《断裂力学》考试题含解析
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
断裂力学复习要点与习题解析
此时 K1 < ；设计可行。
若设计护板材料受拉伸a应力皆为600 是否可行？
4103
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例题6：
某构件由高强度钢板焊成，探伤发现在焊缝中
心存在一个20长的中心穿透裂纹。 残余应力测试
发现在裂纹周围存在残余应力场如图。最大残余应
力位于裂纹中心，其值为
，假如裂纹面上
的残余应力为直线型分布，材料的
● 所有的应力强度因子K都可以表示成什么形式？
● 平面应力情况下 与厚度有什么关系
●什么是能量（应变能）释放率G？能量释放率G与应力强度因子K有什么关系？
● S准则是怎样描述的？ 与 K1c，K2c，K3c 有什么关系？
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S 准则假设为：
S 1、裂纹沿S最小的方向扩展，即由 确定开裂方向： m in
x r 1 0.02 0.6s
Kr0.6s2(a)0.5sin1a x0 a230s(a)0.5
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例题3
一高强钢 在380 ºC 回火， 在600 ºC 回火，
，
s 1 8 0 0 M P a,K 1 c ，5 0 M P am
假设这样处理的无限大板存在 单边裂s 纹 ，1 设5 0 计0 工M 作P 应a 力,K 为1 c 6 0 M P am
计算上述两种处理可以容许的临界裂纹尺寸为多少？ 解：
，
在600 ºC 回火，
，
假设这样处理的无限大板存在 中心裂纹s1 ，1 设8 计0 0 工M 作P 应a 力,为K 1 c 5 0 M P am
计算那种处理可以满足要求？
s 1 5 0 0 M P a,K 1 c 6 0 M P am
第八章断裂力学习题及解
第八章 断裂力学习题及解习题1、已知I 型裂纹问题的应力函数为()()()z Z y z Z z I I I Im Re +=ϕ，其中()()z Z z Z I I ,分别为复变函数()z Z I 的二次积分和一次积分，试求出对应的应力分量。
解：令()()()y x iv y x u z Z I ,,+=，那么()udy v dx i v dy udx dz z Z CCC++-=⎰⎰⎰按C-R 条件有yux v y v x u ∂∂-=∂∂∂∂=∂∂,。
那么有如下关系式 y Zx Z Z ∂∂=∂∂='Im Re Re ， xZy Z Z ∂∂=∂∂-='Im Re Im ， 由应力函数可得应力()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂+∂∂∂∂=+∂∂=∂∂=I I I I I 222I 2xx Z y Z y y Z y Z y Z y y σIm Im Re Im Re ϕ ()'Im Re Re Re Im Re Im I I I I I I I xx Z y Z Z yZ y Z Z y Z y -=+∂∂=++-∂∂=σ ()⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=+∂∂=∂∂=x Z y xZ x Z y Z x x σI I I I 222I 2yyIm Re Im Re ϕ得 ()'Im Re Im Re I I I I yy Z y Z Z y Z x+=+∂∂=σ ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∂∂-∂∂-∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∂∂-∂∂=∂∂∂-=I I I I I I 2xyZ y Z y y Z x Z y Z y x y x Im Im Re Im Re ϕτ ()'Re Re Im Re Im I I I I I xy Z y xZ y Z Z y Z x -=∂∂-=--∂∂=τ 习题2、如图8-1所示无限大板中含有一长度为2a 的中心贯穿裂纹，设I 型裂纹问题的应力函数为()()()z Z y z Z z I I I Im Re +=ϕ（双向拉伸），或为()()())(2Im Re 22y x A z Z y z Z z I I I --+=ϕ（单向拉伸）。
(完整版)断裂力学试题
一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分）1、（1）数学分析法：复变函数法、积分变换；（2）近似计算法：边界配置法、有限元法；（3）实验标定法：柔度标定法；（4）实验应力分析法：光弹性法.2、假定：（1）裂纹初始扩展沿着周向正应力为最大的方向；（2）当这个方向上的周向正应力的最大值（）max达到临界时，裂纹开始扩展•S3、应变能密度:W S，其中S为应变能密度因子，表示裂纹尖端附近应力场r密度切的强弱程度。
4、当应力强度因子幅值小于某值时，裂纹不扩展，该值称为门槛值。
5、表观启裂韧度，条件启裂韧度，启裂韧度。
二、推导题（本大题10分）D-B模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的诸条件。
积分路径：塑性区边界。
AB 上：平行于x1，有dx2 0 , ds dx1 , T22007断裂力学考试试题B卷答案BD上：平行于捲，有dx20 , ds dx1 , T2u iJ (Wdx2 T L ds)s V s V S(V A三、计算题（本大题共1、利用叠加原理：微段K]ABT2 V D)3小题，每小题集中力qdx U2dx1%BDT2U£dx1X120分,dK]总计60分）a 2q . a0 (2 2.(a x ) dx 10分sin cos — a cos sin a2b 2b 2b 2b— cos — a sin a 2b 2b2b(_ 2 2)cos — 2b a 2 cos a si n a2b2b 2b 2ba)2la sin 1(豎)a cosK i2qJ — 0 赢T d 当整个表面受均布载荷时，6 a .2、边界条件是周期的：a.zy0, xy 0c.所有裂纹前端又Z 应为2b 的周期函数si2z皿2冷 采用新坐标： z aZ % a)J (sin 七严2陶)20 时，sin —— ——,cos —2b 2b 2bK i 2qsin 1(a a ) q a10分令 x acos 一 a 2 x 2 a cosb.在所有裂纹内部应力为零.y0,x a, a 2b x a2b 在区间内单个裂纹时Zz z 2 a 210分d(sin -2b［吃（加sin ( a)2ba sin2b .2 a . a」 --------- cos——sin 】2b 2b0时,2 2帥莎(a)] (s^a)22b cos asin a 2b2b2bK I1吧0 F_Zsin2b1 a . a ——cos——sin —2b2b 2b2b ta n—a2ba tan—2b 10分注意行为规范3、当复杂应力状态下的形状改变能密度等于单向拉伸屈服时的形状改变能密度，材料屈服，即：2 2 2 2(1 2 ) ( 2 3) ( 3 1 ) 2 s对于I型裂纹的应力公式：(X2y)2xy1Kl cos-[1 sin-]2 2 r 2 2遵考场10分纪程•律0(平面应力,薄板或厚板表面)K I22scos2[1 3sin2—]2 2--平面应力下，I型裂纹前端屈服区域的边界方10分r、简答题1.断裂力学中, (80 分)按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型？请画出这些类型裂纹的受力示意图。
断裂力学题
岩石断裂力学复习题1. 弹性体内的裂纹大致上可以分哪三种，在答题纸上按顺序绘出如图 2 的弹性裂纹薄板，在什么样的边界力作用下，裂纹将是 II 型， I 型，III 型，并分别写出其相应的应力强度因子计算式。
I 型：边界条件： 当∞→z 时，0xx =σ，∞=y yy σσ，0xy =τ在裂纹面（y=0）上，0y y =σ，0xy =τ 应力强度因子：ay πσ∞I =KII 型：边界条件： 当∞→z 时，∞=ττxy ，0xx ==yy σσ在裂纹面（z=x ±i0,a <x ）上，0y y ==xy τσ 应力强度因子：a πτ∞I I =K III 型：边界条件： 当∞→z 时，∞=ττyz ，0xy zz xx τσσσ===yy在裂纹面（z=x ±i0,a <x ）上，0y y ==xy τσ 应力强度因子：a πτ∞I I I =K2. 由 Griffith 能量平衡理论，推导如果弹性薄板两端均匀施加拉应力为σ，薄板中间缺陷裂纹长度l 需小于多少裂纹才不会发生失稳扩展？已知弹性板的杨氏模量为E ，弹性板材料的表面能密度为Г。
解：由Griffith 能量平衡理论求临界裂纹长度：对于原场拉应力为σ，单位厚度的平板，当有长度为2a 的裂纹产生时，其总共释放的弹性势能为：'/c 22E a W πσ= （1）当长度为2a 的裂纹存在时，模型增加的表面能S 为：Γ=a 4S （2）当裂纹端部扩展一小段长度da （裂纹长度由2a 发展为2a+2da ）时，如果弹性势能释放率dW c /da 大于或等于表面能的增加率dS/da 时，裂纹会失稳，并进一步扩展。
则裂纹扩展的条件可表达为：da dSda dW c = （3）将式（1），（2）代入（3），可得远场力σ作用下，使裂纹失稳并扩展的裂纹临界长度a0为：2/'20a πσΓ=E （4）3. 什么是裂纹的应力强度因子的？其一般表达式是什么？量纲是什么？应力强度因子与弹性板材料的表面能密度间有何关系。
断裂力学试卷2010(可编辑修改word版)
华中科技大学土木工程与力学学院《断裂力学》考试卷（半开卷）2010～2011 学年度第一学期成绩学号专业班级姓名一二三四五六合计分数一、填空题（每空 2 分，共16 分）1. 在断裂力学中，小范围屈服是指（），当（）时，可以采用线弹性断裂力学，且能保证其精确度和有效性；而当塑性区尺寸与裂纹尺寸同数量级时称为（），只能采用（）来处理。
2. 复合型裂纹扩展与单纯张开型裂纹扩展的主要不同之处是（）。
因此，复合型裂纹的研究，除了需要确定临界状态，建立断裂判据外，还要确定（）。
常用的复合型裂纹脆性断裂理论有（）和（）等。
二、简答题（24 分）1. 设有两条Ⅰ型裂纹，其中一条长为4a，另一条长为a。
如前者加载到，后者加载到2。
问它们裂纹尖端附近的应力场是否相同？应力强度因子是否相同？2. 设有无限大平板 I 型裂纹，受轴向拉应力作用，裂纹顶端附近的应力为：=a3cos (1+ sin sin yy2r 2 2 ) ，其中a 为裂纹尺寸。
2（1）求应力强度因子KI；（2）当=0 时，在裂纹顶端和距裂纹顶端很远处，yy各为多少？与题设条件有无矛盾？如何解释？三、试用叠加法求图示无穷大板裂纹尖端应力强度因子。
（15 分）mP2at2aD p 题五图б2б1题三图四、圆拄形容器有一纵向穿透裂纹。
容器的内径D=100㎜，壁厚t=5㎜，最大工作压力p max =48MPa，材料的断裂韧性KⅠC=37MPa ，试求临界裂纹长度ac。
（15 分）题四图五、如图所示的杆件，若b a ，而且在杆端的位移为，试求恒载荷及恒位移情形下的应变能释放率GI 及应力强度因子KI。
（15 分）六、物体内部有一圆盘状深埋裂纹，直径为2.5cm，这一直径比物体的其它尺寸小得多，若垂直于裂纹面的方向作用拉应力700MPa，材料的屈服极限为930MPa，试计算等效应力强度因子。
（15 分）。
断裂力学考试试题 A卷答案.
断裂力学考试试题 A 卷答案一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分）1、按裂纹的几何类型分：穿透裂纹，表面裂纹，深埋裂纹； 按裂纹的受力和断裂特征分类：张开型（I 型），滑开型（II 型），撕开型（III ）。
2、并列裂纹的作用使K Ⅰ下降，工程上偏安全考虑：(1)并列裂纹作为单个裂纹考虑；(2)对于密集的缺陷群,假定它们在空间规则排列,并可把空间裂纹简化成平面裂纹。
3、（1）做切线OA（2）做割线OPS ，斜率比切线斜率小5% （3）确定P θ若在5P 前,曲线各点小于5P ，则5P P θ= 若在5P 前,曲线各点小于5P ，则max P P θ=（4）计算max 1.1P P θ≤满足，则有效，否则加大试件 （5）计算I K ,利用前面给出公式。
（6）计算22.5()[,,()]SK a B W a θσ≤-，每项都满足一定要求满足IC K K θ=否则加大试件（厚度为原厚度1.5倍的试件）4、（1）回路积分定义：围绕裂纹尖端周围区域的应力、应变和位移所围成的围线积分。
（2）形变功率定义：外加载荷通过施力点位移对试件所作的形变功率给出。
5、平均应力，超载，加载频率，温度，腐蚀介质，随机载荷等。
P二、推导题（本大题共2小题，每小题20分，总计40分）1、假设裂纹闭合3(1sin sin)222yθθθσ=+当0θ=,r x=时,yσ=.又31)sin sin]22v kθθ=+-当r a x=∆-,θπ=时.2)v k=+应力0yσ→,位移0v→. 10分在闭合时,应力在a∆那段所做的功为ayB vdxσ∆⎰.2 001412)4a ayB kG vdx k dx KB a a Gσ∆∆+⇒==+=∆∆⎰⎰ⅠⅠ平面应力情况:23,1Kk GEμμ-=⇒=+ⅠⅠ平面应变情况:22134k G K Eμμ-=-⇒=ⅠⅠ 2K G E ⇒='ⅠⅠ21E EE E μ'=⎧⎪⎨'=⎪-⎩平面应力平面应变10分2、D-B 模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的诸条件。
断裂力学复习题(实际)解答(课件)
断裂力学复习题1．裂纹按几何特征可分为三类,分别是（穿透裂纹）、（表面裂纹）和（深埋裂纹）。
按力学特征也可分为三类，分别是（张开型）、（滑开型）和（撕开型）。
2．应力强度因子是与（外载性质）、（裂纹）及（裂纹弹性体几何形状）等因素有关的一个量。
材料的断裂韧度则是（应力强度因子）的临界值，是通过（实验）测定的材料常数。
3．确定应力强度因子的方法有：（解析法），（数值法），（实测法）。
4．受二向均匀拉应力作用的“无限大”平板，具有长度为2a 的中心贯穿裂纹，求应力强度因子的表达式。
℃K 【解】将x 坐标系取在裂纹面上，坐标原点取在裂纹中心，则上图所示问题的边界条件为：① 当y = 0，x → ∞时，；σσσ==y x ② 在y =0，的裂纹自由面上，a x <；而在时，随，。
0,0==xy y τσa x >a x →∞→y σ可以验证，完全满足该问题的全部边界条件的解析函数为22℃ )(az zz Z -=σ（1）将坐标原点从裂纹中心移到裂纹右尖端处，则有z =ζ+a 或ζ= z －a ，代入（1），可得：)2()()(I a a Z ++=ζζζσζ于是有：aa a a a K πσζζσπζζζσπζζζ=++⋅=++⋅=→→)2()(2lim )2()(2lim 00℃5．对图示“无限大”平板Ⅱ型裂纹问题，求应力强度因子的表达式。
℃Krb 【解】将x 坐标系取在裂纹面上，坐标原点取在裂纹中心，则上图所示问题的边界条件为：① 当y = 0，x → ∞时，；ττσσ===xy y x ，0② 在y = 0，的裂纹自由面上，a x <；而在时，随，。
0,0==xy y τσa x >a x →∞→xy τ可以验证，完全满足该问题的全部边界条件的解析函数为22℃ )(a z zz Z -=τ（1）将坐标原点从裂纹中心移到裂纹右尖端处，则有z =ζ+a 或ζ= z －a ，代入（1），可得： )2()()(℃a a Z ++=ζζζτζ于是有：a a a a a K πτζζτπζζζτπζζζ=++⋅=++⋅=→→)2()(2lim )2()(2lim 00℃e i r6．对图示“无限大”平板Ⅲ型裂纹问题，求应力强度因子的表达式。
(完整版)断裂力学复习题(实际)解答(课件)
断裂力学复习题1．裂纹按几何特征可分为三类,分别是（穿透裂纹）、（表面裂纹）和（深埋裂纹）。
按力学特征也可分为三类，分别是（张开型）、（滑开型）和（撕开型）。
2．应力强度因子是与（外载性质）、（裂纹）及（裂纹弹性体几何形状）等因素有关的一个量。
材料的断裂韧度则是（应力强度因子）的临界值，是通过（实验）测定的材料常数。
3．确定应力强度因子的方法有：（解析法），（数值法），（实测法）。
4．受二向均匀拉应力作用的“无限大”平板，具有长度为2a 的中心贯穿裂纹，求应力强度因子ⅠK 的表达式。
【解】将x 坐标系取在裂纹面上，坐标原点取在裂纹中心，则上图所示问题的边界条件为：① 当y = 0，x → ∞时，σσσ==y x ；② 在y = 0，a x <的裂纹自由面上，0,0==xy y τσ；而在a x >时，随a x →，∞→y σ。
可以验证，完全满足该问题的全部边界条件的解析函数为22Ⅰ )(a z z z Z -=σ （1） 将坐标原点从裂纹中心移到裂纹右尖端处，则有z =ζ+a 或ζ= z －a ，代入（1），可得：)2()()(I a a Z ++=ζζζσζ于是有：aa a a a K πσζζσπζζζσπζζζ=++⋅=++⋅=→→)2()(2lim )2()(2lim 00Ⅰ5．对图示“无限大”平板Ⅱ型裂纹问题，求应力强度因子ⅡK 的表达式。
【解】将x 坐标系取在裂纹面上，坐标原点取在裂纹中心，则上图所示问题的边界条件为：① 当y = 0，x → ∞时，ττσσ===xy y x ，0；② 在y = 0，a x <的裂纹自由面上，0,0==xy y τσ；而在a x >时，随a x →，∞→xy τ。
可以验证，完全满足该问题的全部边界条件的解析函数为22Ⅱ )(a z z z Z -=τ （1） 将坐标原点从裂纹中心移到裂纹右尖端处，则有z =ζ+a 或ζ= z －a ，代入（1），可得： )2()()(Ⅱa a Z ++=ζζζτζ 于是有：a a a a a K πτζζτπζζζτπζζζ=++⋅=++⋅=→→)2()(2lim )2()(2lim 00Ⅱ6．对图示“无限大”平板Ⅲ型裂纹问题，求应力强度因子ⅢK 的表达式。
断裂力学试卷(答案)2009
华中科技大学土木工程与力学学院《断裂力学》考试卷（半开卷）2009～2010学年度第一学期 成绩学号 专业 班级 姓名 一、简述下列概念（20分）1. 裂纹顶端应力强度因子描述Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹问题裂纹尖端附近区域的应力解，可统一表示为：()12ij mij K r f m I ,II ,III σθ-⎛⎫== ⎪⎝⎭。
K m 为场强度参量，称为应力强度因子或K 因子。
它表征裂纹尖端区域应力场的强弱程度，决定于裂纹体的几何形状、裂纹的尺寸及载荷。
⑤2. 能量释放率A 0G lim A A δδ∏∏δ→∂⎛⎫=-=- ⎪∂⎝⎭， 裂纹扩展单位面积所消耗的总势能。
它表示裂纹扩展单位面积时，提供给裂纹扩展所需的系统释放的能量（系统势能的减少）。
G 取决于裂纹体的载荷和几何形状。
⑤3. COD裂纹尖端沿垂直于裂纹方向所产生的位移。
它是裂纹顶端塑性应变的度量。
⑤4. J 积分J 积分的回路积分定义为：()i 2i1u J W dx T ds i 1,2x Γ∂⎛⎫=-= ⎪∂⎝⎭⎰该积分与积分路径无关，是弹塑性断裂力学中一个十分重要的参数, 反映了裂尖的某种力学特征或应力、应变场强度。
⑤二、回答下列问题（20分）1.为什么平面应变状态裂纹尖端塑性区尺寸比平面应力状态小？当0θ= 时，它们的塑性区尺寸分别等于多少？答：在平面应变状态下，沿板厚方向（z 方向）的弹性约束使裂纹尖端材料处于三向拉应力作用下。
而三向拉伸应力状态会对塑性流动起约束作用，即不易发生塑性变形。
所以平面应变状态裂纹尖端塑性区尺寸比平面应力状态小。
④当0θ= 时，平面应力状态：220ey s 1K 1K R 2r I I ππσσ⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ③平面应变状态：220ey s 1K 1K R 2r I I πσσ⎛⎫⎫=== ⎪⎪⎭⎝⎭ ③ or ()220s 1K R 2r 12I νπσ⎛⎫==- ⎪⎝⎭2.何为R 阻力曲线？在工程实际中有何作用？答：R 是塑性变形和表面能消耗的能量，是裂纹扩展的阻力，R 越大，裂纹扩展就越不容易。
断裂力学期末考试试题含答案
断裂力学期末考试试题含答案一、简答题(80分)1. 断裂力学中，按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型,请画出这些类型裂纹的受力示意图。
(15分)2 请分别针对完全脆性材料和有一定塑性的材料，简述裂纹扩展的能量平衡理论,(15分)3. 请简述应力强度因子的含义，并简述线弹性断裂力学中裂纹尖端应力场的特点,(15)4. 简述脆性断裂的K准则及其含义,(15)5. 请简述疲劳破坏过程的四个阶段,(10)6. 求出平面应变状态下裂纹尖端塑性区边界曲线方程，并解释为什么裂纹尖端塑性区尺寸在平面应变状态比平面应力状态小,(5分)7. 对于两种材料，材料1的屈服极限和强度极限都比较高，材料,,sb 2的和相对较低，那么材料1的断裂韧度是否一定比材料2的高,,,sb 试简要说明断裂力学与材料力学设计思想的差别, (5分)二、推导题(10分)请叙述最大应力准则的基本思想，并推导出I-II型混合型裂纹问题中开裂角的表达式,三、证明题(10分),,,JwdyTuxds,,,,,(/)定义J积分如下，，围绕裂纹尖端的回路, ,，始于裂纹下表面，终于裂纹上表面，按逆时针方向转动，其中是w, 板的应变能密度，为作用在路程边界上的力，u是路程边界上的位移T ds矢量，是路程曲线的弧元素。
证明J积分值与选择的积分路程无关，并说明J积分的特点。
四、简答题(80分)1. 断裂力学中，按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型,请画出这些类型裂纹的受力示意图。
(15分)答:按裂纹受力情况把裂纹(或断裂)模式分成三类:张开型(I型)、滑开型(II型)和撕开型(III型)，如图所示y y yx o o o z x xI型,张开型 II型,滑开型三型,撕开型2 请分别针对完全脆性材料和有一定塑性的材料，简述裂纹扩展的能量平衡理论,(15分)答:对完全脆性材料，应变能释放率等于形成新表面所需要吸收的能量率。
对于金属等有一定塑性的材料，裂纹扩展中，裂尖附近发生塑性变形，裂纹扩展释放出来的应变能，不仅用于形成新表面所吸收的表面能，更主要的是克服裂纹扩展所吸收的塑性变形能，即塑性功。
《断裂力学》考试题含解析
二 Ki',=dxJ(a 2-x 2)10分一、 简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分）1、 （1）数学分析法：复变函数法、积分变换；（2）近似计算法：边界配置法、 有限元法；（3）实验应力分析法：光弹性法.（4）实验标定法：柔度标定法；2、 假定：（1）裂纹初始扩展沿着周向正应力；一、为最大的方向；（2）当这个方向上的周向正应力的最大值（；=）max 达到临界时,裂纹开始扩展•S3、 应变能密度:W，其中S 为应变能密度因子，表示裂纹尖端附近应力场r密度切的强弱程度。
4、 当应力强度因子幅值小于某值时，裂纹不扩展，该值称为门槛值。
5、 表观启裂韧度，条件启裂韧度，启裂韧度。
二、 推导题（本大题10分）D-B 模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的 诸条件。
积分路径：塑性区边界。
AB 上：平行于％，有dx 2 r O’ds r d %兀》s BD 上：平行于 ％，有 dx 2 = 0 , ds = d% , T 2 - sJ(WdX 2 -T 凹 ds) T 2 竺 dX !X-IAB rBDA ；「s VB =：；S (V A ' V D )三、计算题（本大题共3小题，每小题20分，总计60分）1、利用叠加原理：微段一集中力qdx — dKi = 2q ； a 2 dx 业（a-x 2）2007断裂力学考试试题B 卷答案T 2 土 dx ,BD 2 :x,1SvZ 二.—(sin 2b -sin ( a) 2b 二（a ））2兀a 2 -(sin 2b )31 uJ-L u,cos = 12b2b JE JEJE it二 sin ——cos 一a cos 一 sin — a2b2b2bTt .. Tt二——cos ——a sin 2b 2b■.2'- 22二[sin (a)] = () cos a 2b2b 2b—0 时，sin 2b sin =( a)二2bn a2b 仝 2b2b - nnIT2cos ——a sin ——a (sin — a)b 2b 2bb.在所有 裂纹 内部 应力 为零.y =0, -a ::: x ::: a, -a _ 2b ：：： x ：：： a _ 2b 在区间内C.所有裂纹前端；「y •匚 单个裂纹时Z - —^Z —Jz 2—a 2又Z 应为2b 的周期函数二 Z 二 J 兀z 2 兀a 2 、(sin —)2- (sin —)2Y 2b 2b采用新坐标：『：=z - a令 x=acosv= \ a -x = acosv, dx 二 acosrdr 匚 K “ 2q. a ：n 1(a1a)咤 d 一Yu '0 a cos 日当整个表面受均布载荷时，耳-；a. K i = 2q J^s in10分2、 边界条件是周期的：a. Z 、，二y 7 一；「.兀z 二sin b10分sin A (a /a)10分当V -0时,第3页 共3页一、简答题（80分）1•断裂力学中，按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型？请画出这些-： - 2 ■ ■ 2=[sin (a)] -(sin a) 2 cos asin a2b2b 2b 2b 2bZ -0 =.na二 sin 2b2“'： ：■. a 二acos ——sin ,2b 2b 2b二 sin -2b K I 二 lim 、尹Z =-=口0 Ji na 兀 a in ———cos 2b 2b 2b ■: a2b =匚二a 、，—tan —10分 3、当复杂应力状态下的形状改变能密度等于单向拉伸屈服时的形 状改变能密度，材料屈服，即：注 意 行 为 规 范2 2 2 2（匚1-匚2）（二2-匚3）（匚3-匚1）=2j对于I 型裂纹的应力公式：cr +cr J cr -cr nX丫 * xy二亠cos 邛一沐］2 2-2遵 守 考 场 纪律二3 =0（平面应力,薄板或厚板表面）r =cos 2[1 _3si n 2』]2 210分--平面应力下，I 型裂纹前端屈服区域的边界方 管导核字主领审签类型裂纹的受力示意图。
2011工程断裂力学试卷
2011工程断裂力学试题一. 填空题 （每题3分，共18分）1. 按裂纹受力情况可将裂纹分为： 型、 型和 型三种类型。
2．复合型断裂准则主要包括： 准则、 准则和 准则。
3．若材料弹性模量为E , 对于线弹性、平面应变问题。
能量释放率I G 和应力强度因子I K 关系为 ; J 积分与能量释放率I G 关系为 。
4．写出常用的计算应力强度因子的三种方法： 法、 法和 法。
5．J 积分的回路定义，在满足 、 和 的条件下，具有守恒性。
6．D B −模型非线型断裂分析的适用条件为： 、 、和 。
二．判断题 （每题2分，共12分，请用√或×在括号里表示） （1）在恒位移和恒载荷情况下，Irwin-Kise 关系均可以表达为：212I cG P Ba ∂=∂。
（ ） （2）标准三点弯曲试样，32()Q Q P S aK f WBW=，当有效性条件满足时，IC Q K K =。
（ ） （3）I 、II 、III 型裂纹均属于平面问题。
（ ） （4）深埋裂纹在短轴端点的应力强度因子I K 最大。
（ ）（5）在小范围屈服下，平面应力问题比平面应变问题的裂纹塑性区要小。
（）（6）对于弹塑性模型，按HRR 奇异场导出的J 积分和δ关系可表示为：n sJd δσ=。
（ ）三．分析计算题 （15分）应变能密度因子:222111222332I I II II III S a K a K K a K a K =+++，其中113311[(34cos )(1cos )],164a a G Gμθθππ=−−+=。
（1）若0.3μ=，IC K 为已知，对于纯III 型裂纹，计算IIIC K 与IC K 关系。
（10分）（2）若图示“无限大”平板的穿透裂纹，100l MPa τ=，10mm a =，当50IC K =（5分）lτlτ四．证明题: （25分）“无限大” 平板，在长为2a 的中心穿透裂纹表面上，距裂纹中心点为x b =±处，各作用一对集中力P (单位厚度上承受的压力)。
断裂力学复习要点与习题解析.55页PPT
6
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露
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高
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7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
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吁
嗟
身
后
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，
于
我
若
浮
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9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
1
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审
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。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功
断裂力学试题
2007断裂力学考试试题 B 卷答案一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分）1、（1）数学分析法:复变函数法、积分变换；（2）近似计算法：边界配置法、有限元法；（3）实验标定法：柔度标定法；（4）实验应力分析法：光弹性法.2、假定：（1）裂纹初始扩展沿着周向正应力为最大的方向；（2）当这θσ个方向上的周向正应力的最大值达到临界时,裂纹开始扩展.max ()θσ3、应变能密度:，其中S 为应变能密度因子，表示裂纹尖端附近应力rSW =场密度切的强弱程度。
4、当应力强度因子幅值小于某值时，裂纹不扩展，该值称为门槛值。
5、表观启裂韧度，条件启裂韧度，启裂韧度。
二、推导题（本大题10分）D-B 模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的诸条件。
积分路径：塑性区边界。
AB 上：平行于，有1x s T dx ds dx σ===212,,0BD 上：平行于，有5分1x s T dx ds dx σ-===212,,05分δσσσσΓs D A s DB s BA s BD AB i iv v v v dx x uT dx x u T ds x u T Wdx J =+=+-=∂∂-∂∂-=∂∂-=⎰⎰⎰)()(1122112212三、计算题（本大题共3小题，每小题20分，总计60分）1、利用叠加原理:微段集中力→qdx →dK =Ⅰ 10分⇒0K =⎰ⅠA令,cos cos x a a θθ=⇒=cos dx a d θθ=⇒111sin ()10cos 22()cos a a a a a K d a θθθ--==Ⅰ当整个表面受均布载荷时,.1a a →10分⇒12()a a K -==Ⅰ2、边界条件是周期的:a. .,y x z σσσ→∞==b.在所有裂纹内部应力为零.在区间内0,,22y a x a a b x a b =-<<-±<<±0,0y xy στ==c.所有裂纹前端y σσ>单个裂纹时 Z =又应为的周期函数Z 2b 10分⇒Z =采用新坐标:z aξ=-⇒Z =当时,0ξ→sin,cos 1222bbbπππξξξ==⇒sin()sincos cossin22222a a abbbbbπππππξξξ+=+ cossin222a abbbπππξ=+2222[sin()]()cos 2cossin(sin)2222222a a a a a bbbbbb b πππππππξξξ+=++thn22[sin()](sin)2cos sin22222a a a ab b b b bπππππξξ⇒+-=Zξ→⇒=limKξσ→⇒===Ⅰ10分=3、当复杂应力状态下的形状改变能密度等于单向拉伸屈服时的形状改变能密度,材料屈服,即:2222122331()()()2sσσσσσσσ-+-+-=对于Ⅰ型裂纹的应力公式:122x yσσσσ+⎧=±⎨⎩12[1sin]22σθθσ⎧⇒=±⎨⎩10分(平面应力,薄板或厚板表面)3σ=2222cos[13sin222sKrθθπσ⇒=±Ⅰ10分--平面应力下,Ⅰ型裂纹前端屈服区域的边界方程.当时,θ=21()2sKrπσ=Ⅰ第3页共3页一、简答题（80分）1. 断裂力学中，按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型？请画出这些类型裂纹的受力示意图。
断裂力学练习试题
习题1：设有两个无限大板A 和B ，均含有贯穿性裂纹，其中A 板裂纹长度为2a ，B 板裂纹长度为a ，两者均受拉应力作用，A 板拉应力为σ，B 板受拉应力为2σ，问他们的裂纹尖端应力强度因子是否相同。
解：A 板：a a Y K πσπσ==IAB 板：a aY K πσπσ222IB ==因此，二者的应力强度因子不相同。
习题2：无限大板A 、B 受力如图所示，已知板A 含贯穿裂纹长度为mm a 8.4021=，板B 含贯穿裂纹长度为mm a 7.522=，外加应力均为250MPa ，材料的断裂韧度21IC 25.63m MPa K ⋅=，问板A 、B 是否发生断裂。
解：①板A 的应力强度因子：21IC 21I 23.6329.630204.0142.3250mMPa K m MPa a K ⋅=>⋅=⨯⨯==πσ因此，A 板断裂。
②板B 的应力强度因子：21IC 21I 23.6366.2300285.0142.3250mMPa K m MPa a K ⋅=<⋅=⨯⨯==πσ因此，B 板不会断裂。
习题3：证明如探伤给出的裂纹当量直径A D 2=时（深埋裂纹，当量面积为2A π），在裂纹面积相等的情况下，把裂纹简化为椭圆裂纹（短轴长轴比21=c a ）比简化为圆形裂纹安全。
解：①当量直径为A D 2=，则简化为圆形裂纹时有裂纹半径为A ，对于深埋裂纹有：Φ=Φ=AaK πσπσI当c a =时，则2π=Φ，因此有：A AK πσππσ637.02I ==②当量面积为2A π，且轴比为21==k c a ，则a k a c 2==。
由ka A S 22ππ==，得到：k A a =，Φ=Φ=kA aK πσπσI当21==k c a 时，208.146.1==Φ则：A kA aK πσπσπσ696.0I =Φ=Φ=③由于简化为椭圆形裂纹计算得到的应力强度因子要大于简化为圆形裂纹时的应力强度因子，因此偏于安全。
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二 K i',=dxJ(a 2-x 2)10分一、 简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分）1、 （1）数学分析法：复变函数法、积分变换；（2）近似计算法：边界配置法、 有限元法；（3）实验应力分析法：光弹性法.（4）实验标定法：柔度标定法；2、 假定：（1）裂纹初始扩展沿着周向正应力；一、为最大的方向；（2）当这个方向上的周向正应力的最大值（；=）max 达到临界时,裂纹开始扩展•S3、 应变能密度:W，其中S 为应变能密度因子，表示裂纹尖端附近应力场r密度切的强弱程度。
4、 当应力强度因子幅值小于某值时，裂纹不扩展，该值称为门槛值。
5、 表观启裂韧度，条件启裂韧度，启裂韧度。
二、 推导题（本大题10分）D-B 模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的 诸条件。
积分路径：塑性区边界。
AB 上：平行于％，有dx 2 r O’ds r d %兀》sBD 上：平行于 ％，有 dx 2 = 0 , ds = d% , T 2 - sJ(WdX 2 -T 凹 ds) T 2 竺 dX !X-IABrBDA ；「s VB =：；S (V A ' V D )三、计算题（本大题共3小题，每小题20分，总计60分）1、利用叠加原理：微段一集中力qdx — dKi =2q；a2 dx 业（a-x 2）2007断裂力学考试试题B 卷答案T 2 土 dx ,BD 2:x ,1SvZ 二.—(sin2b -sin ( a)2b 二（a ））2兀a 2 -(sin 2b )31 uJ-L u,cos = 12b2b JE JE JE it二 sin ——cos 一a cos 一 sin — a2b2b2bTt .. Tt二——cos ——a sin 2b 2b■ . 2' - 22二[sin ( a)] = ( ) cos a 2—0 时，sin 2b sin =( a)二2bn a 2b仝 2b2b - n n IT 2 cos ——a sin ——a (sin — a)b 2b 2bb.在所有 裂纹 内部 应力 为零.y =0, -a ::: x ::: a, -a _ 2b ：：： x ：：： a _2b 在区间内C.所有裂纹前端；「y •匚 单个裂纹时Z - —^Z —Jz 2—a 2又Z 应为2b 的周期函数二 Z 二J 兀z 2 兀a 2、(sin —)2- (sin —)2Y 2b 2b采用新坐标：『：=z - a令 x=acosv= \ a -x = acosv, dx 二 acosrdr 匚 K “ 2q. a：n 1(a1a)咤 d 一Yu '0 a cos 日当整个表面受均布载荷时，耳-；a.K i = 2q J^s in10分2、 边界条件是周期的：a. Z 、，二y 7 一；「.兀z 二 sinb10分sinA (a/a)10分当V -0时,第3页 共3页一、简答题（80分）1•断裂力学中，按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型？请画出这些-： - 2 ■ ■ 2=[sin (a)] -(sin a) 2 cos asin a2b 2b 2b 2b 2bZ-0 =.na二 sin 2b 2“'： ：■. a二 a cos ——sin ,2b 2b 2b二 sin- 2b K I 二 lim 、尹Z =-= 口0 Jin a 兀 a in ———cos 2b 2b 2b ■: a2b =匚二a 、，— tan — 10分3、当复杂应力状态下的形状改变能密度等于单向拉伸屈服时的形状改变能密度，材料屈服，即：注 意 行 为 规 范2 2 2 2（匚1-匚2）（二2-匚3）（匚3-匚1）=2j对于I 型裂纹的应力公式：cr +cr J cr -cr nX丫 * xy二亠cos 邛一沐］2 2-2遵 守 考 场 纪律二3 =0（平面应力,薄板或厚板表面）r =cos 2[1 _3sin 2』]10分--平面应力下，I 型裂纹前端屈服区域的边界方管导核字主领审签类型裂纹的受力示意图。
（15分）2请分别针对完全脆性材料和有一定塑性的材料，简述裂纹扩展的能量平衡理论？（15分）3•请简述应力强度因子的含义，并简述线弹性断裂力学中裂纹尖端应力场的特点？（15）4.简述脆性断裂的K准则及其含义？（15）5•请简述疲劳破坏过程的四个阶段？（10）6.求出平面应变状态下裂纹尖端塑性区边界曲线方程，并解释为什么裂纹尖端塑性区尺寸在平面应变状态比平面应力状态小？（5分）7.对于两种材料，材料1的屈服极限二s和强度极限二b都比较高，材料2的二s和6相对较低，那么材料1的断裂韧度是否一定比材料2的高？试简要说明断裂力学与材料力学设计思想的差别？（5分）二、推导题（10分）请叙述最大应力准则的基本思想，并推导出1-11型混合型裂纹问题中开裂角的表达式？三、证明题（10分）*呻定义J积分如下，J = . . （wdy -T「u/fxds），围绕裂纹尖端的回路】，始于裂纹下表面，终于裂纹上表面，按逆时针方向转动，其中w是板的应变能密度，T 为作用在路程边界上的力，U是路程边界上的位移矢量，ds是路程曲线的弧元素。
证明J积分值与选择的积分路程无关，并说明J积分的特点。
四、简答题（80分）1.断裂力学中，按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型？请画出这些类型裂纹的受力示意图。
（15分）答：按裂纹受力情况把裂纹（或断裂）模式分成三类：张开型（I型）、滑开型（II 型）和撕开型（III 型），如图所示I型-张开型II型—滑开型三型-撕开型2请分别针对完全脆性材料和有一定塑性的材料，简述裂纹扩展的能量平衡理论？（15分）答：对完全脆性材料，应变能释放率等于形成新表面所需要吸收的能量率。
对于金属等有一定塑性的材料，裂纹扩展中，裂尖附近发生塑性变形，裂纹扩展释放出来的应变能，不仅用于形成新表面所吸收的表面能，更主要的是克服裂纹扩展所吸收的塑性变形能，即塑性功。
对金属材料，能量平衡理论这时需要更广泛的概念。
这时，抵抗裂纹扩展能力=表面能+塑性变形能，对金属材料这是常数。
3•请简述应力强度因子的含义，并简述线弹性断裂力学中裂纹尖端应力场的特点？（15）答：各种类型裂尖应力和位移场可表示为i,j=1,2,3,123若角标II, III，代表II型或III型裂纹。
可见应力场有如下三个特点：1）r =0处，应力趋于无穷大，即在裂尖出现奇异点；2）应力强度因子在裂尖为有限量；3）裂尖附近的应力分布是r和的函数，与无限远处应力和裂纹长无关。
由上述裂尖应力场的特点可知，用应力为参量建立如传统的强度条件失去意义，但应力强度因子是有限量，它不代表某一点的应力，而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。
应力强度因子一般写为：4.简述脆性断裂的K准则及其含义？（15）答:K^ K1C为应力强度因子准则。
其中，K i为裂纹尖端的应力强度因子，是表示裂纹尖端应力场强度的一个参量，由载荷及裂纹体形状和尺寸决定，可以用弹性理论的方法进行计算；K1C称为材料的平面应变断裂韧度，是材料具有的一种机械性能，表示材料抵抗脆性断裂的能力，由试验测定。
该式称为脆性断裂的K准则，表示裂尖的应力强度因子K i达到K1C时，裂纹失稳扩展。
当K i :: Kic时，裂纹稳定；当K i K ic时，裂纹失稳扩展。
5•请简述疲劳破坏过程的四个阶段？（iO）答：i）裂纹成核阶段2）微裂纹扩展阶段3）宏观裂纹扩展阶段4）断裂阶段6.求出平面应变状态下裂纹尖端塑性区边界曲线方程，并解释为什么裂纹尖端塑性区尺寸在平面应变状态比平面应力状态小？（5分）解：裂纹尖端的主应力为e e' KI丐=j—cos-（i+s in-）^r 2 2」K I日日“硏C0込（_Si巧）屮屮K| 日口3 =「（□ i + 口2 ）=2 ~*cos—应用Von-Mises屈服条件2 2 2 2（二1 一二2）（二2一二3）（二3一二1）=2J代入可得二丄(0)2COS2[(1-2v)23sin2Z]2 二；「s 2 2在平面应变状态下，沿厚度方向约束所产生的是拉应力匚Z，在三向拉伸应力作用下材料不易屈服而变脆7. 对于两种材料，材料1的屈服极限二s 和强度极限匚b 都比较高，材料2的匚s 和 6相对较低，那么材料1的断裂韧度是否一定比材料2的高？试简要说明断裂 力学与材料力学设计思想的差别？ （ 5分）答： 一） 材料1的断裂韧度不一定比材料2的断裂韧度高 二） 下面简述断裂力学与材料力学设计思想的差别：断裂力学和材料力学的研究对象不同， 材料力学研究完整的材料，而断裂 力学则研究带裂纹的材料。
虽然断裂力学是材料力学的发展和补充，但是断裂力 学与材料力学的设计思想不同，其差别可从一下几方面来看： 静载荷情况传统的强度条件要求最大计算应力小于材料强度指标，即： 二max 乞二（屈服），二s 为屈服应力 n s-max -（破坏），-b 为强度极限K I -裂纹尖端的应力强度因子 循环载荷情况传统的疲劳设计，是用光滑试件作 S -N 曲线，求出下界限应力匚」疲劳极 如果最大工作应力满足下式-max-n 」n 4为循环载荷下的安全系数，并认为凡是有缺陷的构件都不能应用。
断裂力学认为：含裂纹构件，只有裂纹未达到临界长度仍可使用； 在循环载 荷作用下，裂纹先缓慢扩展，直至达到临界长度，构件才失稳破坏。
并选用指标 亜——作用载荷每循环一周裂纹的扩展量，代表材料抵抗裂纹扩展的能力。
dN3）腐蚀介质下的情况综上所述，断裂力学出现后，对宏观断裂有了进一步认识，对传统设计思想进行 了改善与补充五、推导题（10分）请叙述最大应力准则的基本思想，并推导出1-11型混合型裂纹问题中开裂角的表 达式？ 答：1) 而断裂力学的裂纹失稳准则是： K IK IC n2)最大应力准则的基本假定：1） 裂纹沿最大周向应力方向开裂；2） 在该方向上周应力达到临界值时，裂纹开始扩展 根据该假定有，cQcos —--- 2- K i (1 • cos — - 3K H sin v I 带入上面两式并利用sin= - cos% -1，可求得开裂角的表达式可以得到 J 二.（wdx 2- 门口 ~Ukds ） x 1u , 位移分量。
由图(1)可知,n^dx 2/ds ， n 2 二-dxjds 所以有，dx 2 =n 1.ds = n 广 1j ds2|422.0 gs 3K-K 8KK2 2K ■ 9K对于纯I 型，K —0 ,厲=0，故根号前必须取正，贝U.0 "rccos 3" "4 8K 2K 22 2K ■ 9K六、证明题（10分）1）证明J 积分值与选择的积分路程无关;答：1）由弹性力学公式Ti=n「「j ， i, j =1,2m ——弧元素法线的方向余弦。