第10讲_断裂力学问题有限元分析

1、Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲1第七章第七章 断裂力学问题的有限元分析断裂力学问题的有限元分析 Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲2要确定结构能否（继续）安全使用最为重要的是要确定结构要确定结构能否（继续）安全使用最为重要的是要确定结构中存在的微观或宏观裂纹是否将继续扩展并导致结构破坏。中存在的微观或宏观裂纹是否将继续扩展并导致结构破坏。前言前言发生在循坏加载条件下的裂纹稳定扩发生在循坏加载条件下的裂纹稳定扩展，通常称为展，通常称为疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展。这种扩展可以缓慢而稳定并仅在载荷增加时存在，或者，这种扩展可以缓慢而稳定并仅在载荷增加时存在，或者，裂纹扩

2、展到一定程度突然变为不稳定扩展。裂纹扩展到一定程度突然变为不稳定扩展。Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲3人类在很早以前就认识到，材料的缺陷和不均匀会大大降低强度。人人类在很早以前就认识到，材料的缺陷和不均匀会大大降低强度。人们对这个问题的研究开始是在材料力学的范畴内用应力集中的观点加们对这个问题的研究开始是在材料力学的范畴内用应力集中的观点加以解释，在安全系数上给予粗略地考虑。以解释，在安全系数上给予粗略地考虑。1. 断裂力学的形成断裂力学的形成2020世纪初用弹性力学方法得到了裂纹端部的应力解答，世纪初用弹性力学方法得到了裂纹端部的应力解答，按此解答裂纹尖端的应力是无穷大，这

3、样，无论外力按此解答裂纹尖端的应力是无穷大，这样，无论外力大小，只要存在尖裂纹，就会导致破坏。大小，只要存在尖裂纹，就会导致破坏。这个结论显然与事实不符，并使应力集中的解释遇到这个结论显然与事实不符，并使应力集中的解释遇到了困难。实践促使人们探索新的理论。了困难。实践促使人们探索新的理论。Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲4 1920年格里菲斯年格里菲斯(AAGriffith)研究了玻璃等材料的脆性断研究了玻璃等材料的脆性断裂问题，首次提出了用能量观点建立的材料断裂准则。裂问题，首次提出了用能量观点建立的材料断裂准则。由于细微裂纹的存在使玻璃的实际强度大大低于理论强度，并推由于细

4、微裂纹的存在使玻璃的实际强度大大低于理论强度，并推导出实际强度与裂纹长度的平方根成反比的关系，格里菲斯理论导出实际强度与裂纹长度的平方根成反比的关系，格里菲斯理论对于强度理论是一个突破，也为断裂力学的形成奠定了基础。对于强度理论是一个突破，也为断裂力学的形成奠定了基础。 Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲5在以后的在以后的30多年里，高速度大功率的设备不断出现，工程结构构件向多年里，高速度大功率的设备不断出现，工程结构构件向大型化、全焊接结构发展。尽管严格按传统方法进行设计，并采用了大型化、全焊接结构发展。尽管严格按传统方法进行设计，并采用了高强度材料，但仍然发生了许多与断裂有关

5、的事故。高强度材料，但仍然发生了许多与断裂有关的事故。归结于构件中不可避免地存在裂纹和缺陷而引起低应力脆断。归结于构件中不可避免地存在裂纹和缺陷而引起低应力脆断。因此，人们又开始了对裂纹扩展的深入研究。因此，人们又开始了对裂纹扩展的深入研究。例如：例如：1938年到年到1942年全世界有年全世界有40座铁桥突然断裂倒塌。美国建造的座铁桥突然断裂倒塌。美国建造的5000艘全焊接艘全焊接“自由轮自由轮”中发生过中发生过1000多起脆断事故，有多起脆断事故，有238艘报废。艘报废。1950年美国北极星导弹固体燃料发动机壳体由于裂纹导致机壳破坏，年美国北极星导弹固体燃料发动机壳体由于裂纹导致机壳破坏，

6、实验时发生爆炸。实验时发生爆炸。Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲6欧文欧文(GRIrwin)1948年和奥洛万年和奥洛万(Orowan)1952年各自独立地年各自独立地提出了塑性变形能问题，扩大了格里菲斯理论的适用范围，使提出了塑性变形能问题，扩大了格里菲斯理论的适用范围，使其也能适用于金属等塑性材料。其也能适用于金属等塑性材料。1957年欧文将裂纹分为三种基本类型，提出了应力强度因子概念和年欧文将裂纹分为三种基本类型，提出了应力强度因子概念和裂纹端部附近应力、位移公式。从此，线弹性断裂力学的基本体系裂纹端部附近应力、位移公式。从此，线弹性断裂力学的基本体系开始建立并得到进一步

7、地发展。开始建立并得到进一步地发展。 Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲7断裂力学断裂力学是研究含裂纹材料断裂韧性和裂纹扩展规律的学科，它已是研究含裂纹材料断裂韧性和裂纹扩展规律的学科，它已被引入到岩石力学中去，它的研究方法拓宽了解决岩石力学问题的被引入到岩石力学中去，它的研究方法拓宽了解决岩石力学问题的思路。岩石断裂的裂纹效应：岩石是一种节理裂隙繁多的多裂纹介思路。岩石断裂的裂纹效应：岩石是一种节理裂隙繁多的多裂纹介质的固体。质的固体。2. 岩石断裂力学的发展岩石断裂力学的发展 断裂力学断裂力学是以连续介质力学为基础的，但它主要研究的是裂纹尖端是以连续介质力学为基础的，但它主要

8、研究的是裂纹尖端的应力奇异性，研究裂纹端部应力与位移场的强弱程度，从而构成了的应力奇异性，研究裂纹端部应力与位移场的强弱程度，从而构成了岩石断裂破坏的条件，产生断裂判据。岩石断裂破坏的条件，产生断裂判据。实践证明，许多脆性材料，包括岩石、水泥、陶瓷、玻璃等，其构件实践证明，许多脆性材料，包括岩石、水泥、陶瓷、玻璃等，其构件在远低于屈服应力的条件下发生断裂，即所谓在远低于屈服应力的条件下发生断裂，即所谓“低应力脆断低应力脆断”，这证，这证明材料中存在的裂纹效应。明材料中存在的裂纹效应。Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲8I型张开型型张开型 II型滑移型型滑移型 III型斯开型型斯开

9、型图图7.1 三种基本裂纹类型三种基本裂纹类型 (1). (1). I I型，称张开型型，称张开型，受到垂直于裂纹面的拉应力作用。，受到垂直于裂纹面的拉应力作用。 (2). (2). 型，称滑开型型，称滑开型，又称面内剪切型，受到平行于裂纹面并且垂，又称面内剪切型，受到平行于裂纹面并且垂直于裂纹前缘的剪应力作用。直于裂纹前缘的剪应力作用。 (3). (3). 型，称撕开型型，称撕开型，又称面外剪切型，受到平行于裂纹面并且平，又称面外剪切型，受到平行于裂纹面并且平行于裂纹前缘的剪应力作用。行于裂纹前缘的剪应力作用。3 断裂力学基本理论断裂力学基本理论 1). 三种基本裂纹类型三种基本裂纹类型 L

10、zh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲9三种基本类型裂纹中，三种基本类型裂纹中，I I型裂纹型裂纹是引起低应力脆断的主要原因，是是引起低应力脆断的主要原因，是研究的重点类型。在实际的裂纹中，经常出现两种或两种以上裂纹研究的重点类型。在实际的裂纹中，经常出现两种或两种以上裂纹的组合型式，即在复合外力作用下，裂纹扩展不属于单一类型的裂的组合型式，即在复合外力作用下，裂纹扩展不属于单一类型的裂纹，这种裂纹称为纹，这种裂纹称为复合型裂纹复合型裂纹。 Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲102). 裂纹端部的应力、位移及应力强度因子裂纹端部的应力、位移及应力强度因子 I I型裂纹问题

11、型裂纹问题 裂纹端部指的是裂纹尖端附近的区域，它的裂纹端部指的是裂纹尖端附近的区域，它的应力场和位移场是研究岩石断裂的基础应力场和位移场是研究岩石断裂的基础。假。假设裂纹体是线弹性材料，用弹性理论可以求设裂纹体是线弹性材料，用弹性理论可以求出不同类型裂纹的应力场和位移场。并引出出不同类型裂纹的应力场和位移场。并引出应力强度因子应力强度因子的概念。的概念。 (1) (1)I I型裂纹型裂纹无限大板含中心穿透裂纹受双向拉伸载荷时的情况即为典型的无限大板含中心穿透裂纹受双向拉伸载荷时的情况即为典型的I I型裂纹型裂纹问题。取坐标原点在裂纹中心，问题。取坐标原点在裂纹中心，x x轴在裂纹面内并垂直于裂

12、纹前缘，在轴在裂纹面内并垂直于裂纹前缘，在无穷远处作用双向均匀拉应力无穷远处作用双向均匀拉应力，裂纹长度，裂纹长度2a2a。Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲1123cos2sin2cos223sin2sin12cos223sin2sin12cos2rKrKrKIxyIyIx23sin2sin) 12(2823cos2cos) 12(28krGKvkrGKuIIaKI)(13平面应力k)(43平面应变k位移分布位移分布 应力分布应力分布 三个应力中三个应力中yy对裂纹对裂纹扩展的影响最大扩展的影响最大 裂纹尖端附近的应力分布为：裂纹尖端附近的应力分布为： Lzh_CAELzh_C

13、AE练章华/林铁军 主讲12ray201.1. 当当r0r0时，时，yy，并且即使外部荷载，并且即使外部荷载很小，这时材料会发很小，这时材料会发生断裂，显然，这与实际情况不符。生断裂，显然，这与实际情况不符。2.2. 实际情况是，在实际情况是，在r0r0处，并非应力为处，并非应力为。当应力达到某一值时，。当应力达到某一值时，材料就会屈服，因而在裂纹顶端处形成一定大小的塑性区，该处材料就会屈服，因而在裂纹顶端处形成一定大小的塑性区，该处的应力应变关系已不是线性关系的应力应变关系已不是线性关系。3.3. 以一点应力的大小来衡量裂纹体的稳定已失去意义，也就是说，以一点应力的大小来衡量裂纹体的稳定已失

14、去意义，也就是说，不能用应力这个参量来判断材料是否发生断裂。对于带有裂纹的不能用应力这个参量来判断材料是否发生断裂。对于带有裂纹的材料，判断其断裂与否，需要寻找新的特征参数。材料，判断其断裂与否，需要寻找新的特征参数。 Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲13材料的应力强度因子已达到材料的应力强度因子已达到K KI I的临界值的临界值，应力强度因子达到这个临，应力强度因子达到这个临界值，裂纹就会失稳扩展，这个临界值称之为材料的界值，裂纹就会失稳扩展，这个临界值称之为材料的断裂韧度断裂韧度，记，记作作K KICIC 。 断裂韧度断裂韧度K KICIC是含裂纹材料抵抗裂纹失稳扩展能力的

15、指标，是是含裂纹材料抵抗裂纹失稳扩展能力的指标，是材料的固有特性，通过专门的试验方法来测定。材料的固有特性，通过专门的试验方法来测定。 KI = KIC 含裂纹的构件产生脆断的临界条件为含裂纹的构件产生脆断的临界条件为 Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲14(2)(2) 型裂纹型裂纹与与I I型裂纹相似，对于如图型裂纹相似，对于如图型裂纹，它是一带有中心穿透裂纹的无型裂纹，它是一带有中心穿透裂纹的无限大平板，无限远处作用有均匀分布的剪应力限大平板，无限远处作用有均匀分布的剪应力，裂纹端部任一点，裂纹端部任一点A A的应力分量为：的应力分量为： 型裂纹的应力场型裂纹的应力场 3si

16、n2coscos22223sincoscos22223cos(1sinsin2222IIxIIyIIxyKrKrKr aKII22sin(1)2cos2222cos(1)2sin2222IIIIKrukGKrvkG 位移分布位移分布 应力分布应力分布 Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲15K=KC 型裂纹开始滑开失稳扩展，其临界条件为型裂纹开始滑开失稳扩展，其临界条件为 aKIILzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲16 (3)3) 型裂纹型裂纹 无限大板的中央有一长无限大板的中央有一长2a2a的穿透裂纹，在板的上、下两面作用着垂直于的穿透裂纹，在板的上、下两面作用着垂

17、直于平板表面平板表面(xy(xy平面平面) )的均匀剪应力的均匀剪应力l l，这是一个，这是一个型裂纹问题型裂纹问题，其应力强度，其应力强度因子因子K K达到临界值时，裂纹沿垂直于达到临界值时，裂纹沿垂直于xyxy平面方向被撕开。平面方向被撕开。 由于裂纹沿由于裂纹沿z z方向前后错开，所以位移方向前后错开，所以位移W0W0，该问题不再属于平面问题。，该问题不再属于平面问题。但由于但由于u=0u=0，v=0v=0，ll不沿不沿z z方向变化。方向变化。可以认为可以认为W=W(xW=W(x，y)y)，因而弹性力学空间问题的基本解可以简化，并且有：，因而弹性力学空间问题的基本解可以简化，并且有：x

18、 x = = y y =z z =0, =0, xyxy=0, =0, x x =y y = =z z = =xyxy =0 =0 型裂纹的应力场型裂纹的应力场Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲17sin22cos22IIIzxIIIyzKrKr 2sin2rGKWIIIaKIII1IIICIIIKK型裂纹撕开失稳扩展的临界条件为型裂纹撕开失稳扩展的临界条件为 Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲18 应力强度因子应力强度因子不仅描述裂纹尖端区域的位移场和应力场，而且不仅描述裂纹尖端区域的位移场和应力场，而且决定弹性能释放率决定弹性能释放率G G。弹性能释放率是施加载

19、荷不作功时，由于裂纹。弹性能释放率是施加载荷不作功时，由于裂纹在其平行方向上扩展而释放出来的弹性能速率。在其平行方向上扩展而释放出来的弹性能速率。 2III2II2I211KEKKEG4 有限元分析方法有限元分析方法Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲19 J J积分积分 J J积分的范围为从裂纹下表面到上表积分的范围为从裂纹下表面到上表面的一个回线，具有下列形式面的一个回线，具有下列形式 dxunnWJ11/W W为弹性能密度，为弹性能密度，n n为指向回线的为指向回线的向外单位法线，向外单位法线，n nt t为法线在为法线在x1x1方方向上的分量向上的分量 0ijijdW对于弹

20、性塑性材料，通过下对于弹性塑性材料，通过下述应变能的定义可以得到沿述应变能的定义可以得到沿着实际加载路径着实际加载路径J J积分积分 J J积分积分 Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲205 ANSYS5 ANSYS中断裂力学的求解中断裂力学的求解 典型的断裂参数如下：典型的断裂参数如下：1.1. 伴随着三种基本断裂模型的应力强度因子（伴随着三种基本断裂模型的应力强度因子（K K、 K K、 K K) )2.2. J J积分，它定义为与积分路径无关的线积分，能度量裂纹尖端附积分，它定义为与积分路径无关的线积分，能度量裂纹尖端附近奇异的应力与应变的强度；近奇异的应力与应变的强度；3

21、.3. 能量释放率（能量释放率（G G）它反映裂纹张开或闭合时的功的大小；）它反映裂纹张开或闭合时的功的大小；在断裂模型中最重要的区域是围在断裂模型中最重要的区域是围绕裂纹边缘的部位，以绕裂纹边缘的部位，以2D2D模型的模型的裂纹顶端作为裂纹的边缘，以裂纹顶端作为裂纹的边缘，以3D3D模型的裂纹前缘作为裂纹的边缘模型的裂纹前缘作为裂纹的边缘 Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲21(a) 2-D(a) 2-D平面单元平面单元 (b) 3-D(b) 3-D实体单元实体单元2-D2-D和和3-D3-D模型的奇异单元模型的奇异单元 适用于适用于2D2D断裂模型的单元，是断裂模型的单元，是

22、PLANE2,PLANE2,六节点三角形单元，见图所示，六节点三角形单元，见图所示，围绕裂纹尖端的第一行单元，必须具有奇异性，围绕裂纹尖端的第一行单元，必须具有奇异性，PREP7PREP7中中KSCONKSCON命令：命令：GUI路径路径Main MenuPreprocessor-Meshing-Shape&Size-Concentrat KPS-Create (1). 2-D断裂模型断裂模型Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲22(a)二维模型 (b)三维模型裂纹坐标系Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲23Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲24 (2)

23、. 3-D断裂模型断裂模型三维模型推荐使用的单元类型为三维模型推荐使用的单元类型为SOLID95, 20SOLID95, 20节点块体元。围绕裂纹节点块体元。围绕裂纹前缘的第一行单元应该是奇异单元，这种单元是模型的，而前缘的第一行单元应该是奇异单元，这种单元是模型的，而KLPOKLPO面面合并成合并成KDKD线，产生三维断裂模型要比二维模型复杂，命令线，产生三维断裂模型要比二维模型复杂，命令KSCONKSCON不能不能用于三维模型，必须要确定裂纹前缘是沿着单元的用于三维模型，必须要确定裂纹前缘是沿着单元的K K边。边。Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲25三维模型的其他划分网格方

24、法如下：三维模型的其他划分网格方法如下：1.1. 推荐的单元尺寸与二维模型一样，此外在所有有关的方向上，单元边推荐的单元尺寸与二维模型一样，此外在所有有关的方向上，单元边上节点应在边的四分之一处。上节点应在边的四分之一处。2.2. 对曲线的裂纹前缘沿裂纹前缘单元的大小决定于局部曲率的数值，大对曲线的裂纹前缘沿裂纹前缘单元的大小决定于局部曲率的数值，大致应该使沿曲裂纹前缘中每个单元只有致应该使沿曲裂纹前缘中每个单元只有15153030的角度。的角度。3.3. 所有单元的边（包括在裂纹前缘上的）都应该是直线。所有单元的边（包括在裂纹前缘上的）都应该是直线。计算断裂参数计算断裂参数：在静态分析完成后

25、就可以使用通用后处理器在静态分析完成后就可以使用通用后处理器POST1POST1来计算来计算断裂参数，如前面提到的应力强度因子，断裂参数，如前面提到的应力强度因子，J J积分，能量释放率积分，能量释放率。 (2). 3-D断裂模型断裂模型Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲26GUIGUI中路径为中路径为Main MenuMain MenuGeneral PostprocGeneral PostprocNodal CalcsNodal CalcsstressInt FactrstressInt Factr 计算复合型断裂中的应力强度因子计算复合型断裂中的应力强度因子K K、 K K

26、、 K K，该命令仅适用于在裂纹，该命令仅适用于在裂纹区域附近具有均匀的各向同性材料的线弹性问题区域附近具有均匀的各向同性材料的线弹性问题使用使用KCALCKCALC命令的步骤如下：命令的步骤如下：定义局部的裂纹尖端或裂纹前缘的坐标系，以定义局部的裂纹尖端或裂纹前缘的坐标系，以X X轴平行于裂纹面，（在三维轴平行于裂纹面，（在三维模型中垂直于裂纹前缘），模型中垂直于裂纹前缘），Y Y轴垂直于裂纹面。当使用轴垂直于裂纹面。当使用KCALCKCALC命令时，坐标必命令时，坐标必须是激活的模型坐标系统须是激活的模型坐标系统CSYSCSYS和结果的坐标系统和结果的坐标系统RSYSRSYS。命令：命令：

27、LOCALLOCAL（或（或CLOCALCLOCAL，CSCS，CSKPCSKP等）等）GUIGUI：Utility MenuWorkplaneLocal Coordinate SystemsCreat Local Utility MenuWorkplaneLocal Coordinate SystemsCreat Local CSAT Specified LocCSAT Specified Loc6. 应力强度因子应力强度因子Lzh_CAELzh_CAE练章华/林铁军 主讲27定义沿裂纹面的路径，应以裂纹顶端作为路径的第一点，对于半个裂纹模型，定义沿裂纹面的路径，应以裂纹顶端作为路径的第一点

28、，对于半个裂纹模型，而言，沿裂纹面需有两个附加点，对于整体裂纹模型，则应包括两个裂纹面而言，沿裂纹面需有两个附加点，对于整体裂纹模型，则应包括两个裂纹面共需四个附加点，两个点沿一个裂纹面，其它两个点沿另一个裂纹面，如图共需四个附加点，两个点沿一个裂纹面，其它两个点沿另一个裂纹面，如图给出了二维模型的情况。给出了二维模型的情况。GUIGUI：Main MenuGeneral PostprocPath OperationDefine PathMain MenuGeneral PostprocPath OperationDefine Path 计算计算K K、 K K、 K K在使用在使用KCALCKCALC命令中的命令中的KPLANKPLAN区域需指定模型是平面应变或区域