断裂力学的研究分析
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断 裂力学 的研究 分析
李宗霖 山东师范大学附属 中学 （ 幸福柳 校区）
摘要 ： 随着社会的不 断发展 ， 各 类构件的应 用范围也逐 步 扩 大， 构件 的负 荷要 求也越 来越 高， 进 而出现 了 一系 列 的问题 ， 其中最为常见
的 就 是 构 件 的断 裂 ， —旦构 件发生断裂， 会 对 大 众 的 安 全和 工 业 的发 展 造 成 不 良影 响 。本 文 就 断 裂 力 学的 研 究结 果 进 行 了阐 述 。 关键词 ： 断 裂力学 发展 研究分析
断裂 力学是 分属 固体力学 范畴 内的 新兴 学科 ， 主要 研 究材 料
断裂 动力学分属断裂力学 在 考虑受载物体 各方惯 性的基础上 ，
和 工程 结 构中裂 纹产 生和扩 展的 规律 。 断 裂力学 所说 的裂 纹既 包 用 连续介质 力学的 方法 研究相 关固体物 在高速 加载 或裂 纹高 速扩 括 工程施 工中出现 的宏观 的、 肉眼可见的裂 纹 ， 也包括 工程材 料中 展 条件下 的裂纹 扩展和 断裂规律 。 例如 ， 脆性材料 在加 工、 碰撞 和 天然 气管道 的破 裂情 况等 都可 以借助断 裂动 的 各种近似于 裂纹的缺 陷。 断裂力学 主要研究裂 纹的起 裂条件 、 裂 冲 击下的 破坏 规律 、 纹 在外部 载荷作用下的 扩展 过程 、 使物 体会发生断 裂的裂缝 级别 、 裂 纹 结构 硖坏 的条件 以及 结构可 承受 的最 大裂 纹度 等 内容， 是 结 构 损伤容 限设计的理论 基础 ， 在工程施 工领 域应 用非常广泛。
１ 线弹性 断曩 力学
力学 的理论来 分析和处理 。
ｊ ． １ 断裂动力学研究的内容
３ ． １ ． １ 断裂 准则
断 裂动 力学需 要研 究在 高速加 载 情况下 裂纹 的响应情 况 、 起 实践 表明 ， 含 裂纹构 件的强 度会 受构件本身残 缺度 的影响 ， 裂 始 和失 稳扩 展准 则 、 高速 扩展 裂纹 的分叉判 断依 据 以及快速 扩展 纹 的存 在会导致 强度 大幅下 降 ， 仅存 合格构件 强度的 十分之一， 甚 裂纹 的停止判 断依 据 等。 这 些 准则 帮助工程 施 工人 员准 确判 定高 至有 的构件 强度会降至 合格 构件 的百分之一， 其使 用寿命也会相 应 速 加载情况下是 否会 出现动 态断裂现象 。 的 大幅减 少。 工程 构件则会 因此 出现低 应力脆断 的情况 ， 导致 工程 ３ ． １ ． ２ 高速扩展 裂纹尖端 附近的应 力应 变场 事 故 的发 生， 给 工程建 设单位 造 成很 多不 必要 的人 员伤亡 或 者财 断 裂动力学还 需要 研究裂 纹在高 速扩展 过程 中的极限速 度 以 产损 失。 及 能量 转换转 换情 况， 另外， 在高速 加载 情况下， 研 究人 员需 要注 线 弹性 断裂 力学主要 是 研究物 体 的低 应 力脆断 问题 ， 通过 分 意 高速扩 展裂 纹尖端 附近 的应 力应 变场的 变化情况 以及 此情况下 析 大 量有裂 纹等 缺陷 的物体 的 低应 力脆 断现 象， 发现了 以应 力强 材 料的特 性对高速扩 展裂纹阻力 的影响 。 度 因子为基础 的物体 裂纹扩展 规律 ， 提出了裂纹 失稳扩展 准则 ， 适 ３ ． １ ． ３ 高速碰 撞下的 断裂 动力学的实 际应用问题 用于 工程 构件 裂纹 尖端 附近 存在 小范 围屈服 的情 况 ， 在结 构损 伤 在 高速 加载 情况下 ， 脆性材 料 的碰撞 往 往会导 致材 料的 侵彻 容 限设计 中占据重要地位 。 和 穿孔 等实 际 问题 ， 这 些 问题都 需要 依靠 断裂动 力学来 分析 和解 脆性 材料 的裂 纹产生 和扩展 的规律 与应 力强度 因子 这一参 数 决 有 很大关 系， 它能够影 响裂纹 尖端附 近的应 力场， 也能影 响裂纹 尖 ５ ． ２断裂动力学的应 用现 状 端附近 的位移场 结合能 量释放率就可以控制 裂纹的扩展程度 因 此 ， 虽 然目前 断裂动 力学 已经应 用于冶金、 地震 、 合成化学 以及水 在工 程建设 中， 处理 脆性材料 的平面低 应力断裂 问题， 如果 裂纹 尖 坝 工程 、 飞机 和船 舶 设 核动 力装置 和武 器 装备 等领 域 ， 但 已经 端 附近存 在 的塑 性区 远小于 裂 纹长度 ， 工 程施 工 人员就 可 以考 虑 应 用的只 是断 裂动 力学的 部分 经验 或半 经验 性的 成果 ， 其理论 还 采用线弹性 断裂力学 的理论和 方法来 分析 和处理 这一 问题 。 不十分成熟 。
纹扩展则 需要一定 的过程 ， 在裂 纹开裂 发生之 后， 裂 纹需要扩展 到 断的 探究 中摸 索和创新 。 定 的长 度单位 才会 导致低 应 力断裂 。 因此 原有 的线 弹性 断裂 力 ５总 结
２弹塑性 断裂 力学 ４断 裂力学 的研 究现状
相 较于 线弹 性断 裂力学 来说 ， 弹塑 性 断裂 力学适 用于 裂纹 尖 端 附近 出现大 范围屈服 的 情况 。 在２ Ｏ 世 纪 中期 ， 由于工程建 设 开 始使 用大 量 的韧性 材料 ， 这些 韧性 材料 的裂 纹 产生和 扩展规 律 和 脆性材料 的裂 纹扩展规律 大不 相同 ， 脆性断 裂不会 出现清晰而 显著 的临 界裂纹 扩展， 裂 纹的产生和 扩展具 有同步性 ， 而韧性 材料 的裂
一
断 裂力学 能够 有效 预测 材料 的安 全性 能， 在 工程建 设的 各个
领 域应 用十分广泛 。 但 是， 断 裂力学 的理论还 远 未达 到成熟期 ， 需 要大量 实践的 支持和验 证 ， 许 多准 则的应 用还 处于试验 阶段 。 要想 建 立完整 的断 裂力学体系， 断 裂力学还需 要融合应 用数 学、 应 用物 理 学及其 他学科 的相关知 识 ， 进行 大量实 验观察和 数据 积累， 在不
断 裂力学 的研究 分析
李宗霖 山东师范大学附属 中学 （ 幸福柳 校区）
摘要 ： 随着社会的不 断发展 ， 各 类构件的应 用范围也逐 步 扩 大， 构件 的负 荷要 求也越 来越 高， 进 而出现 了 一系 列 的问题 ， 其中最为常见
的 就 是 构 件 的断 裂 ， —旦构 件发生断裂， 会 对 大 众 的 安 全和 工 业 的发 展 造 成 不 良影 响 。本 文 就 断 裂 力 学的 研 究结 果 进 行 了阐 述 。 关键词 ： 断 裂力学 发展 研究分析
断裂 力学是 分属 固体力学 范畴 内的 新兴 学科 ， 主要 研 究材 料
断裂 动力学分属断裂力学 在 考虑受载物体 各方惯 性的基础上 ，
和 工程 结 构中裂 纹产 生和扩 展的 规律 。 断 裂力学 所说 的裂 纹既 包 用 连续介质 力学的 方法 研究相 关固体物 在高速 加载 或裂 纹高 速扩 括 工程施 工中出现 的宏观 的、 肉眼可见的裂 纹 ， 也包括 工程材 料中 展 条件下 的裂纹 扩展和 断裂规律 。 例如 ， 脆性材料 在加 工、 碰撞 和 天然 气管道 的破 裂情 况等 都可 以借助断 裂动 的 各种近似于 裂纹的缺 陷。 断裂力学 主要研究裂 纹的起 裂条件 、 裂 冲 击下的 破坏 规律 、 纹 在外部 载荷作用下的 扩展 过程 、 使物 体会发生断 裂的裂缝 级别 、 裂 纹 结构 硖坏 的条件 以及 结构可 承受 的最 大裂 纹度 等 内容， 是 结 构 损伤容 限设计的理论 基础 ， 在工程施 工领 域应 用非常广泛。
１ 线弹性 断曩 力学
力学 的理论来 分析和处理 。
ｊ ． １ 断裂动力学研究的内容
３ ． １ ． １ 断裂 准则
断 裂动 力学需 要研 究在 高速加 载 情况下 裂纹 的响应情 况 、 起 实践 表明 ， 含 裂纹构 件的强 度会 受构件本身残 缺度 的影响 ， 裂 始 和失 稳扩 展准 则 、 高速 扩展 裂纹 的分叉判 断依 据 以及快速 扩展 纹 的存 在会导致 强度 大幅下 降 ， 仅存 合格构件 强度的 十分之一， 甚 裂纹 的停止判 断依 据 等。 这 些 准则 帮助工程 施 工人 员准 确判 定高 至有 的构件 强度会降至 合格 构件 的百分之一， 其使 用寿命也会相 应 速 加载情况下是 否会 出现动 态断裂现象 。 的 大幅减 少。 工程 构件则会 因此 出现低 应力脆断 的情况 ， 导致 工程 ３ ． １ ． ２ 高速扩展 裂纹尖端 附近的应 力应 变场 事 故 的发 生， 给 工程建 设单位 造 成很 多不 必要 的人 员伤亡 或 者财 断 裂动力学还 需要 研究裂 纹在高 速扩展 过程 中的极限速 度 以 产损 失。 及 能量 转换转 换情 况， 另外， 在高速 加载 情况下， 研 究人 员需 要注 线 弹性 断裂 力学主要 是 研究物 体 的低 应 力脆断 问题 ， 通过 分 意 高速扩 展裂 纹尖端 附近 的应 力应 变场的 变化情况 以及 此情况下 析 大 量有裂 纹等 缺陷 的物体 的 低应 力脆 断现 象， 发现了 以应 力强 材 料的特 性对高速扩 展裂纹阻力 的影响 。 度 因子为基础 的物体 裂纹扩展 规律 ， 提出了裂纹 失稳扩展 准则 ， 适 ３ ． １ ． ３ 高速碰 撞下的 断裂 动力学的实 际应用问题 用于 工程 构件 裂纹 尖端 附近 存在 小范 围屈服 的情 况 ， 在结 构损 伤 在 高速 加载 情况下 ， 脆性材 料 的碰撞 往 往会导 致材 料的 侵彻 容 限设计 中占据重要地位 。 和 穿孔 等实 际 问题 ， 这 些 问题都 需要 依靠 断裂动 力学来 分析 和解 脆性 材料 的裂 纹产生 和扩展 的规律 与应 力强度 因子 这一参 数 决 有 很大关 系， 它能够影 响裂纹 尖端附 近的应 力场， 也能影 响裂纹 尖 ５ ． ２断裂动力学的应 用现 状 端附近 的位移场 结合能 量释放率就可以控制 裂纹的扩展程度 因 此 ， 虽 然目前 断裂动 力学 已经应 用于冶金、 地震 、 合成化学 以及水 在工 程建设 中， 处理 脆性材料 的平面低 应力断裂 问题， 如果 裂纹 尖 坝 工程 、 飞机 和船 舶 设 核动 力装置 和武 器 装备 等领 域 ， 但 已经 端 附近存 在 的塑 性区 远小于 裂 纹长度 ， 工 程施 工 人员就 可 以考 虑 应 用的只 是断 裂动 力学的 部分 经验 或半 经验 性的 成果 ， 其理论 还 采用线弹性 断裂力学 的理论和 方法来 分析 和处理 这一 问题 。 不十分成熟 。
纹扩展则 需要一定 的过程 ， 在裂 纹开裂 发生之 后， 裂 纹需要扩展 到 断的 探究 中摸 索和创新 。 定 的长 度单位 才会 导致低 应 力断裂 。 因此 原有 的线 弹性 断裂 力 ５总 结
２弹塑性 断裂 力学 ４断 裂力学 的研 究现状
相 较于 线弹 性断 裂力学 来说 ， 弹塑 性 断裂 力学适 用于 裂纹 尖 端 附近 出现大 范围屈服 的 情况 。 在２ Ｏ 世 纪 中期 ， 由于工程建 设 开 始使 用大 量 的韧性 材料 ， 这些 韧性 材料 的裂 纹 产生和 扩展规 律 和 脆性材料 的裂 纹扩展规律 大不 相同 ， 脆性断 裂不会 出现清晰而 显著 的临 界裂纹 扩展， 裂 纹的产生和 扩展具 有同步性 ， 而韧性 材料 的裂
一
断 裂力学 能够 有效 预测 材料 的安 全性 能， 在 工程建 设的 各个
领 域应 用十分广泛 。 但 是， 断 裂力学 的理论还 远 未达 到成熟期 ， 需 要大量 实践的 支持和验 证 ， 许 多准 则的应 用还 处于试验 阶段 。 要想 建 立完整 的断 裂力学体系， 断 裂力学还需 要融合应 用数 学、 应 用物 理 学及其 他学科 的相关知 识 ， 进行 大量实 验观察和 数据 积累， 在不