Brown 断裂力学课程 8.4

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断裂力学第三讲断裂力学理论

断裂力学第三讲断裂力学理论
应力强度因子。应力强度因子是有限量,它是代表应 力场强度的物理量,用其作为参量建立破坏条件是 合适的。
27
应力强度因子
应力强度因子一般写为:
K Y a
——名义应力,即裂纹位置上按无裂纹计算的应力
a ——裂纹尺寸,即裂纹长或深
Y——形状系数,与裂纹大小、位置有关
应力强度因子单位:N.m-3/2
28
应力强度因子
3
k
Hale Waihona Puke 1平面应力3 4 平面应变
14
Ⅲ型裂纹求解
对于I型和II型裂纹来说,是属于平面问题。但对于III型裂纹, 由于裂纹面是沿z方向错开,因此平行于xy平面的位移为零, 只有z方向的位移不等于零 对于此类反平面问题,前面给出的平面问题的基本方程已不 适用,因此不能沿用Airy应力函数求解,需要从弹性力学的 一般(空间)问题出发,推导公式。弹性力学一般问题的基 本方程,可以仿照平面问题的方法导出
同。选取应力函数
=yReZII
II x
yReZII z
yII ReZIIzyImZIIz
因为
ReZzReZz
x
ReZzImZz
y
ImZz ReZz
y
所以
2II x2
yReZII
z
2 y2II 2ImZIIzyReZIIz 2 xyII ReZIIzyImZIIz
8
Ⅱ型裂纹求解
得到II型裂纹问题各应力分量表达式为
用解析函数求解III型裂纹尖端 应力强度因子的定义式
19
Ⅲ型裂纹求解
应力强度因子是在裂尖时 0存在极限,若考虑裂尖附近 的一个微小区域,则有:
KI 2ZΙΙI()
ZΙI ( )

断裂力学导论讲诉课件

断裂力学导论讲诉课件
弹塑性材料的特性
弹塑性材料在受到外力作用时,会同 时发生弹性变形和塑性变形。在裂纹 尖端附近,由于应力集中,材料会发 生屈服并进入塑性区。
能量释放率
能量释放率是描述裂纹扩展所需最小 能量的物理量。在弹塑性断裂力学中 ,当能量释放率达到材料的临界值时 ,裂纹将发生失稳扩展。
断裂韧性测试方法
紧凑拉伸试样法
压力容器的断裂分析
压力容器的断裂分析
压力容器的断裂分析主要关注压力容器在各种工况下的强度和稳定性。由于压力容器内部储存着高压气体或液体,一旦发生 破裂,后果将非常严重。因此,对压力容器的断裂分析需要采用严格的测试和评估方法,以确保压力容器的安全性和可靠性 。
压力容器的断裂分析
压力容器的断裂分析
在压力容器的断裂分析中,需要考虑压力容器的结构形式、 材料特性以及各种工况下的应力分布。通过断裂力学的理论 和方法,可以评估压力容器的强度和稳定性,为压力容器的 设计、制造和使用提供重要的安全保障。
高层建筑抗震设计
利用断裂力学原理,可以评估高层建 筑在地震作用下的抗震性能,优化抗 震设计。
机械工程
转子动力学分析
在机械工程中,断裂力学可用于转子动 力学的分析,研究转子裂纹的形成和扩 展,提高旋转机械的稳定性和可靠性。
VS
焊接结构完整性评估
焊接是机械工程中常用的连接方式,断裂 力学可以用于焊接结构的完整性评估,确 保焊接结构的可靠性和安全性。
课程目标
掌握断裂力学的基本 原理和方法。
培养学生对断裂力学 研究的兴趣和独立思 考能力。
了解断裂力学在工程 实践中的应用和案例 分析。
02
断裂力学基础知识
断裂力学的定义
总结词
断裂力学是一门研究材料断裂行为的学科。

断裂力学

断裂力学

断裂力学引论MA02139,剑桥麻省理工学院材料科学与工程系David Roylance2001年6月14日引言1983年,美国国家标准局(现国家科学和技术研究院)和巴特来(Battelle)编年史协会1估计:1982年由断裂引发的事故造成的损失竟高达1190亿美元。

经济损失固然惨重,而在许多事故中,为丧生和人身伤害付出的代价更是难以估量。

引起结构失效的原因很多,包括载荷和环境的不确定性;材料本身的缺陷;设计不当;以及施工马虎、缺乏维护等。

抗断裂设计有其自己的一套技术,是目前极为活跃的研究领域。

本模块将介绍这一领域的重要方面,因为若缺乏断裂方面的知识,则前面所述的应力分析方法几乎没什么用处。

我们的重点是单向拉伸时因应力过大而引起的断裂,但要再一次告诫设计师:务需尽可能多地考虑可能引起失效的各种因素,尤其是在可能会危及生命的场合。

“屈服和蠕变的基础——位错”这一模块(模块21)中曾指出:如何通过控制微观结构以抑制位错运动,从而使结构材料(特别是钢)的强度增加、达到一个很高的水平。

不幸的是,这也使材料变得越来越脆,以至于在几乎毫无预兆的情况下,裂纹能够形成并灾难性地扩展。

一系列不幸的工程事故都与这一现象直接相关,因此,涉及结构设计的工程师们必须清楚地了解目前应用的各种防止脆性断裂的加工工艺。

高强度材料抗断裂设计的主要困难是:裂纹的存在使局部应力有很大的变化,以至于设计师们仔细的弹性应力分析也难以胜任。

当裂纹达到某个临界长度时,即使总应力仍远远低于使拉伸试样正常屈服或破坏的应力,裂纹也会在结构中灾难性地扩展。

术语“断裂力学”指的是固体力学的一个重要分支,该学科要在假定裂纹存在的条件下,寻求裂纹长度、材料抗裂纹增长的固有阻力、以及能使裂纹高速扩展从而导致结构失效的应力之间的定量关系。

能量平衡法当格里菲斯(A.A.Griffith)在1920年前开始对玻璃的断裂作开拓性的研究时,便注意到英格里斯(Inglis)为计算椭圆孔周围的应力集中所做的工作2,很自然地想到如何由此研究出一种预测断裂强度的基本方法。

《断裂力学绪论》PPT课件

《断裂力学绪论》PPT课件

从工程观点看,如何防止或减少断裂事故的 发生呢?首先提出以下5个问题
1.多小的裂纹或者缺陷是允许存在的,即此小裂纹 或者缺陷不会在预定的服役期间发展成断裂的大 裂纹?
2.多大的裂纹就可能发生断裂,即用什么判据来判 断断裂发生的时机?
3.从允许存在的小裂纹扩展到断裂时的大裂纹需要 多长时间,即机械结构的寿命如何估算?
亡最惨重的空难。
四十年代后期美国曾 建造大约2500艘“自由 号”万吨轮,在服役期间 有145艘断成两截,700 艘左右受到严重的损坏。
1949年,东俄亥俄煤气公司的 圆柱形液态天然气罐爆炸,使 周围街市变为废墟。
断裂破坏
美国航空公司一架波音737-800型 客机22日晚抵达牙买加首都金斯 敦诺曼曼利国际机场时冲出跑道, 致伤90多人 (2009-12-22)
断裂破坏
2011年2月13日,美国海军 “格拉维利”号驱逐舰(DDG 107)在佛罗里达南部海域航行 途中,桅杆上部发生断裂. 所幸 无人员伤亡
2009-11-08, 伊朗籍货轮在浙江舟山触 礁断裂
宜宾小南门桥(事故原因:吊杆断裂)
断裂力学的产生背景
传统的强度理论:
传统的强度设计是以材料力学为基础的。假设材料均质, 连续,各向同性,没有裂纹和缺陷,设计时只要满足传统 强度条件就安全。近些年,随着宇航和航空工业的飞速发 展,高强度合金使用量越来越大,而这些高强度合金制成 的机械机构比较脆,容易发生断裂;在腐蚀环境中,甚至 在在相对湿度较高的环境中,就有可能萌生出裂纹。这些 用传统的强度理论,例如屈服判据,是解释不了的。因此 需要寻求新的断裂判据。现代断裂力学就在这种背景下诞 生了。
1-2 脆性断裂和韧性断裂
韧度:是指材料在断裂前的弹塑性变形中吸收能量的能力

断裂力学讲义

断裂力学讲义

目录第一章绪论§断裂力学的概念任何一门科学都是应一定的需要而产生的,断裂力学也是如此。

一提到断裂,人们自然而然地就会联想到各种工程断裂事故。

在断裂力学产生之前,人们根据强度条件来设计构件,其基本思想就是保证构件的工作应力不超过材料的许用应力,即σ≤[σ]~安全设计安全设计对确保构件安全工作也确实起到了重大的作用,至今也仍然是必不可少的。

但是人们在长期的生产实践中,逐步认识到,在某些情况下,根据强度条件设计出的构件并不安全,断裂事故仍然不断发生,特别是高强度材料构件,焊接结构,处在低温或腐蚀环境中的结构等,断裂事故就更加频繁。

例如,1943~1947年二次世界大战期间,美国的5000余艘焊接船竟然连续发生了一千多起断裂事故,其中238艘完全毁坏。

1949年美国东俄亥俄州煤气公司的圆柱形液态天然气罐爆炸使周围很大一片街市变成了废墟。

五十年代初,美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验时发生爆炸。

这些接连不断的工程断裂事故终于引起了人们的高度警觉。

特别值得注意的是,有些断裂事故竟然发生在σ<<[σ]的条件下,用传统的安全设计观点是无法解释的。

于是人们认识到了传统的设计思想是有缺欠的,并且开始寻求更合理的设计途径。

人们从大量的断裂事故分析中发现,断裂都是起源于构件中有缺陷的地方。

传统的设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体,而实际构件中总是存在着各种不同形式的缺陷。

因此实际材料的强度大大低于理论模型的强度。

断裂力学恰恰是为了弥补传统设计思想这一严重的缺陷而产生的。

因此,给断裂力学下的定义就是断裂力学是研究有裂纹(缺陷)构件断裂强度的一门学科。

或者说是研究含裂纹构件裂纹的平衡、扩展和失稳规律,以保证构件安全工作的一门科学。

断裂力学在航空、机械、化工、造船、交通和军工等领域里都有广泛的应用前景。

它能解决抗断设计、合理选材、制定适当的热处理制度和加工工艺、预测构件的疲劳寿命、制定合理的质量验收标准和检修制度以及防止断裂事故等多方面的问题,因此是一门具有高度实用价值的学科。

断裂力学结课作业讲解

断裂力学结课作业讲解

第一部分——断裂力学基本概念理论综述断裂力学定位断裂力学是为解决机械结构断裂问题而发展起来的力学分支,它将力学、物理学、材料学以及数学、工程科学紧密结合,是一门涉及多学科专业的力学专业课程。

学习中介绍了断裂的工程问题、能量守恒与断裂判据、应力强度因子、线弹性和弹塑性断裂力学基本理论、裂纹扩展、J积分以及断裂问题的有限元方法等内容。

断裂力学诞生现代断裂力学(fracture mechanics)这门学科,就在这种背景下诞生了。

从上世纪五十年代中期以来,断裂力学发展很快,目前线性理论部分已比较成熟,在工程方面,已广泛应用于宇航、航空、海洋、兵器、机械、化工和地质等许多领域。

解决断裂问题的思路因为断裂的发生绝大多数都是由裂纹引起的,而断裂尤其是脆性断裂,一般就是裂纹的失稳扩展。

裂纹的失稳扩展,通常由裂纹端点开始。

因此,发生断裂的时机必然与裂端区应力应变场的强度有关。

对于不含裂纹的物体,当某处的应力水平超过屈服应力,就要发生塑性变形;而对于含裂纹的物体,当某裂端表征应力应变场强度的参量达到临界值时,就要发生断裂。

这个发生断裂的临界值很可能是材料常数,它既可表征材料抵抗断裂的性能,亦可用来衡量材料质量的优劣。

影响断裂的两大因素———载荷大小和裂纹长度考虑含有一条宏观裂纹的构件,随着服役时间后使用次数的增加,裂纹总是愈来愈长。

在工作载荷较高时,比较短的裂纹就有可能发生断裂;在工作载荷较低时,比较长的裂纹才会带来危险。

这表明表征裂端区应力变场强度的参量与载荷大小和裂纹长短有关,甚至可能与构件的几何形状有关。

断裂力学研究内容储备强度究竟是个什么样的参量?它与表征裂端区应力变场强度的参量有何关系?如何计算它?如何测量它?它随时间变化的规律如何?受到什么因素的影响?韧度(toughness)是指材料在断裂前的弹塑性变形中吸收能量的能力。

它是个能量的概念。

脆性(brittle)和韧性(ductile)一般是相对于韧度低或韧度高而言的,而韧度的高低通常用冲击实验测量。

断裂力学——精选推荐

断裂力学——精选推荐

2 2Ї


x 4
2
4Ї x 2y 2
4Ї y 4
0
(1-9)
及具体问题的边界条件。复连通域还要满足位移单值条件。求得应力函数 Ї后,可依下
式计算各应力分量
x
2Ї, y 2
y
2Ї, x 2
xy
2Ї xy
(1-10)
式中 Ї称为 Airy 应力函数。不难直接验证,若 fi (i 1,2,3) 均是调和函数,即
断裂力学涉及内容很广,这里只介绍一些基础性的内容。中国有句古话:“吃一堑, 长一智”。吃一次亏,出来一门新学科。断裂力学可以说是人类吃了大亏,从总结惨痛 血的教训中产生的。生产推动了科学发展,科学反过来又促进生产以更高的速度向前发 展。在这个过程中,旧的问题不断解决,新的矛盾又不断产生。最初,人们为了提高材 料的强度防止脆断,制成了钢材等塑性材料。进一步提高塑性材料的强度是通过阻止屈 服(阻止位错运动)来实现的。再进一步提高强度就出现了新的矛盾,强度高了,韧度 却低了,构件常在应力不高,甚至低于屈服极限的情况下发生突然的脆性破坏。如焊接 铁桥的突然倒塌,焊接轮船的脆性破坏,各种球罐的突然爆炸等等,均不能用传统的建 立在连续性假设基础上的强度科学(如材料力学)来解释。随着生产的发展,大量采用 新材料(高强度钢、复合材料、塑料)新工艺,新的工作条件(高温、高速、高压、低 温)等,致使古典强度科学无法适应新的生产水平的需要。对低应力脆断事故进行大量 分析研究表明脆性断裂是由于宏观缺陷或裂纹的失稳扩展引起的。有时,在裂缝的平衡 状态达到失稳的临界状态以前还会出现缓慢的准静态亚临界扩展,最后达到临界状态使 裂纹高速传播引起最终断裂。这样,强度科学不仅要通过阻止屈服以达到高强度,而且 要通过阻止裂纹的扩展来达到高的断裂韧度。

断裂力学课程介绍.

断裂力学课程介绍.

断裂力学课程介绍
本课程使用教材为李庆芬主编的《断裂及其工程应用》。

断裂力学是机械、动力及力学专业的本科生专业必修课,断裂力学以变形体力学为基础,研究含裂纹(缺陷)材料和构件抗断裂性能,以及在各种工作环境下裂纹的平衡、扩展、失稳及止裂规律的一门学科。

通过讲授线弹性断裂力学、复合型裂纹、弹塑性断裂力学、常用断裂参数的测试和疲劳问题等使学生了解它是一门新兴学科,其基本理论、测试技术和应用计算方法等还有许多争议和不成熟之处而正处于发展之中。

但它弥补了常规设计方法的不足,解决了许多工程中灾难性的低应力脆断问题,已成为失效分析的重要研究方法之一。

断裂力学理论基础全解PPT课件

断裂力学理论基础全解PPT课件
第一节 断裂力学基础
一、断裂力学的形成与发展
20世纪40年代到60年代,发生了大量的低应力脆断的压力容器事故, 容器破坏时应力低于屈服极限、甚至低于许用应力。
此类事故的特点:高强度钢或者厚的中低强度钢;低温下工作;断裂发 生在焊接接头或应力集中处。直接的原因是结构中有裂纹存在,由于裂纹 的扩展而引起破坏。
三、线弹性断裂力学基本理论
2、裂纹的开裂型式 线弹性断裂分析是建立在弹性力学的基础上,研究的 对象是带有裂纹的线弹性体。 对于各种复杂的断裂形式,总可以分解成三种基本断 裂类型的组合,这三种基本类型是Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型 断裂。
第7页/共29页
第八章 压力容器缺陷安全评定
Ⅰ型断裂属于张开型断裂,外加应力σ与裂纹 垂直,在应力σ作用下,裂纹尖端张开,裂纹扩 展方向与应力σ方向垂直。
第1页/共29页
第一节 断裂力学基础
一、断裂力学的形成与发展
断裂力学是研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的科 学。根据所研究的裂纹尖端附近材料塑性区的大小,可 分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。 线弹性断裂力学的理论基础:应力强度因子理论和 Griffith能量理论。 弹塑性断裂力学的理论基础:COD理论、J积分理论。
第八章 压力容器缺陷安全评定
利用弹性力学方法,可得到裂纹尖端附近任一点
(r,q)处的正应力sx、sy和剪应力txy。
sx
K cosq 1 sin q sin 3q
2r 2
2 2
K s a
sy
K
q
cos
1
sin
q
sin
3q
2r 2
2 2
t xy
K sin q cosq cos3q 2r 2 2 2

断裂力学基础ppt课件

断裂力学基础ppt课件

裂纹面位移沿z方向,裂纹沿 z方向撕开。 7
一、断裂力学的处理方法
当外加应力在弹性范围内,而裂纹前端的塑性区很小 时,这种断裂问题可以用线性弹性力学处理,这种断裂力 学叫线弹性断裂力学(LEFM)。适用于高强低韧金属材料 的平面应变断裂和脆性材料如玻璃、陶瓷、岩石、冰等材 料的断裂情况。
对延性较大的金属材料,其裂纹前端的塑性区已大于 LEFM能够处理的极限,这种断裂问题要用弹塑性力学处理, 这种断裂力学叫弹塑性断裂力学(EPFM)。
u(r, ) KⅠ r [(2k 1) cos cos 3 ]
4G 2
2
2
v(r, ) KⅠ r [(2k 1) sin sin 3 ]
4G 2
2
2
25
有限元法 裂纹尖端位移

KⅠ

2G k 1
2 v(r, )
r
2、应力法求应力强度因子
Ⅰ型:
s iy (r, )
11
Griffith研究了如图所示厚度为B的薄平板。上、下端受到 均匀拉应力作用,将板拉长后,固定两端。由Inglis解得到由 于裂纹存在而释放的弹性应变能为
U 1 2 a2s 2B
E
U 1 a2s 2B
E
平面应变 平面应力
12
另一方面,Griffith认为,裂纹扩展形成新的表面,需 要吸收的能量为
30
抗断设计:
1) 已知s、a,算K,选择材料,保证不发生断裂; 2) 已知a、材料的K1c,确定允许使用的工作应力s; 3) 已知s、K1c,确定允许存在的最大裂纹尺寸a。 一般地说,为了避免断裂破坏,须要注意:
2

s c
2E (1 2 )a

断裂力学简介及材料典型强韧化机制教材

断裂力学简介及材料典型强韧化机制教材

115第六章 断裂力学简介及材料典型强韧化机制§6.1 断裂的基本概念§6.1.1 断裂力学的产生和发展断裂是构件破坏的重要形式之一,影响材料断裂的因素很多,如构件的形状及尺寸,载荷的特征与分布,构件材料本身的状态及应用的环境如温度、腐蚀介质等,当然更重要的还有材料本身的强度水平。

为了防止构件的断裂或变形失效,传统的安全设计思想主要立足于外加载荷与使用材料的强度级别的选用,根据常规的强度理论,只要构件服役应力与材料的强度满足⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=21m ax K K sb σσσ (6- 1) 则认为使用是安全的。

其中σmax 为构建所承受的最大应力;σb ,σs 分别为材料的强度极限和屈服强度,K 1与K 2分别为按强度极限与按屈服强度取用的安全系数。

安全系数是一个大于1的数,其含义为扣除了材料中对强度有影响的诸因素对强度可能造成的损害作用,应当说这种考虑问题的出发点是合理的,也应当是行之有效的,因而多年来这种设计思想在工程设计中发挥了重要作用,而且还会继续发挥其重要作用。

关于断裂力学的最早理论可以追溯到1920年,为了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的实际强度比理论强度低的原因,Griffith 提出了在固体材料中或在材料的运行过程中存在或产生裂纹的设想,计算了当裂纹存在时,板状构件中应变能的变化进而得出了一个十分重要的结果。

σc a =常数 (6- 2)其中,σc 是断裂扩展的临界应力;a 为断裂半长度。

该理论非常成功地解释了玻璃等脆性材料的开裂现象,但应用于金属材料并不成功,又由于当时金属材料的低应力破坏事故并不突出,所以在很长一段时间内未引起人们的重视。

1949年E.Orowan 在分析了金属构件的断裂现象后对Griffith 公式提出了修正,他认为产生断裂所释放的应变能不仅能转化为表面能,也应转化为裂纹前沿的塑性应变功,而且由于塑性应变功比表面能大得多,以至于可以不考虑表面能的影响,其提出的公式为:σc a =212⎪⎭⎫⎝⎛λEU=常数(6- 3)Orowan公式虽然有所进步,但仍未超出经典的Griffith公式的范围,而且同表面能一样,形变功U也是难以测量的,因而该式仍难以实现工程上的的应用。

断裂力学习题共6页word资料

断裂力学习题共6页word资料

断裂力学习题一、问答题1、什么是裂纹?2、试述线弹性断裂力学的平面问题的解题思路。

3、断裂力学的任务是什么?4、试述可用于处理线弹性条件下裂纹体的断裂力学问题两种方法:5、试述I型裂纹双向拉伸问题中的边界条件,如何根据该边界条件确定一复变函数,并由此构成应力函数,最后写出问题的解。

6、什么是应力场强度因子K1?什么是材料的断裂韧度K1C?对比单向拉伸条件下的应力σ及断裂强度极限σb,,说明K1与K1C的区别与联系?7、在什么条件下应力强度因子K的计算可以用叠加原理8、试说明为什么裂纹顶端的塑性区尺寸平面应变状态比平面应力状态小?9、试说明应力松驰对裂纹顶端塑性区尺寸有何影响。

10、K准则可以解决哪些问题?11、何谓应力强度因子断裂准则?线弹性断裂力学的断裂准则与材料力学的强度条件有何不同?12、确定K的常用方法有哪些?13、什么叫裂纹扩展能量释放率?什么叫裂纹扩展阻力?14、从裂纹扩展过程中的能量变化关系说明裂纹处于不稳定平衡的条件是什么?15、什么是格里菲斯裂纹?试述格氏理论。

16、奥罗万是如何对格里菲斯理论进行修正的?17、裂纹对材料强度有何影响?18、裂纹按其力学特征可分为哪几类?试分别述其受力特征19、什么叫塑性功率?20什么是G准则?21、线弹性断裂力学的适用范围。

22、“小范围屈服”指的是什么情况?线弹性断裂力学的理论公式能否应用?如何应用?23、什么是Airry应力函数?什么是韦斯特加德(Westergaard)应力函数?写出Westergaard应力函数的形式,并证明其满足双调和方程。

24、裂纹按其几何特征可分为哪几类?25、判断下图所示几种力情况下,裂纹扩展的类型262728、什么叫腐蚀?什么叫应力腐蚀?什么叫腐蚀临界应力强度因子K ⅠSCC ?29、什么叫应力疲劳?什么叫应变腐蚀?两者的裂纹扩展速率表达式是否相同?为什么?30、什么叫腐蚀疲劳?31、试述金属材料疲劳破坏的特点 32、现有的防脆断设计方法可分为哪几种?33、什么是疲劳裂纹门槛值,哪些因素影响其值的大小?它有什么实用价值? 34、应力腐蚀裂纹扩展的特征?第二类椭圆积分Φ0的值二、计算题:1、有一材料211/102m N E ⨯=,表面能密度m N /8=γ,外加拉应力27/107m N ⨯=σ。

断裂力学ppt课件

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应力面或主平面。在主应力面上, = 0; = T = 为主应力。从而,
T1 .n1 , T2 .n2 , T3 .n3
即:
Ti .ni
代入方程 Ti ij.nj , 有:.ni ij.nj , 或 ij ij nj 0
即: (11 )n1 12n2 13n3 0 21n1 (22 )n2 23n3 0 31n1 32n2 (33 )n3 0
18
y
x xy y
Ox
x
y
xy
y
0
x
二维平面斜截面上的应力
x
y
2
x
y
2
cos2xy
sin2
x
y
2
sin2xy
cos2
上式平方和相加,得:
x 2y 2 2 x 2y 2x 2y
n
在 坐标系中,与
落在一个,圆上
19
§ 1-1-3 主应力和主平面
若斜截面上只有正应力,而没有剪应力时,我们把这个平面叫做主
I1112233123 I21 2[(112222332)2(122232312)I12]1 22 33 1 I3det[ij]
21
应力不变量亦可写成:
I1 11 22 33
I2
11 21
12 22 22 32
23 33 33 13
x
x x
11 12 13
[ ij ] 21
22
23
31 32 33
13
• 一点的应力 各向同性材料过一点的其它各面上的应力都可以通过平衡关系用这9个量来表示。
这9个量表示了一点的应力状态。张量是一组表示某种性质的量的组合。它不是一个值。 因此,不可以说一点的应力多大,只能说某个面上的应力有多大,或一点某个方向

断裂力学讲义

断裂力学讲义

J
2 cr 0
Pc dcr
a a0
J c
da
J
a
T
4P2 c2
1
CM
CM
P cr
J c
静止裂纹柔度曲线
由此式可以计算裂纹扩展驱动力J积 分随裂纹扩展的变化
【习题5-7】推导并理解杨卫书上公式(2.91)-(2.98)
提示:有的公式有错。需要利用深缺口公式:
P c
c第r 24页2c/P共32页
25JQ
第Y13页/共32页
JQ J IC
如何测JR阻力曲线?试件一旦起裂按道理J积分的概念就不完全正确 了,但在实际过程中,认为在一些条件下(如裂纹少量扩展和稍后 要讲的J控制扩展情况下),仍可以在实验验证的情况下继续使用。 仍采用深缺口单试件法并采用卸载柔度来确定裂纹长度。
▪ 利用卸载柔度计算裂纹长度 ▪ 在计算J时的假设(解释)
可以记为 M c2
R
M
c
M c
2c
2
M c
J
M 0 c
d 2
第8页/共3c2页0
Md
也可以由量纲分析得到
J
0
M c
d
2 c
Md
0
量纲:
M ~ F E, ys ~ F / L2 c ~ L 和无量纲
根据定理
M
c
2
ys
;
;
E
ys
c2
~ 是无量纲函数
M c2
M c
2c
2M c
R
M
M
c
第9页/共32页
附:定理( Buckingham π theorem) E.Buckinghan,1915 量纲分析中的关键定理(key theorem in dimensional analysis)

断裂力学第二讲断裂力学理论Fracture Mechanics

断裂力学第二讲断裂力学理论Fracture Mechanics
(1913), pp.219–230.
5
C. E. Inglis
Sir Charles Edward Inglis (31 July 1875-19 April 1952) was a British civil engineer. Inglis spent much of his life as a lecturer and academic at King's College Cambridge and made several important studies into the effects of vibration and defects on the strength of plate steel. Inglis served in the Royal Engineers during the First World War and invented a lightweight, reusable steel bridge - the precursor and inspiration for the Bailey bridge of the Second World War . His military service was rewarded with an appointment as an Officer of the Order of the British Empire
12
Griffith理论
一、动机 两个矛盾的事实
The stress needed to fracture bulk glass is around 100 MPa.
The theoretical stress needed for breaking atomic bonds is approximately 10,000 MPa

断裂力学导论讲诉课件

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对未来学习和研究者的建议和展望
总结:随着科学技术的发展,断裂力学仍然是一个充 满挑战和机遇的领域。对于未来的学习和研究者来说 ,深入理解断裂力学的原理和方法,结合实际工程问 题,开展创新性的研究是至关重要的。
首先,建议学习和研究者具备扎实的力学基础和一定 的工程背景知识。其次,通过参加学术会议、研讨会 等活动,与同行交流,了解最新的研究动态和趋势。 此外,积极拓展相关领域的知识和技术,例如数值模 拟和实验研究等。最后,结合实际工程问题开展研究 ,不仅可以提高研究的意义和实用性,还可以促进学 科之间的交叉和融合。
03
包括应力、应变、弹性模量、泊松比等,是理解弹性
力学的基础。
塑性力学基础知识
01
塑性力学简介
塑性力学是研究物体在塑性范围 内的应力、应变和位移关系的学 科。
02
塑性力学的基本方 程
包括屈服条件、流动法则、强化 准则等,用于描述塑性物体的力 学行为。
03
塑性力学的基本概 念
包括塑性应变、塑性应力、加工 硬化等,是理解塑性力学的基础 。
研究材料在高温高压条件下的相变过程与断裂行为之间的关联,探索相变对材料从微观结构角度出发,研究高温高压条件下材料的晶体结构、化学键合、缺陷等与断裂行为之间的关系 。
多场耦合作用下断裂力学的研究
01
多物理场耦合模型
建立多物理场(如温度场、应力场、 电场、磁场等)耦合作用的数学模型 ,研究多场耦合对材料断裂行为的影 响机制。
金属材料抗疲劳性能评估
运用断裂力学的理论和方法,评估金属材料的抗疲劳性能,为提高 工程结构的安全性和可靠性提供依据。
断裂力学在复合材料中的应用
复合材料的层间断裂

断裂力学教案

断裂力学教案

第一章断裂力学的基本概念§.1断裂力学的产生与发展【产生】传统安全设计思想:二(脆性材料)n b二max 乞5b、n s>1)二(塑性材料)低应力破坏现象:二战时,美国建造2500只船,700只发生破坏,145只在非军事行为下断为两截,美国一T2油轮断裂,甲板应力为70MPa,而甲板屈服强度300MPa。

新的衡量材料断裂性能指标出现,标志着断裂力学的产生。

【发展】最早产生于1920年,Griffith (格里菲斯)提出:匚C 2=常数讥-裂纹扩展临界应力,a-裂纹半长度该理论的局限性:成功的解释了脆性材料开裂现象,但不能很好的解释金属材料。

1949 年,O rowan (奥罗文)提出修正的格里菲斯公式: □ c 寸 a =1'‘2EU 2——-卜常数< 71)U p -塑性变形功,E-弹性模量该理论的局限性:U p难以测量,工程上难以应用。

1957年,Irwin (伊尔文)提出应力强度因子K的概念,奠定了线弹性断裂力学的基础。

【发展状况】线弹性断裂力学成熟,弹塑性断裂力学不成熟。

【断裂力学与材料力学的不同点】材料力学研究完整的材料,断裂力学研究带裂纹的材料。

1)静荷载情况:材料力学用许用应力设计构件,断裂力学用断裂韧性设计构件。

2)循环荷载情况:材料力学用疲劳极限设计构件,断裂力学用疲劳寿命设计构件。

§.2裂纹的类型I型裂纹(张开型裂纹):拉应力垂直于裂纹扩展面I T§.3 Griffith 裂口理论理论假设:1)脆性材料存在微裂纹,裂纹尖端应力集中大大降低了材料强度2)对应一定尺寸裂纹a,有一临界应力值讥,当外加应力大小大于几时,裂纹扩展导致断裂。

3)裂纹扩展条件是扩展所需要的表面能由系统释放的弹性应变能提供。

[无裂纹时]取相当大的板,上下端施加均布载荷匚,稳定后把两端固定,构成能量圭寸闭体系。

J__泊松比U i 兀cy2 a2(平面应力)或U i二(1」1 2);「2a2E(平面应变)(2)新增表面能:U ? =4a――单位面积表面能对平面应力问题,有裂纹情况下系统总能量:显然U 是a 的函数。

断裂力学基础

断裂力学基础

第五章 线弹性断裂力学§5.1 引 言断裂力学是从材料强度问题提出的。

随着固体物理、物理力学等学科的发展,人们已能够大致从理论上计算出某些固体材料(特别是单晶体)的理论强度t σ。

例如,Orowan(1949)得到πσ2/E t ≈, Zhurkov (1957)得到E t ≈σ。

其中E 为杨氏模量。

但试验中测得的实际材料强度远远低于计算所得的理论强度, 两者往往相差几个数量级。

这一情况吸引着不少科学家去研究现有材料的强度比理论强度低的原因。

人们很早就认识到这是由于实际固体中存在着大量缺陷所致。

但这种认识在很长一段时期里只停留在定性说明阶段。

而对于缺陷如何定量地影响材料的强度,直到断裂力学的产生,才得到较明显的进展。

§4.2介绍了含椭圆孔平板受拉伸时的弹性解。

当拉伸应力σ垂直于椭圆长轴时,长轴端点处的环向应力最大。

由§4.2可得()σσb a /21max += (5.1)又椭圆长轴端点处的曲率半径为a b /2=ρ, 因此(5.1)又可以改写成()σρσ/21max a += (5.2)因而应力集中系数α为ρα/21a += (5.3)当ρ很小时,α很大。

当0→b 时,椭圆孔就退化为长为a 2的直线裂纹。

更一般的提法是0→ρ。

按上述计算公式得到∞→α。

这样的结果不能用传统的连续介质力学的观点来解释。

Griffith 没有直接考虑裂纹尖端的应力,绕过这一矛盾,而计算由于裂纹的存在,整个弹性板所释放的弹性势能为(参看§5.4)'/22E a W c πσ= (5.4)为简便起见,设板的厚度为1. 其中E 为杨氏弹性模量。

由于裂纹的出现,增加的表面能为:Γa S 4= (5.5) 其中Γ为单位面积的表面能。

Griffith 认为当裂纹端部扩展一小段长度da (裂纹长度从2a →2a+2da )时,弹性势能的释放率dW c /da ,如果大于或等于表面能的增加率dS/da ,则裂纹处于不稳定状态,势必进一步扩展,因此而得到裂纹扩展的条件为dadSda dW c =(5.6) 将(5.4),(5.6)代入上式,得临界应力σg 为:⎪⎭⎪⎬⎫-==)( )1(/2)( /22平面应变平面应力νπΓσπΓσa E a E g g (5.7)其中E 、Γ是材料常数。

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EN175: Advanced Mechanics of SolidsDivision of Engineering Brown University8.4 Energy methods in fracture mechanicsEnergy methods provide additional insight into fracture, and also provide a foundation for a range of analytical and numerical methods in fracture mechanics. In this section, we outline some of the most important results.8.4.1 Definition of crack tip energy release rate for cracks in linear elastic solidsThe crack tip energy release rate quantifies the rate atwhich strain energy is dissipated as the crack grows.To make this precise, consider an ideally elastic solid with elastic constants subjected to some loading (applied tractions, displacements, or body forces). Suppose the solid contains a crack (the figure shows a circular crack with radius a as a representative example). Define the potential energy of the solid in the usual way asSuppose the crack increases in size, so that the crackadvances a distance with loading kept fixed, wheres measures position around the crack front. The principle of minimum potential energy (sect 4) shows that , since the displacement field associated with is a kinematically admissible field for the solid with a longer crack. The energy release ratearound the crack front is defined so thatEnergy release rate has units of (energy per unit area).For the special case of a 2D slit crack with length a , the energy release rate iswhere is now the potential energy per unit out-of-plane distance.8.4.2 Energy release rate as a fracture criterionPhenomenological fracture (or fatigue) criteria can be based on energy release ratea(s)σσδaarguments as an alternative to the K based fracture criteria discussed earlier.The argument is as follows. Regardless of the actual mechanisms involved, crack propagation involves dissipation (or conversion) of energy. A small amount of energy is required to create two new free surfaces (twice the surface energy per unit area of crack advance, to be precise). In addition, there may be a complex process zone at the crack tip, where the material is plastically deformed; voids may be nucleated; there may be chemical reactions; and generally all hell breaks loose. All these processes involve dissipation of energy. We postulate, however, that the process zone remains self-similar during crack growth. If this is the case, energy will be dissipated at a constant rate during crack growth. The crack can only grow if the rate of change of potential energy is sufficient to provide this energy.This leads to a fracture criterion of the formfor crack growth, where is a property of the material. Unfortunately is often referred to as the fracture toughness of a solid, just like defined earlier. It is usually obvious from dimensional considerations which one is being used, but its an annoying source of confusion.8.4.3 Relation between energy release rate and stress intensity factorThe energy release rate G is closely related to the stressintensity factors defined in Sect 8.3. The result isDerivationA neat argument due to Irwin provides theconnection.A crack of lengtha can be regarded as a crack withwhich is being pinched closed by an appropriate distributionof traction acting on the crack faces betweenand. We can therefore calculate the change in potential energy as the crack propagates by distance by computingthe work done as these tractions are progressively relaxed tozero.The asymptotic crack tip field (Sect 6.3.1) gives the tractions acting on the upper crack face as(equal and opposite tractions must act on the lower crack face). As the crack is allowed to open, the upper crack face displaces bywhere we have assumed plane strain deformation. The total work done as the tractions are relaxed quasi-statically to zero isa δ a δ a x 2x 2x 1(the work done by tractions acting on the upper crack face per unit length is , andthere are two crack faces). Evaluating the integrals givesThe same result can be obtained by applying crack tip energy flux integrals, to be discussed shortly.8.4.4 Relation between energy release rate and complianceEnergy release rate is related to the compliance of a structure or specimen. Consider the compact tension specimen shown in the picture. Suppose that the specimen is subjected to a load P , which causes the point of application of the load to displace by a distance in a direction parallel to the load. The compliance of the specimen isAs the crack grows, the compliance of the specimen always increases, so C is a function of crack length. The energy release rate is related to compliance C byThis result is useful for two reasons:(i) It can be used to measure energy release rate in an experiment. All you need to do is to measure the crack length as it grows, and at the same time measure the compliance of your specimen.(ii) It can be used to calculate stress intensity factors, as outlined in the next section.Derivation: The load induces a total strain energyin the specimen.Now, suppose that the crack extends by a distance . During crack growth, the loadincreases to and displaces to . In addition, the strain energy changes to, while the compliance increases to . The energy released during crack advance is the change in strain energy, less the work done by applied loads, so thatNote thatδaΦΦ+δΦx 0+δxx 0P+δPPBawhenceThe energy release rate therefore is related to compliance by8.4.5 Calculating stress intensity factors using complianceThe relation between compliance and energy release rate can be used to determine energy release rates, and possibly also stress intensity factors, for structures whose rate of change of compliance with crack length can be easily determined. One example is the cantilever beam specimen shown belowThe deflection d of the loaded point must be twice that of a cantilever beam, length a , width B and height h , clamped on its right hand end and subjected to a load P at its left hand end. From elementary strength of materials theorywhere E is the Young’s modulus of the specimen. ThusThe energy release rate therefore follows asBy symmetry, the crack must be loaded in pure mode I. We can therefore deduce the stress intensity factor using the relationThus8.4.6 Integral expressions for energy flux to a crack tipIn this section we outline a way to compute the energy release rate for a crack, which applies not only to linear elastic solids under quasi-static loading conditions, but is completely independent of the constitutive response of the solid, and also applies underhBhPaddynamic loading (it is restricted to small strains, however). The approach will be to find an expression for the flux of energy through a cylindrical surface enclosing the crack tip, which moves with the crack. We will get the energy release rate by shrinking the surface down onto the crack tip.Energy flux across a surface in a solid: Consider anarbitrary surface S, which encloses some volume V in asolid. The surface need not necessarily be a material surface– it could move with respect to the solid. Let denote the displacement, (infinitesimal) strain and stress field in the solid, and let denote the velocity of a material point with respect to a fixed origin. Assume that the solid isfree of body forces, for simplicity. The energy flux across S can be calculated as follows:1. Define the rate of change of mechanical energy density at a point inside V aswhereis the rate of work done against stresses, andis the kinetic energy density. 2. Define the work flux vector. ThenTo see this, note thatwhere we have used the linear and angular momentum balance equations. 3. Now, integrate over the volume V and apply the divergence theorem to see that4. Finally, apply the Reynolds transport theorem to the term on the right hand sidewhere denotes the velocity of the surface . The term on the right hand side clearly represents the total rate of change of mechanical energy in V . Consequently, the term on the left hand side must represent the mechanical energy flux across . This is the result we need.Energy flux to a crack tip. We can use the energy flux integral to obtain an expression for the energy flux to a crack tip. Suppose the crack tip runs with steady speed v in the direction. Let denote a cylindrical surface enclosing the crack tip, which moves with the crack tip. The energy flux through follows aswherex 1x2mVSis the net work done on the solid per unit volume by stresses, and is the kinetic energy density. The energy flux to the crack tip follows by taking the limit as shrinks down onto the crack tip.Contour integral formula for energy release rate. To obtain an expression for the energy release rate, assume that the crack tip fields remain self-similar (i.e. an observer traveling with the crack tip sees a fixed state of strain and stress). In addition, assume that the crack front is straight, and has length L in direction perpendicular to the plane of the figure. Under these conditions , and . Consequentlywhere C is a contour enclosing the crack tip. (Equivalent results can be derived for general 3D cracks, but these details are omitted here).This result is valid for any material response (including plastic materials), and applies to both static and dynamic conditions.8.4.7 Rice’s J integralThe result derived in the preceding section becomes particularly useful if we make two further assumptions:1. Quasi-static loading2. The material is elasticIn this case T=0 and is simply the strain energy density in the solid - e.g. for a linear elastic solid with no thermal stress,The expression for energy flux through a surface surrounding the crack tip reduces tox 1x 2Γmx 1x2ΓmThis is the famous J integral . It has the following properties:1. The crack tip energy integral is path independent , as long as the material enclosedby the contour is homogeneous. There is no need then to shrink the contour down onto the crack tip – we get the same answer for any contour that encloses the crack tip.2. J=G for an elastic solid - so the contour integral gives an elegant way to calculate the crack tip energy release rate.Path independence of J : To show this, we first show that if the J integral is evaluated around any closed contour that does not enclose the crack tip, it is zero. To see this, applythe divergence theoremwhere A is the area enclosed by . To see that the integral on the right hand side is zero, note thatwhere we have used the equilibrium equation .Now, evaluate the integral around the closed contour shown on the right. Note that the integrand vanishes on and so thatNow reverse the direction of integration around (note that m = -n ) to getshowing that the integral is equal for any two contours that start and end on the two crack faces.8.4.8 Calculating energy release rates using the J integralThe J integral has many applications. In some cases it can be used to compute energy release rates. For example, consider the problem shown below. A long linear elastic cracked strip is clamped between rigid boundaries. The bottom boundary is held fixed; the top is displaced vertically by a distance . Calculate the energy release rate for the crack.x 1x 2m AΓx 1x2C 1C 3C 2C 4mmnFor this case J=G and we can easily evaluate the J integral around the contour shown. The integrand vanishes everywhere except the segment . On this segment it is easy to see thatwhile can be made arbitrarily small by taking far ahead of the crack tip. Therefore, evaluating the integral, we getSymmetry conditions show that the crack must be loaded in pure mode I, so the stress intensity factor can also be computed.x 1x2Γ1Γ2Γ3Γ4Γ5h/2h/2© A. F. Bower, Division of Engineering, Brown University, Providence RI 02912. These notes are intended for students at Brown University. You are welcome to print or reproduce these notes for individual study, but please seek the author’s permission before using them for any other purpose.。

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