力學(xué)(fracture mechanics)產(chǎn)生了。,2、斷裂力學(xué)研究內(nèi)容,

4、研究含缺陷或裂紋的材料和結(jié)構(gòu)的抗斷裂性能，以及在各種工作環(huán)境下裂紋的平衡、擴(kuò)展、失穩(wěn)及止裂規(guī)律。,按研究尺度不同，可分為：,微觀斷裂力學(xué)：從材料的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究斷裂過程的物理本質(zhì)，即材料缺陷的成核、斷裂的微觀機(jī)理等,宏觀斷裂力學(xué)：通過連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究，研究含缺陷或裂紋的物體在外界條件作用下宏觀裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)、傳播及止裂規(guī)律。,線彈性斷裂力學(xué)：主要研究脆性斷裂 linear elastic fracture mechanics（LEFM）,按研究的斷裂類型不同，,彈塑性斷裂力學(xué)：主要研究韌性斷裂 elastic plastic fracture mechanics（EPFM）,宏

5、觀斷裂力學(xué)可分為：,韌度（toughness）：材料在斷裂前的變形中吸收能量的能力 脆性（brittle） ：韌度低 韌性（ductile） ：韌度高 脆性斷裂：斷裂前無明顯塑性變形（無頸縮） 韌性斷裂：斷裂前有明顯塑性變形（有頸縮）,脆性斷裂與韌性斷裂,韌性斷裂：斷裂前有明顯塑性變形,脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形,脆性斷裂與韌性斷裂,脆性斷裂與韌性斷裂,脆性斷裂發(fā)生突然。,韌性斷裂從啟裂到失穩(wěn)擴(kuò)展有一段進(jìn)程。,靜止的裂紋亞臨界裂紋擴(kuò)展，卸載后裂紋擴(kuò)展停止失穩(wěn)擴(kuò)展，100m/s，立即卸載也不一定停止,低溫、截面積增大、裂紋長度增大等會(huì)增大脆性斷裂的可能性。,3、宏觀斷裂力學(xué)研究方法,理論

6、基礎(chǔ):變形體力學(xué)(彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、粘彈性力學(xué)等） 從彈塑性力學(xué)方程出發(fā)，把裂紋作為一種邊界條件，考察裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變和位移場(chǎng)，尋找控制材料開裂的物理參量，建立這些場(chǎng)與控制材料開裂的物理參量之間的關(guān)系 研究材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力斷裂韌性的變化規(guī)律，確定其數(shù)值及測(cè)定方法 建立裂紋擴(kuò)展的臨界條件，并依此進(jìn)行抗斷設(shè)計(jì)與壽命估計(jì)等。,本課程有關(guān)內(nèi)容對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的意義,使“安全性和經(jīng)濟(jì)性問題”達(dá)到更高層次的一致。 可以對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。,一、使“安全性和經(jīng)濟(jì)性問題”達(dá)到更高層次的一致,實(shí)踐證明，理想的、無缺陷的（設(shè)計(jì)時(shí)所理想）狀態(tài)是沒有的。實(shí)際工程中總是存在著缺陷，但這些缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)（構(gòu)件

7、）安全性的影響究竟有多大是需要評(píng)定的。這種評(píng)定使我們可以在更經(jīng)濟(jì)的條件下保證結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的安全使用。,二、可以對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益,正確評(píng)定缺陷的影響，確定合理的檢修、更換方案，無疑會(huì)帶來巨大的效益 因很多設(shè)備用于長周期運(yùn)轉(zhuǎn)，正確評(píng)價(jià)缺陷的作用將會(huì)帶來相關(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。,斷裂力學(xué)理論在安全評(píng)定中的應(yīng)用：,應(yīng)用于宇航、機(jī)械、化工、地質(zhì)諸方面 主要解決： 裂紋尺寸多大時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂（破壞）？ 從小裂紋發(fā)展到臨界裂紋需要多長時(shí)間？ 對(duì)裂紋的應(yīng)對(duì)措施。 對(duì)材料性能的全面認(rèn)識(shí)，注意到韌性的作用,結(jié)構(gòu)安全評(píng)定的過程、方法及發(fā)展趨勢(shì),評(píng)定過程： 無損檢測(cè)，確定缺陷 應(yīng)力分析，總體應(yīng)力分析和缺陷部位的應(yīng)力

8、分析 確定力學(xué)性能 斷裂力學(xué)參數(shù)分析(應(yīng)力強(qiáng)度因子,J積分, COD)，判定危險(xiǎn)程度,評(píng)定方法, 確定性評(píng)定方法 概率安全評(píng)定方法,安全評(píng)定的發(fā)展趨勢(shì),進(jìn)一步完善確定性方法 發(fā)展概率安全評(píng)定方法,斷裂力學(xué)發(fā)展,國際上每四年召開一次國際斷裂力學(xué)會(huì)議 有關(guān)雜志：Engineering Fracture Mechanics、Theoretical and Applied Fracture Mechanics ,隨著數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算和材料科學(xué)的不斷發(fā)展，斷裂力學(xué)也在不斷發(fā)展與完善并得到廣泛的運(yùn)用。,課程主要內(nèi)容：,裂紋的分類 裂紋尖端附近應(yīng)力、位移場(chǎng)，應(yīng)力強(qiáng)度因子 I型裂紋尖端的塑性區(qū)及應(yīng)力強(qiáng)度因子的修正 應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂理論 能量釋放率及其斷裂理論 應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算與測(cè)定 復(fù)合型裂紋脆斷,線彈性斷裂力學(xué),課程主要內(nèi)容：,COD理論 J積分理論,彈塑性斷裂力學(xué),課程主要內(nèi)容：,疲勞裂紋的形成及擴(kuò)展 疲勞裂紋擴(kuò)展速率及影響因素 疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算,疲勞斷裂問題,參考書目：,斷裂力學(xué)及其工程應(yīng)用 李慶芬，哈爾濱工程大學(xué)出版社 工程斷裂力學(xué)何慶芝，酈正能，北航出版社 斷裂力學(xué)沈成康，同濟(jì)大學(xué)出版社 斷裂力學(xué)丁遂棟，