断裂力学发展史
断裂动力学
断裂动力学
断裂动力学是指在物体强烈变形过程中分析破裂现象的学科，它
的发展历史不短，经历了多位科学家的探索和研究。
20世纪初期，英国物理学家伦纳德状元哲学（L. H. Baekeland）提出了固体材料破裂的“能量释放”观点，成为断裂动力学的初始基础。
此后，史蒂芬·蒯尔（S. K. Karihaloo）等人逐渐明确了断裂动
力学的研究范围和意义。
20世纪50年代的断裂力学，主要研究断裂的机理和固体材料的
破裂强度，其代表性人物是英国物理学家格里菲斯。
他通过对玻璃薄
板的实验，首次提出了“裂纹易于扩展”的概念和格里菲斯方程，具
有重要的理论和实践意义。
20世纪60年代，美国材料科学家罗伯特·豪克斯（R. O. Huggins）提出了“韧度”的概念，即抵抗破裂的能力。
此后，断裂动
力学研究逐渐扩展到包括金属、非金属、陶瓷、复合材料等各种材料。
其中，陶瓷材料的研究表现出尤为显著的成果，多位科学家进行了深
入的研究。
21世纪以来，随着材料科学和计算机技术的发展，断裂动力学领域的研究也得到了迅速发展。
基于材料的断裂动力学分析模型不断完善，仿真技术得以广泛应用，为实现材料性能预测和优化设计提供了
依据。
总的来说，断裂动力学是材料科学中一门十分重要的学科，其发
展历程充满了许多优秀科学家的研究探索和经验总结。
今后，断裂动
力学的研究还将继续深入，为所有领域的材料应用和设计提供有力支持。
断裂力学试题
17.疲劳长裂纹扩展的规律和机理？ 答：扩展速率受控于裂纹尖端的应力强度因子范围ΔK，ΔK=Kmax-Kmin；
随着应力比增大，疲劳裂纹扩展速率增大，疲劳门槛值减小。 组织对 Paris 区的 da/dN 影响不大， 而对门槛值区有较大影响。 18.分析疲劳断口的组成与影响因素； 答： （1） 疲劳断口的组成：一个典型的疲劳断口总是由疲劳源、疲劳裂纹扩展 区和最终断裂区三部分构成。 （2）影响因素：平均应力（拉伸平均应力降低疲劳强度，压缩平均应力提高疲 劳强度） 、表面加工与处理（疲劳裂纹通常起始于零件表面，因此，表面状况对 疲劳寿命有很大的影响，表面光洁度越高，形成疲劳裂纹的时间越长） 、加载型 式、缺口与应力集中、试样的尺寸。 19.分析疲劳应力应变曲线的特点；
e ae p
J J ae J
答： （1）在线弹性条件下,这三个参量可以互相替换,它们各自的断裂判据都是等效的，对 I 1 型裂纹： J K I2 GI E E E 1 2 E E 其中，平面应力： ；平面应变 ： （2）在弹塑性条件下,应力强度因子已不在适用,主要是运用 J 积分和 COD 参量。在大范围 屈服的情况下二者之间的关系(采用 D-M 模型)： J s ；考虑到实际材料,工程中可以 对其进行修正：J k
第一章断裂力学概论-2009分解
第一章断裂力学概论第1节绪论1.断裂力学的起源与发展最早的断裂力学思想1921年英国科学家Griffith研究“为什么玻璃的实际强度比从它的分子结构所预期的强度低得多？”，推测“由于微小的裂纹所引起的应力集中而产生”，提出适合于判断脆性材料的与材料裂纹尺寸有关的断裂准则——能量准则。
断裂力学发展的背景蓬勃发展的近代先进科学技术，对传统的强度理论提出了挑战。
1) 高强度材料和超高强度材料的使用2) 构件的大型化3) 全焊接结构的使用灾难性事故焊接铁桥断裂破坏1938-1942年，世界上有40座焊接铁桥，按照传统观点未发现任何异常的情况下，突然断裂倒塌。
自由号轮船的断裂破坏上世纪40年代，美国“自由号”轮船焊接部位的25%被发现有裂纹，在4694艘轮船的焊接结构中，有1289处有裂纹，其中有233处引发了灾难性事故。
典型的T-2号油船上，由裂纹导致甲板在几秒钟内破坏成两半，调查发现，破断处的最大弯矩还不到许用设计弯矩的一半。
“彗星”号飞机破坏失事1954年1月10日，一架“彗星”号飞机飞行在纽约30000英尺高空突然解体坠入地中海，飞机破坏的主要原因是疲劳引起的增压舱破坏，增压座舱观察窗一角应力太高而引起疲劳破坏。
破坏时的应力只相当70%的材料的强度极限。
事故的规律1)断裂时，工作应力都较低2)尽管是典型的塑性材料，却表现出脆性断裂现象（低应力脆断）3)对断口进行分析，发现“低应力脆断”是从构件内部存在的微小裂纹源扩展引起的。
——构件中不可避免的存在裂纹或类似裂纹的缺陷是引起“低应力脆断”的根源——以裂纹体为研究对象的一门学科——断裂力学应运而生。
断裂力学的形成1957年，美国科学家G.R.Irwin提出应力强度因子的概念, 线弹性断裂理论的重大突破，应力强度因子理论作为断裂力学的最初分支——线弹性断裂力学建立起来。
断裂力学的发展现代断裂理论大约是在1948—1957年间形成，它是在当时生产实践问题的强烈推动下，在经典Griffith理论的基础上发展起来的，上世纪60年代是其大发展时期。
断裂力学程靳
断裂力学程靳【原创版】目录1.断裂力学的概念2.断裂力学的发展历程3.断裂力学的应用4.断裂力学的未来发展趋势正文一、断裂力学的概念断裂力学，作为固体力学的一个重要分支，主要研究在外部载荷或内部应力作用下，材料发生的断裂现象及其规律。
断裂力学旨在揭示材料在断裂过程中的力学行为，从而为材料设计、制造和使用提供理论依据。
二、断裂力学的发展历程1.20 世纪 50 年代，断裂力学作为一门独立的学科逐渐形成，程靳教授是我国断裂力学研究的奠基人之一。
2.20 世纪 60 年代，断裂力学得到了迅速发展，研究领域逐渐扩大，开始涉及到多种材料和结构的断裂问题。
3.20 世纪 70 年代，随着计算机技术的飞速发展，断裂力学进入了数值模拟阶段，可以更精确地预测材料在断裂过程中的行为。
4.21 世纪以来，断裂力学与材料科学、纳米技术等新兴学科相互融合，不断推动着断裂力学的发展。
三、断裂力学的应用断裂力学在工程领域具有广泛的应用，包括：1.航空航天领域：断裂力学为飞机、火箭等飞行器的结构设计提供了重要的理论依据。
2.建筑领域：断裂力学为建筑结构的安全性评估和抗震设计提供了重要的参考。
3.能源领域：断裂力学在核电站、油气管道等能源设施的设计和运行中发挥着重要作用。
4.交通领域：断裂力学在汽车、火车、船舶等交通工具的结构设计中具有重要应用。
四、断裂力学的未来发展趋势1.随着新材料、新结构的不断涌现，断裂力学将不断拓展研究领域，寻求新的断裂规律。
2.断裂力学将与计算机科学、人工智能等技术紧密结合，发展更为高效、精确的数值模拟方法。
3.断裂力学将更加注重多尺度、多物理场的综合研究，提高对材料断裂行为的预测能力。
断裂力学的发展与研究现状
断裂力学的发展与研究现状一、断裂力学概述断裂力学是一门研究材料或结构在断裂过程中力学行为的学科。
它专注于理解材料的微观结构和性能，以及在外力作用下材料裂纹萌生、扩展和断裂的机制。
断裂力学在工程应用中具有非常重要的意义，因为材料的断裂会直接导致灾难性的后果。
二、断裂力学的发展自20世纪60年代以来，断裂力学得到了迅速的发展。
这个领域的研究可以分为两个主要方向：线性断裂力学和非线性断裂力学。
1. 线性断裂力学：线性断裂力学研究裂纹在材料中扩展的规律，其理论基础主要是弹性力学和塑性力学。
这个方向的主要目标是预测裂纹扩展的速率，以及裂纹对材料性能的影响。
2. 非线性断裂力学：非线性断裂力学研究裂纹在非线性材料中扩展的规律。
这种材料的行为会随着裂纹的扩展而改变，因此需要使用更复杂的模型来描述。
非线性断裂力学的研究对于理解复合材料、金属、陶瓷等材料的断裂行为非常重要。
三、断裂力学的研究现状当前，断裂力学的研究主要集中在以下几个方向：1. 疲劳裂纹扩展研究：疲劳裂纹扩展是工程结构中最常见的断裂形式之一。
这个方向的研究主要关注疲劳裂纹的萌生和扩展机制，以及如何预测疲劳寿命。
2. 复合材料断裂研究：复合材料由于其各向异性和非线性特性，其断裂行为比金属材料更为复杂。
这个方向的研究主要关注复合材料的分层、脱层、破碎等行为，以及如何优化复合材料的结构设计。
3. 微裂纹扩展研究：微裂纹在材料中广泛存在，其对材料的性能和安全性具有重要影响。
这个方向的研究主要关注微裂纹的萌生、扩展和聚集机制，以及如何检测和预防微裂纹的产生。
4. 跨尺度断裂力学研究：这个方向的研究关注在不同尺度（如微观、介观和宏观）下材料的断裂行为。
它涉及到材料在不同尺度下的物理性质，以及不同尺度之间的相互作用。
这种跨尺度的方法有助于更全面地理解材料的断裂行为。
四、未来研究方向与挑战随着科学技术的发展，断裂力学仍面临许多新的挑战和研究机会。
未来几年，以下几个方向可能会成为研究的热点：1. 高性能计算与模拟：随着计算机技术的发展，高性能计算和模拟已经成为解决复杂工程问题的关键工具。
断裂力学的发展及应用
断裂力学的发展及应用断裂力学是研究材料或结构在受到外力作用下发生断裂的科学学科。
它在材料科学、工程力学、机械工程、航空航天工程等领域得到了广泛应用。
本文将从断裂力学的发展历程、理论基础和应用领域等方面进行阐述。
断裂力学的发展可以追溯到19世纪60年代的英国。
当时，材料的断裂行为被认为是不可控的，因此无法进行可靠的工程设计和分析。
然而，随着强度学说的发展和研究方法技术的进步，人们开始关注材料的断裂现象，并逐渐形成了断裂力学的理论框架。
断裂力学的理论基础主要有线弹性断裂力学和粘弹性断裂力学两个方面。
线弹性断裂力学主要研究刚性材料的断裂行为，在应力达到材料的破坏强度时，材料会发生断裂现象。
粘弹性断裂力学则是研究粘弹性材料在外力作用下的破坏行为，强调材料的时间依赖性。
断裂力学的应用十分广泛。
首先，在材料科学领域，断裂力学的研究可以帮助科学家、工程师更好地理解材料的断裂机制、破坏过程和破坏特征，为新材料的开发和设计提供理论指导。
例如，在航空航天工程中，断裂力学可以用于研究飞机结构的疲劳寿命和断裂危险性，以确保飞机的安全飞行。
其次，断裂力学对工程力学领域也有着重要的意义。
通过引入断裂力学，可以对工程结构和构件的破坏行为进行预测和分析，从而提高结构的安全性和可靠性。
例如，在建筑工程中，通过断裂力学可以研究混凝土、钢筋等材料的断裂行为，为建筑物的设计和施工提供技术支持。
此外，断裂力学还被广泛应用于汽车工程、机械工程、电子工程等领域。
在汽车工程中，断裂力学可以用于研究汽车材料的断裂特性和疲劳寿命，为汽车的制造和安全性评估提供依据。
在机械工程中，断裂力学可以用于分析和优化机械零件的设计，提高机械设备的使用寿命和可靠性。
在电子工程中，断裂力学可以研究材料的可靠性和耐久性，提高电子设备的性能和稳定性。
总之，断裂力学的发展及应用不仅推动了材料科学、工程力学等学科的进步，也在各个领域为科学研究和工程设计提供了理论基础和实际指导。
断裂力学
断裂力学的发展史及其在岩土工程中的应用断裂力学的主要发展史：1921年，Griffith(格里菲斯)用弹性体能量平衡的观点研究了玻璃、陶瓷等脆性材料中的裂纹扩展问题，提出了脆性材料裂纹扩展的能量准则。
(线弹性断裂力学)1949年E.Orowan （欧罗万）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. (线弹性断裂力学)1948年，Irwin 提出对Griffith 理论的修正，引进了裂纹能量释放率，从而提出了裂纹临界平衡状态的判据。
1957年，Irwin 应用了H.M.Westergaard 在1939年提出的解平面问题的一个应力函数，求解了带穿透性裂纹的空间大平板两相拉伸的应力问题，并引入了应力强度因子K 的概念，随后又在此基础上形成了断裂韧性的概念，并建立起测量材料断裂韧性的试验技术，从而奠定了线弹性断裂力学的基础。
(线弹性断裂力学)1965年Wells(威尔斯)在大量实验的基础上，提出以裂纹尖端的张开位移描述其应力、应变场．裂纹尖端张开位移，即裂纹体受载后，在原裂纹尖端垂直裂纹方向上所产生的位移，一般用σ表示。
威尔斯首先提出了弹塑性条件的断裂准则COD 准则：当裂纹尖端张开位移σ达到临界值σc 时，裂纹将开裂，即σ=σc 时，裂纹开裂． ( 弹塑性断裂力学)1968年，Rice(赖斯)提出了J 积分理论．以J 积分为参数并建立断裂准则，J 积分是围绕裂纹尖端作闭合曲线的积分．在线弹性情况下有： 211K J G E==(平面应力)， 2211(1)K J G v E==-(平面应变) 进而建立J 积分断裂准则：当围绕裂纹尖端的J 积分达到临界值 时，即J=J c 时，裂纹开始扩展.( 弹塑性断裂力学)7O 年代初，Sih 与Loeber(洛依伯)导出了外载随时间变化而裂纹是稳定的情况的渐近应力场与位移场，Rice 等多人先后导出了裂纹以等速传播情况的渐近应力场与位移场，并提出了裂纹稳定而外载随时间迅速变化情况下的裂纹开裂准则：1(,,)()Id K a t K σ=σK Id 是表征材料动态断裂性能的常数，称为裂纹动态起始扩展问题的断裂韧性，它与加载速率σ有关。
断裂力学1
断裂力学
断裂力学是一门研究材料或者结构的断裂现象和断裂规律的新学科。
断裂力学的基础理论是连续介质力学，结合材料断裂试验，研究具有初始裂纹、缺陷等材料或构件承力时形状及结构的断裂变化。
1886年，纽约75米高的大型水塔在进行水压试验时意外断裂；第二次世界大战中，美国建造的近2000艘军舰中有250艘突然断裂；其他国家的铁桥、大型油罐、高压输气管等意外断裂事故也频频发生，迫使人们对断裂现象进行研究，断裂力学这门新学科应运而生。
断裂力学的内容起初仅为对高强度材料在外荷载作用下发生低应力破坏现象的分析研究。
为保证材料、构件的安全使用，后来发展到对材料及构件内裂纹的发生、发展到断裂过程的分析研究，并从微观层次上对材料机理进行深入研究。
断裂力学认为，物体意外断裂是由于物体含有裂纹缺陷并扩展造成的。
对含裂纹材料进行详尽研究，建立一套测试方法和分析计算方法，指出固体材料有裂纹缺陷存在，高强度材料中的裂纹往往容易扩张，导致断裂。
只有把断裂力学理论和传统的强度理论结合起来，才能更好地进行安全设计，避免发生事故。
如果发现材料或构件中有裂纹，盲目认为是绝对危险的，丢弃不用，会造成极大浪费。
利用断裂力学可掌握裂纹扩张规律，评定出构件的安全可靠性，使有裂纹的结构件在一定条件下还可安全使用一段时间。
我国混凝土断裂力学发展三十年
未来展望
面向未来，我国混凝土断裂力学的发展应以下方向：
1、完善混凝土裂缝扩展准则和断裂韧性计算方法，提高其普适性和精度。这 需要在对现有理论进行深入研究的基础上，考虑更复杂的因素，如多轴应力状 态、材料非均质性等。
2、加强混凝土断裂力学的数值模拟研究。通过发展更精确的数值模型，实现 对混凝土裂缝扩展和止裂措施的精细模拟，提高工程设计的可靠性和经济性。
结论
我国混凝土断裂力学发展三十年来，取得了显著成果，为我国基础设施建设提 供了有力支持。然而，仍存在一些不足和挑战。面向未来，我们需要进一步完 善理论、加强数值模拟研究、结合实际工程开展更多有针对性的研究，并加强 国际合作与交流，以推动我国混凝土断裂力学的发展迈向更高水平。
参考内容
引言
钢筋、FRP（纤维增强塑料）与混凝土是现代工程中常用的复合材料，其界面 力学特性对于结构的性能和安全性具有重要意义。在复杂载荷作用下，界面的 破坏与断裂是导致结构失效的重要原因之一。因此，研究基于断裂力学的钢筋、 FRP与混凝土界面力学特性具有重要的理论意义和工程应用价值。
结果与讨论
通过对实验结果和数值模拟的分析，本次演示得出以下结论：（1）混凝土材 料的微观结构和力学性能对断裂行为具有显著影响，其中骨料粒径和种类、水 灰比、纤维掺量等因素对混凝土的断裂韧性和延性有重要影响；（2）试验方 法和数值模型的选取对混凝土断裂研究的准确性具有重要影响，
如数字图像相关技术和声发射技术在实时监测裂缝扩展方面具有较高的精度和 可靠性；（3）通过优化设计和施工，可以降低混凝土结构的断裂风险，如采 用增强钢筋网、增加约束条件等措施可以提高混凝土的抗裂性能。
主要成果与不足
经过三十年的发展，我国混凝土断裂力学取得了显著成果。首先，在基础理论 研究方面，我国学者提出了多种适用于中国国情的新型混凝土裂缝扩展准则和 断裂韧性计算方法。其次，在应用研究方面，我国混凝土断裂力学为众多重大 工程提供了理论指导和技术支持，如三峡大坝、港珠澳大桥等。此外，我国在 混凝土材料的耐久性方面也开展了广泛研究，为提高结构物的使用寿命提供了 有效途径。
经典断裂力学的发展历史及未来的发展方向
经典断裂力学的发展历史及未来的发展方向姓名：张杰学号：S2*******摘要：断裂力学是50年代开始发展起来的固体力学的新分支。
本文主要按断裂力学发展的历史，着重介绍线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学、断裂动力学这三种经典断裂力学的基本理论与断裂准则，简要谈及建立在奇异性基础上经典断裂力学断裂理论所存在的主要问题与矛盾，以及对未来断裂力学的展望。
关键词：断裂力学；发展方向；断裂准则1 经典断裂力学的发展历史金属断裂力学是20世纪50年代开始蓬勃发展起来的固体力学分支。
常规的疲劳设计方法，假设材料开始时是无裂纹的连续介质，经过一定的应力循环后，由于疲劳积累损伤而形成裂纹，再经裂纹扩展阶段直至断裂。
按常规的疲劳试验方法，试验结果常表示为应力σ与寿命t的关系，常用σ-t曲线表示。
常规疲劳设计所用的公式，都是从σ-t曲线为基础而推出的[1]。
大多数结构材料的疲劳极限与强度极限成线性关系，所以一般认为强度极限高的材料，疲劳寿命也长。
断裂力学认为裂纹的存在是不可避免的。
断裂力学着眼于从裂纹尖端局部区域的应力场、位移场来研究带裂纹的构件所能承受的载荷和断裂韧度及裂纹尺寸间定量关系，研究裂纹的扩展规律，考察裂纹对结构强度和使用寿命的影响，建立断裂准则，提出容许裂纹的设计方法，探讨如何控制和防止混凝土结构断裂破坏的措施。
断裂力学学科的先导者英国科学家Griffifth于1920年研究了玻璃、陶瓷等脆性材料的实际强度与理论强度的重大差异，为描述脆性断裂过程提出了脆性材料裂纹扩展的能量准则。
这一准则有力地说明了实际强度与最大裂纹尺寸间的关系。
Griffifth认为裂纹扩展时为了形成新裂纹表面必定消耗一定的能量，该能量是由弹性应变能释放所提供。
长期以来被认为只适于玻璃等脆性材料的Griffifth理论直到20世纪50年代才由Irwin和Orowan重视，加以修正并用于金属材料的脆性断裂，这就成为断裂韧度概念的基础。
他们认为Griffifth的能量平衡中必须同时考虑裂纹尖端附近塑性变形耗用的能量。
断裂力学概述及其应用
断裂力学概述及应用定义：断裂力学(fracture mechanics) 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。
起源：1957年，美国科学家G.R.Irwin提出应力强度因子的概念, 线弹性断裂理论的重大突破，应力强度因子理论作为断裂力学的最初分支——线弹性断裂力学建立起来。
发展：现代断裂理论大约是在1948—1957年间形成，它是在当时生产实践问题的强烈推动下，在经典Griffith理论的基础上发展起来的，上世纪60年代是其大发展时期。
我国断裂力学工作起步至少比国外晚了20年，直到上世纪70年代，断裂力学才广泛引入我国，一些单位和科技工作者逐步开展了断裂力学的研究和应用工作。
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。
分类：断裂力学的类型分为：线性断裂力学、弹塑性断裂力学、断裂动力学。
研究的内容包括了：裂纹的起裂条件、裂纹在外部载荷和（或）其他因素作用下的扩展过程、裂纹扩展到什么程度物体会发生断裂。
1.线性断裂力学:应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。
1921年格里菲斯通过分析材料的低应力脆断，提出裂纹失稳扩展准则格里菲斯准则。
1957年G.R.欧文通过分析裂纹尖端附近的应力场，提出应力强度因子的概念，建立了以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则。
线弹性断裂力学可用来解决脆性材料的平面应变断裂问题，适用于大型构件（如发电机转子、较大的接头、车轴等）和脆性材料的断裂分析。
实际上，裂纹尖端附近总是存在塑性区，若塑性区很小（如远小于裂纹长度），则可采用线弹性断裂力学方法进行分析。
2.弹塑性断裂力学：应用弹性力学、塑性力学研究物体裂纹扩展规律和断裂准则，适用于裂纹体内裂纹尖端附近有较大范围塑性区的情况。
断裂力学与“断裂力学之父”
断裂力学与“断裂力学之父”1、断裂力学发展简史英格里斯（E.C.Inglis）1913年发表无线板椭圆孔应力集中理论分析结果；格里菲斯（A.A.Griffith）1920年发表著名论文“固体的断裂与流动的现象”（“The phenomenon of Rupture and Flow in solids”）。
前者为后者准备了某种条件，而后者为后来的固体断裂现象研究与断裂力学的创立奠定了理论基础。
欧文（G.R.Irwin）于1985年和1960年分别发表“断裂”（“Fracture”）和“断裂力学”（“Fracture Mechanics”）两篇具有划时代意义的著名论文。
从此，断裂力学这门新型的工程结构强度科学便在全世界广泛地传播开来。
现在这门学科已成为当代最新科学技术成就里最富实用价值的强有力的一门新的工程科学了。
奥罗万（E.Orowan）、巴林布拉特（G.I.Barenbatt）等著名学者也发表一系列论文，对断裂力学的发展起到了奠基和发展作用。
阿维尔巴赫等人（B.L.Arerbach etal）1959年主编的论文集《断裂》（《Fracture》）对本门学科也同样起到了极大的作用。
断裂力学最早是在1920年提出的。
当时格里菲斯为了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的实际强度比理论强度低的原因，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，板状构件中应变能变化进而得出了一个十分重要的结果：。
1949年，奥罗万在分析了金属构件的断裂现象后对格里菲斯的公式提出了修正，他认为产生裂纹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，其提出了以下公式：该公式虽然有所进步，但仍未超出经典的格里菲斯公式范围，而且同表面能一样，应变功U是难以测量的，因而该公式仍难以应用在工程中。
断裂力学的重大突破应归功于欧文应力场强度因子概念的提出，以及以后断裂韧性概念的形成。
断裂力学的发展与混凝土结构开裂分析
断裂力学的发展与混凝土结构开裂分析摘要：断裂力学是一门研究结构裂纹以及裂纹扩展规律的科学，又叫裂纹力学。
本文通过介绍对国内外断裂力学发展的历史过程，同时说明了当今断裂力学发展所面临的问题，阐述了断裂力学将来的发展方向。
还描述了使用断裂力学的原理来分析混凝土中的裂纹，混凝土裂纹的产生和扩展对结构的安全问题存在着巨大影响，科学的分析混凝土开裂的产生原因，以便采取相应措施避免这些事故。
关键词：断裂力学；裂纹；混凝土；材料0 引言断裂力学起源于20世纪初期，属于固体力学的一个分支，于上世纪70年代才广泛引入我国，工程上对构件或结构强度的计算方法长期以来都是以材料力学和结构力学为基础的传统的强度计算。
这种传统的计算理论已经有一百多年的历史，但是材料力学和结构力学通常都是假定材料为连续性、均匀性、各向同性和变形是微小的，认为构件不存在的缺陷和裂纹。
在使用传统力学理论计算结构承载能力时，只要结构在工作时的应力不超过结构材料的容许应力值就认为构件或结构处于安全状态，若超过了容许应力，则为不安全[1]。
在材料力学和结构力学的传统强度理论中的基本假设，完全忽略了材料内部不可避免地存在着的这些生产缺陷诸如杂质、气泡、裂纹等生产缺陷的存在[2]。
为了填补在实际工程上存在的这些传统力学的局限性，断裂力学便是基于对这些裂纹的研究而发展起来的。
1 断裂力学的发展及概念现代断裂力学研究内容主要包括：裂纹的产生条件，裂纹在荷载作用下产生的拓展现象，裂纹拓展到什么程度会使结构破坏，在这些研究的基础上，还可以研究构件或结构的使用寿命，分析结构事故或病害的产生原因，并采取什么样的措施才能避免这些事故的发生。
现代断裂力学的发展主要是线弹性断裂力学：以线弹性理论为基础，主要用于研究一定生产缺陷的线弹性体。
弹塑性断裂力学：用于研究非脆性材料，这种材料在裂纹开裂以后会出现了裂纹扩展现象，扩展到一定程度后才发生破坏。
断裂动力学：在实际工程中，由于钢筋混凝土构件存在着初始缺陷，尤其是裂缝，严重影响结构的耐久性。
断裂力学发展史
断裂力学研究的内容几乎完全是断裂为主的破坏。
1920年格里菲斯（Griffith）研究玻璃中裂纹的脆性扩展，成功地提出了以含裂纹体的应变能释放率为参量的裂纹失稳扩展准则，其内容是：结构体系内裂纹扩展，体系内总能量降低，降低的能量用于裂纹增加新自由表面的表面能，裂纹扩展的临界条件是裂纹扩展力(即应变能释放率)等于扩展阻力(裂纹扩展，要增加自由表面能而引起的阻力)。
很好地解释了玻璃的低应力脆断现象。
Griffith理论可用于估算脆性固体的理论强度，并给出了断裂强度与缺陷尺寸之间的正确关系。
1944年泽纳(Zener)和霍洛蒙(Hollmon)又首先把Griffith理论用于金属材料的脆性断裂。
不久欧文(1rwin)指出，Griffith的能量平衡应该是体系内储存的应变能与表面能、塑性变形所做的功之间的能量平衡，并且还指出，对于延性大的材料，表面能与塑性功相比一般是很小的。
同时把G定义为“能量释放率”或“裂纹驱动力”，即裂纹扩展过程中增加单位长度时系统所提供的能量，或裂纹扩展单位面积系统能量的下降率。
20世纪50年代，Irwin又提出表征外力作用下，弹性物体裂纹尖端附近应力强度的一个参量一应力强度因子，建立以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则一应力强度因子准则(亦称K准则)。
其内容为：裂纹扩展的临界条件为K1：＝K1c，其中尺K1为应力强度因子，可由弹性力学方法求得，K1c为材料的临界应力强度因子或平面应变断裂韧度，可由试验测定。
Irwin的另一贡献是，他还指出，能量方法相当于应力强度方法。
1963年韦尔斯(Wells)发表有关裂纹张开位移(COD)的著名著作，提出以裂纹张开位移作为断裂参量判别裂纹失稳扩展的一个近似工程方法。
其内容是：不管含裂纹体的形状、尺寸、受力大小和方式如何，当裂纹张开位移δ达到临界值δc时，裂纹开始扩展。
δc是表征材料性能的常数，由试验得到。
对于韧性材料，短裂纹平面应力断裂问题，特别是裂纹体内出现大范围屈服和全面屈服情况可采用此法。
经典断裂力学的发展历程与未来发展方向
经典断裂力学的发展历程与未来发展方向经典断裂力学的发展历史及未来的发展方向断裂力学是近50年代发展起来的固体力学的新分支，它从宏观的连续介质力学角度出发，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、失稳开裂、传播和止裂规律。
断裂力学应用力学成就研究含缺陷材料和结构的破坏问题，由于它与材料或结构的安全问题直接相关，因此它虽然起步晚，但实验与理论均发展迅速，并在工程上得到了广泛应用。
如断裂力学技术已被应用于估算各种条件下的疲劳裂纹增长率、动态断裂以及确定试验中高温和低温的影响，并且由于有了这些进展，在设计有断裂危险性的结构时，利用断裂力学对设计结果有较大把握。
一、经典断裂力学的发展历程断裂力学包括线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学、刚塑性断裂力学、粘弹性断裂力学、断裂动力学、复合材料断裂力学等分支。
断裂力学的发展主要是线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学、断裂动力学这三种经典断裂力学的发展。
1.1线弹性力学许多计算表明，由于材料存在着裂纹或缺陷，材料的实际强度一般仅为其理论强度的十分之一甚至百分之一，材料就产生低应力脆断现象。
而根据裂纹受力情况与裂纹面的位移方式，可将裂纹分为三种基本类型，包括：张开型(拉裂型) ；滑移型(面内剪切型) ；撕裂型(面外剪切型)。
在这三种裂纹型式中，拉开型型裂纹是最危险的，容易引起低应力脆断。
1921年，格里菲斯用弹性体能量平衡的观点研究了玻璃、陶瓷等脆性材料中的裂纹扩展问题，提出了脆性材料裂纹扩展的能量准则。
格里菲斯能量理论将裂纹失稳扩展的脆性断裂的G准则。
但是上述能量准则没有考虑裂纹尖端附近的应力和应变，断裂应力不仅与裂纹尺寸有关，还与裂纹几何形状，裂纹位置、边界条件、及受力状态有关。
而裂纹尖端附近的应力应变场的分析对断裂安全设计非常重要。
1955 年，欧文用弹性力学理论分析了裂纹尖端应力应变场后提出了简单但很实用的公式，即各种类型裂纹尖端附近的应力场和应变场表达式均包含一个可统一写为K= Yσπa的系数。
经典断裂力学的发展历史及未来的发展方向
经典断裂力学的发展历史及未来的发展方向一、前言断裂力学主要研究含裂纹体的力学行为，研究固体中裂纹的产生、传播和快速发展的规律[1]。
它和很多其他的理论一样都是从实践中产生和发展的，任何材料与工程结构都无可避免的存在着类似裂纹的缺陷，或是结构中固有的，或是制造加工和使用过程中造成的损伤。
这些缺陷的存在和发展，降低了结构的承载能力，甚至使之失效。
起初此类断裂在国内外造成了很大的事故与人员伤亡，但建立在材料力学、结构力学和弹性力学基础上的静强度设计方法并不能反映含裂纹结构的强度特点，断裂力学的理论也就应运而生了。
断裂力学研究的方法是:从弹性力学方程或弹塑性力学方程出发,把裂纹作为一种边界条件,考察裂纹顶端的应力场、应变场和位移场,设法建立这些场与控制断裂的物理参量的关系和裂纹尖端附近的局部断裂条件.二、经典断裂力学的发展历史2.1 线弹性断裂力学早在1920 年，英国的物理学家Griffith 在对玻璃的断裂研究中便提出断裂力学概念。
Griffith 用材料内部有缺陷(裂纹)的观点解释了材料实际强度要小于理论强度的现象，同时当裂纹受力时，如果裂纹扩展所需的表面能小于弹性能的释放值，则裂纹就扩展直至断裂破坏。
这一理论在对玻璃的断裂研究中得到证实，但该理论只适用于完全弹性体，即完全脆性材料，所以没得到发展。
[2]1921 年，Griffith又提出了能量释放理论，即G 准则。
认为一旦含裂纹的脆性材料物体的能量释放。
率等于表面能，裂纹就会失稳扩展，导致脆断。
Griffith 建立的脆性材料断裂理论，为断裂力学奠定了理论基础。
[3]1948年，Irwin经过10年的艰苦探索，提出对Griffith理论的修正，引进一个新参量G，成为能量释放率。
1960年Irwin用石墨做实验测出裂纹开始扩展时的K值，抛弃了物体连续性假设，而从物体中含有裂纹这一前提出发，以弹性力学和塑性力学为理论工具，引入参数K IC体现材料对断裂的抵抗能力，参数K 表达裂缝尖端应力强度的大小。
断裂力学与“断裂力学之父”
断裂力学与“断裂力学之父”1、断裂力学发展简史英格里斯（E.C.Inglis）1913年发表无线板椭圆孔应力集中理论分析结果；格里菲斯（A.A.Griffith）1920年发表著名论文“固体的断裂与流动的现象”（“The phenomenon of Rupture and Flow in solids”）。
前者为后者准备了某种条件，而后者为后来的固体断裂现象研究与断裂力学的创立奠定了理论基础。
欧文（G.R.Irwin）于1985年和1960年分别发表“断裂”（“Fracture”）和“断裂力学”（“Fracture Mechanics”）两篇具有划时代意义的著名论文。
从此，断裂力学这门新型的工程结构强度科学便在全世界广泛地传播开来。
现在这门学科已成为当代最新科学技术成就里最富实用价值的强有力的一门新的工程科学了。
奥罗万（E.Orowan）、巴林布拉特（G.I.Barenbatt）等著名学者也发表一系列论文，对断裂力学的发展起到了奠基和发展作用。
阿维尔巴赫等人（B.L.Arerbach etal）1959年主编的论文集《断裂》（《Fracture》）对本门学科也同样起到了极大的作用。
断裂力学最早是在1920年提出的。
当时格里菲斯为了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的实际强度比理论强度低的原因，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，板状构件中应变能变化进而得出了一个十分重要的结果：。
1949年，奥罗万在分析了金属构件的断裂现象后对格里菲斯的公式提出了修正，他认为产生裂纹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，其提出了以下公式：该公式虽然有所进步，但仍未超出经典的格里菲斯公式范围，而且同表面能一样，应变功U是难以测量的，因而该公式仍难以应用在工程中。
断裂力学的重大突破应归功于欧文应力场强度因子概念的提出，以及以后断裂韧性概念的形成。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
断裂力学研究的内容几乎完全是断裂为主的破坏。
1920年格里菲斯（Griffith）研究玻璃中裂纹的脆性扩展，成功地提出了以含裂纹体的应变能释放率为参量的裂纹失稳扩展准则，其内容是：结构体系内裂纹扩展，体系内总能量降低，降低的能量用于裂纹增加新自由表面的表面能，裂纹扩展的临界条件是裂纹扩展力(即应变能释放率)等于扩展阻力(裂纹扩展，要增加自由表面能而引起的阻力)。
很好地解释了玻璃的低应力脆断现象。
Griffith理论可用于估算脆性固体的理论强度，并给出了断裂强度与缺陷尺寸之间的正确关系。
1944年泽纳(Zener)和霍洛蒙(Hollmon)又首先把Griffith理论用于金属材料的脆性断裂。
不久欧文(1rwin)指出，Griffith的能量平衡应该是体系内储存的应变能与表面能、塑性变形所做的功之间的能量平衡，并且还指出，对于延性大的材料，表面能与塑性功相比一般是很小的。
同时把G定义为“能量释放率”或“裂纹驱动力”，即裂纹扩展过程中增加单位长度时系统所提供的能量，或裂纹扩展单位面积系统能量的下降率。
20世纪50年代，Irwin又提出表征外力作用下，弹性物体裂纹尖端附近应力强度的一个参量一应力强度因子，建立以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则一应力强度因子准则(亦称K准则)。
其内容为：裂纹扩展的临界条件为K1：＝K1c，其中尺K1为应力强度因子，可由弹性力学方法求得，K1c为材料的临界应力强度因子或平面应变断裂韧度，可由试验测定。
Irwin的另一贡献是，他还指出，能量方法相当于应力强度方法。
1963年韦尔斯(Wells)发表有关裂纹张开位移(COD)的著名著作，提出以裂纹张开位移作为断裂参量判别裂纹失稳扩展的一个近似工程方法。
其内容是：不管含裂纹体的形状、尺寸、受力大小和方式如何，当裂纹张开位移δ达到临界值δc时，裂纹开始扩展。
δc是表征材料性能的常数，由试验得到。
对于韧性材料，短裂纹平面应力断裂问题，特别是裂纹体内出现大范围屈服和全面屈服情况可采用此法。
1968年赖斯(Rice)提出围绕含裂纹体裂纹尖端的一个与路径无关的回路积分，定义为二维含裂纹体的J积分。
J积分可用来描述裂纹尖端附近在非线性弹性情况下的应力应变场，建立J l＝J1c的断裂准则。
J1c为表征材料断裂韧性的临界J积分值，可由试验确定。
由于研究的观点和出发点不同，断裂力学分为微观断裂力学和宏观断裂力学。
微观断裂力学是研究原子位错等晶体尺度内的断裂过程，宏观断裂力学是在不涉及材料内部断裂机理的条件下，通过连续介质力学分析和试样的实验作出断裂强度的估算与控制。
宏观断裂力学通常又分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。
线弹性断裂力学是应用线性弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。
线弹性断裂力学可用来解决材料的平面应变断裂问题，适用于大型构件(如发电机转子，较大的接头，车轴等)和脆性材料的断裂分析。
线弹性断裂力学还主要用于宇航工业，因为在宇航工业里减轻重量是非常重要的，所以必须采用高强度低韧性的金属材料。
实际上对金属材料裂纹尖端附近总存在着塑性区，若塑性区很小(如远小于裂纹长度)，经过适当的修正，则仍可以采用线弹性断裂力学进行断裂分析。
目前，线弹性断裂力学已发展的比较成熟，但也还存在一些问题(如表面裂纹分析，复合型断裂准则，裂纹动力扩展等)有待进一步研究。
弹塑性断裂力学是应用弹性力学、塑性力学研究物体裂纹扩展规律和断裂准则，适用于裂纹尖端附近有较大范围塑性区的情况。
由于直接求裂纹尖端附近塑性区断裂问题的解析解十分
困难，目前多采用J积分法，COD法，R曲线法等近似或实验方法进行分析。
通常对薄板平面应力断裂问题的研究，也要采用弹塑性断裂力学。
弹塑性断裂力学在焊接结构缺陷的评定，核电工程的安全性评定，压力容器、管道和飞行器的断裂控制以及结构物的低周疲劳和蠕变断裂的研究方面起重要作用。
弹塑性断裂力学虽取得一定进展，但其理论迄今仍不成熟，弹塑性裂纹体的扩展规律还有待进一步研究。