弹性力学.绪论

断裂力学

(FractureMechanics)任课教师：黄莉

绪论1、断裂力学的产生2、断裂力学研究内容3、宏观断裂力学研究方法1、断裂力学的产生自第二次世界大战以来，随着高强度材料和大型结构的广泛应用，一些按传统强度理论和常规设计方法设计、制造并经过严格检验合格的产品，先后发生了不少灾难性断裂事故。二十世纪十大著名灾难之一Titanic惨剧的原因：三要素1材料因素：采用含硫高的钢板韧性差，特别是低温呈脆性2力学因素：冰山冲击冲击载荷3环境因素：冰海低温发生断裂失效的船体二十世纪十大著名灾难之一1963年，美国——“长尾鲨”号核潜艇沉没。价值达4500万美元，长85米，排水量3750吨，于1960年7月9日下水。1963年4月10日，在距好望角408公里处作下潜300米的潜水试验时，神秘地沉入2300米深的海底，夺走了艇上129名船员的生命。事故原因始终未查出，但有证据表明系材料故障。断裂失效的实例：20世纪40年代，美国近5000余艘焊接船中，发生了1000多起脆性破坏，其中238艘完全报废，有的甚至断成两截。焊接缺陷、应力集中。50年代初，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体，试验时爆炸。高强度合金，破坏由宏观裂纹引起。1969年，美国F-111飞机，左翼脱落，飞机坠毁。机翼枢轴出现缺陷，疲劳断裂。为什么？

传统设计理论的局限分析：

1传统设计方法认为材料是均质，无缺陷的，各向同性的。

2在这个假设的前提下，对于塑性材料破坏之前必须先发生较大的塑性变形。强度设计的一般方法：平衡方程变形几何条件应力应变关系内力应力初步设计设计目标强度条件满意？结束YESNO修改设计强度计算材料试验极限应力选取安全系数许用应力控制设计：强度是最主要的控制指标。研究对象是无缺陷变形体，研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。结构/构件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)极限应力：

ys、

b

材料可以承受的强度指标。延性材料：

ys；

脆性材料：

b

(通过材料力学性能的实验得到)

ys延性材料

b

脆性材料强度判据：

(作用抗力)

结构或构件的工作应力

材料的极限应力断裂力学的产生

实际情况是：对于较高强度的具有一定缺陷的构件，往往发生了脆断，即断裂前没有发生较大的塑性变形。通过观察分析可知，这些断裂是从局部裂纹扩展而成的。判据：不适用于评判带有裂纹的构件，为了解决这个问题，断裂力学(fracturemechanics)产生了。2、断裂力学研究内容

研究含缺陷或裂纹的材料和结构的抗断裂性能，以及在各种工作环境下裂纹的平衡、扩展、失稳及止裂规律。

按研究尺度不同，可分为：

微观断裂力学：从材料的微观结构出发，研究断裂过程的物理本质，即材料缺陷的成核、断裂的微观机理等

宏观断裂力学：通过连续介质力学分析和实验研究，研究含缺陷或裂纹的物体在外界条件作用下宏观裂纹的扩展、失稳、传播及止裂规律。线弹性断裂力学：主要研究脆性断裂linearelasticfracturemechanics（LEFM）

按研究的断裂类型不同，弹塑性断裂力学：主要研究韧性断裂elasticplasticfracturemechanics（EPFM）宏观断裂力学可分为：韧度（toughness）：材料在断裂前的变形中吸收能量的能力脆性（brittle）：韧度低韧性（ductile）：韧度高脆性断裂：断裂前无明显塑性变形（无颈缩）韧性断裂：断裂前有明显塑性变形（有颈缩）

脆性断裂与韧性断裂韧性断裂：断裂前有明显塑性变形脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂脆性断裂发生突然。韧性断裂从启裂到失稳扩展有一段进程。

静止的裂纹→亚临界裂纹扩展，卸载后裂纹扩展停止→失稳扩展，100m/s，立即卸载也不一定停止低温、截面积增大、裂纹长度增大等会增大脆性断裂的可能性。3、宏观断裂力学研究方法理论基础:变形体力学(弹性力学、塑性力学、粘弹性力学等）从弹塑性力学方程出发，把裂纹作为一种边界条件，考察裂纹尖端的应力、应变和位移场，寻找控制材料开裂的物理参量，建立这些场与控制材料开裂的物理参量之间的关系研究材料抵抗裂纹扩展的能力——断裂韧性的变化规律，确定其数值及测定方法建立裂纹扩展的临界条件，并依此进行抗断设计与寿命估计等。本课程有关内容对经济社会的意义使“安全性和经济性问题”达到更高层次的一致。可以对经济社会带来更大的经济效益。一、使“安全性和经济性问题”达到更高层次的一致实践证明，理想的、无缺陷的（设计时所理想）状态是没有的。实际工程中总是存在着缺陷，但这些缺陷对结构（构件）安全性的影响究竟有多大是需要评定的。这种评定使我们可以在更经济的条件下保证结构（构件）的安全使用。二、可以对经济社会带来更大的经济效益正确评定缺陷的影响，确定合理的检修、更换方案，无疑会带来巨大的效益因很多设备用于长周期运转，正确评价缺陷的作用将会带来相关的经济效益。断裂力学理论在安全评定中的应用：应用于宇航、机械、化工、地质诸方面主要解决：裂纹尺寸多大时会发生断裂（破坏）？从小裂纹发展到临界裂纹需要多长时间？对裂纹的应对措施。对材料性能的全面认识，注意到韧性的作用结构安全评定的过程、方法及发展趋势评定过程：①无损检测，确定缺陷②应力分析，总体应力分析和缺陷部位的应力分析③确定力学性能④断裂力学参数分析(应力强度因子,J积分,COD)，判定危险程度

评定方法①确定性评定方法②概率安全评定方法安全评定的发展趋势

进一步完善确定性方法

发展概率安全评定方法断裂力学发展国际上每四年召开一次国际断裂力学会议有关杂志：《EngineeringFractureMechanics》、《TheoreticalandAppliedFractureMechanics》

随着数学、物理、计算和材料科学的不断发展，断裂力学也在不断发展与完善并得到广泛的运用。课程主要内容：裂纹的分类裂纹尖端附近应力、位移场，应力强度因子I型裂纹尖端的塑性区及应力强度因子的修正应力强度因子断裂理论能量释放率及其断裂理论应力强度因子的计算与测定复合型裂纹脆断线弹性断裂力学课程主要内容：COD理论J积分理论弹塑性断裂力学课程主要内容：疲劳裂纹的形成及扩展疲劳裂纹扩展速率及影响因素疲劳裂纹扩展寿命的估算疲劳断裂问题参考书目：

《断裂力学及其工程应用》

李庆芬，哈尔滨工程大学出版社《工程断裂力学》何庆芝，郦正能，北航出版社《断裂力学》沈成康，同济大学出版社《