第02讲：应力强度因子的基本概念.ppt

第二讲 应力强度因子 结构耐久性和损伤容限设计 作业 从 型裂纹应力函数 式1 13 出发 推导 型裂纹尖端应力场和位移场的表达式 线弹性断裂力学为什么要引入应力强度因子 K 的概念 简述K的物理意义 本讲内容 3 2 1 线弹性断裂力学的基础知识 三种基本类型裂纹的应力强度因子 应力强度因子概念的提出 4 应力强度因子的物理意义 断裂力学的分支 线弹性断裂力学 小范围屈服 Linearelasticfracturemechanics LEFM 弹塑性断裂力学 大尺寸屈服 Elasticplasticfracturemechanics EPFM 飞行器机结构主要用线弹性断裂力学 线弹性断裂力学的基础知识 研究裂纹尖端附近的应力场和位移场 确定裂纹扩展的 推动力 寻找表征裂纹尖端场强的特征参量 通过试验和分析 测量材料抵抗裂纹扩展的阻力 建立裂纹扩展而导致结构失效的条件 即断裂准则 能量平衡的观点 1921 Griffith 英国 两种观点裂纹尖端应力场强度 1957 Irwin 美国 本讲内容 3 2 1 线弹性断裂力学的基础知识 三种基本类型裂纹的应力强度因子 应力强度因子概念的提出 4 应力强度因子的物理意义 裂纹尖端应力场分析 椭圆孔周边的应力分布 应力强度因子概念的提出 断裂力学与强度设计方法的对照 本讲内容 3 2 1 线弹性断裂力学的基础知识 I型裂纹的应力强度因子 应力强度因子概念的提出 4 应力强度因子的物理意义 裂纹的三种基本类型 a 型 张开型 b 型 滑移型 c 型 撕开型任何型式的裂纹都可看做是三种基本类型的组合 工程上 型裂纹出现的最多 最危险 研究最深入 它是低应力脆断的主要原因 是本课程的主要研究对象 试判断下图中为哪种裂纹形式 a b c d 威斯特嘎德 Westergaard 应力函数 型裂纹 应力分量表达式 满足边界条件 y 0时 I型裂纹的应力强度因子 I型裂纹 由上式可知 裂端区应力场的形式恒定 当r和 一定时 其大小完全由KI值的大小来决定 所以将其称为应力强度因子 stressintensityfactorSIF 裂纹尖端的应力场有以下列三个特征 场应力正比于外界上的作用应力 场应力与裂纹半长a的平方根成正比 场应力与半径r的平方根成反比 当r 0时 奇异性 应力强度因子的定义 II和III型裂纹应力强度因子 依照与 型裂纹相类似的推导方法 同样可以得到 型裂纹应力函数和裂纹尖端应力场的表达式 型裂纹参见书中式1 21和式1 22 型裂纹参见书中式1 24和式1 25 本讲内容 3 2 1 线弹性断裂力学的基础知识 三种基本类型裂纹的应力强度因子 应力强度因子概念的提出 4 应力强度因子的物理意义 应力强度因子的物理意义 由上节推导可知 在裂纹尖端有表达式 应力分量 位移分量 应变分量 应力强度因子 K 表征裂端应力应变场强度的参量Irwin于1957年提出由线弹性理论推出 所以一般只适用于线弹性材料的断裂线弹性断裂力学中最重要的表征参量 结构强度的控制参量是应力 工作应力 构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力 由力学分析计算得到 工作应力强度因子 K构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力强度因子 由力学分析计算得到 结构断裂的控制参量是应力强度因子 K KC 强度判据 作用 抗力 结构或构件的工作应力强度因子 材料的断裂韧性 K的物理意义 K反映了裂纹尖端应力应变场的强度K反映了裂纹尖端应力应变场的奇异性K的临界值KC是材料本身的固有特性K是构件几何外形 裂纹尺寸和外载荷的函数 表征了裂纹尖端受载和变形的强度 是裂纹扩展趋势或裂纹扩展推动力的度量 概念回顾 K反映裂纹尖端应力应变场的强度K反映裂纹尖端应力应变场的奇异性 实际情况 结构形状和裂纹形式多种多样 应力强度因子如何计算是断裂力学的关键问题 应力强度因子 K 应力强度因子