工程断裂力学PPT课件
断裂力学课件
断裂力学目录第一章绪论 (2)§1.1 断裂力学的概念 (2)§1.2 断裂力学的基本组成 (2)第二章线弹性断裂力学概述 (4)§2.1 裂纹及其对强度的影响 (4)§2.2 断裂理论 (6)第三章裂纹尖端区域的应力场及应力强度因子 (13)§3.1 Ⅰ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 (13)§3.2 Ⅱ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 (18)§3.3 Ⅲ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 (20)§3.4应力强度因子的确定 (22)第一章 绪论§1.1 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。
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
断裂力学导论讲诉课件
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。
断裂力学总ppt
变化到f,其斜率为− λ
14
2 G1的柔度公式
系统推动裂纹扩展的有效能量为外力功与应变能增加(或减少)之差(或和)
G1
= lim Δoab dA→0 dA
= lim Δoad dA→0 dA
=
Δoaf lim dA→0 dA
对前两种情况, Δoad= P dΔ 2
则由 dΔ = Pdλ
G1
=
P2 2
)
=
∂ ∂y
(−
Im
Z1 )
=
−
Re
Z1
( ) ∂2
∂y 2
y Im Z1
=
∂ ∂y
(Im Z1
+
y
Re
Z1 )
=
2 Re
Z1
−
y
Im
Z1'
将上面两式代入应力表达式 ( ) σ
=
x
∂ 2ϕ ∂y 2
= ∂2 ∂y 2
Re Z1
+
∂2 ∂y 2
y Im Z1
σ x=Re Z1 − y Im Z1'
同理(自行推导)可得:
[ ] v= 1 E
2 Im Z1 − (1 +ν ) y Re Z1
平面应力
对平面应变:
断裂韧性PPT课件
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如果,将裂纹顶点由O虚移到O’点,则在虚拟的裂 纹顶点O‘以外的弹性应力分布曲线为GEH,与线弹 性断裂力学的分析结果符合;而在EF段,则与实际 应力分布曲线重合。这样,线弹性断裂力学的分析 结果仍然有效。但在计算KI时,要采用等效裂纹长 度代替实际裂纹长度,即
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工程中常用KIC进行构件的安全性评估,KI的临界值可由下式给出
KIC
EGIC
1 2
(7-21)
由此可见,KIC也是材料常数,称为平面应变断裂韧性。
另一方面,KIC又是应力强度因子的临界值; 当KI=KIC时,裂纹体处于临界状态,既将断裂。 裂纹体的断裂判据,即KIC判据.
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图7-21 裂纹尖端张开位移
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7.9.2 弹塑性条件下CTOD的意义及表达式
对大范围屈服,KI与GI已不适用,但CTOD仍不失其使用价值。
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7.10 J积分
7.10.1 J积分的意义和特性
如图所示,设有一单位厚度(B=1)的I型裂纹体,逆时针取一回路Γ,其所 包围的体积内应变能密度为ω,Γ回路上任一点作用应力为T。
ac=0.25(75/1500)2=0.625 mm
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(2)中低强度钢 这类钢在低温下发生韧脆转变。
在韧性区,KIC可高达150 MPa√m。 而在脆性区,则只有30-40 MPa√m,甚至更低。
这类钢的设计工作应力很低,往往在200 MPa以下。取工作应力为200
MPa,则在韧性区,ac=0.25(150/200)2=140 mm。
工程断裂力学第一章.ppt
断裂力学的关键问题(一)
1.多小的裂纹或缺陷是允许存在的,即此小裂纹或缺陷不会在预定 的服役期间发展成断裂时的大裂纹?
2.多大的裂纹就可能发生断裂,即用什么判据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?以及影响裂纹扩展率的因素。 4.在既能保证安全,又能避免不必要的停产损失,探伤检查周期应
如何建立评定带缺陷或裂纹运行的机械结构的安全性 标准
如何预测和防止断裂事故的发生
目前人们还关心这些缺陷是如何产生和生长成裂 纹的,这属于损伤力学和细观力学等学科范畴。
航空工业中的关键问题
近五十年来,随着宇航和航空工业的飞速发展,高强度合金 (高强度的钢、铝和钛等合金)广泛应用。
高强度合金:比强度相当高,即强度与质量密度的比值较一 般金属或合金高得多。
高强度合金的优点:用高强度合金制成的机械结构,通常体 积较小、重量较轻、用料还可以大大节省。这个优点对宇航的飞 行器,例如火箭、太空船、航天飞机和人造卫星等特别重要。
航空航天是断裂力学应用最 广泛、最深入的工业领域。
高强度合金的缺点
大部分高强度合金都比较脆,容易发生断裂;在 腐蚀性环境介质中,甚至在相对湿度较高的环境中, 就可能萌生出裂纹。
飞机发动机为什么会脱落?
美国航空管理局和飞机制造 公司专家调查后发现:原来是连 接发动机和机翼的连接件发生了 断裂。
断裂发生的过程:断裂是如此突然地发生,好象事先一 点征兆都没有。其实不然,如果在飞机起飞前仔细探伤 检查这个连接件,就有可能发现一条小裂纹,发展成这 条小裂纹的时间恐怕并非一日。飞机每飞行一个航程, 这个连接件就受到一个大循环的随机疲劳载荷。如果这 个连接件在制造后安装时就已产生缺陷,则随飞机飞行 次数和飞行时间的增加,缺陷就可能发展成大裂纹,并 且越来越长,当裂纹扩展到一定长度时,连接件就突然 发生断裂。
断裂力学理论基础全解PPT课件
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。
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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。
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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
断裂力学第二章-Griffith断裂理论 ppt课件
4aBg
g 单位面积表面能
位移固定边界
外界对系统做功
W 0
如何计算弹性应变能的改变dUe?
PPT课件 16
计算弹性应变能Ue(有限板情形),采用叠加原理
E / L
(a)
(c)
(b)
为什么可以用叠加原理?上下的叠加哪个正确?为什么?
(a)
E / L
Griffith理论
Energy balance concept Difference in elastic energy between the cracked sheet and the uncracked sheet
UE
2 a 2 B
E
Plane strain
Homework(作业题)
min U min H
达到平衡状态
min F min G
能量最小原理是热力学第二定律的另一种表述。
PPT课件 4
Legendre变换
200 year portrait debacle
f x
Legendre变换
Adrien-Marie Legendre
Louis Legendre
热力学第一定律:
对于非孤立系统,系统的总能量始终是守恒的。
dU Q Wmech Wextra
U是状态量,Q、Wmech、Wextra是过程量(路径依赖)
系统又有往能量极小演化的趋势
似乎有矛盾,怎么回事? PPT课件
2
热力学第二定律:
不可能把热量从低温物体传递到高温物体 而不产生其他影响。
11
Legendre变换
200 year portrait debacle
工程断裂力学课件4-Fatigue
于许多材料,在多数情况下都可应用,得到了超寻常的使用,但要记住,该公式
只是一个经验公式,没有理论依据(推理性)。 Forman 公式 当外加△K不变(即应力幅度不变);改变循环应力比R值,(即改变平均应
力
m
值,da/dN将会随
m
值的增大(即R值增大)而增大。Paris 公式没有考虑
平均应力的影响,也没有考虑当Kmax 趋近于 Kc时(第三阶段),Forman 提出 了考虑上述问题的修正公式: C ( K ) da dN (1 R ) K c K
d ·Paris公式: a dN A(K )
m
, △K一般写为:K Y
a
, 这里Y
是裂纹几何因子,一般取为常数。从而:
da dN
A (Y
a)
m
积分上式,有:
af
N
a0
da A( )
m
AY
m
1 ( )
m m 2
af
a0
m
a
2
da
当m≠2时
情况。
疲劳裂纹扩展发生于裂纹尖端附近小范围区域内,故其扩展速率由局部的应 力应变场控制,该局部的应力场可以通过外加应力与裂纹扩展的长度决定,或者
说由相应的应力强度因子K1来确定(不是J ,why ?)。实际上影响裂纹扩展速率的因
素很多,但主要是应力幅△σ,裂纹长度a,即da/dN=f(△σ,a )=f(△K),△K称为 应力强度因子范围, 它是相应于应力幅的最大应力和最小应力的应力强度因子之
parameters of A and m for Paris formula, estimate the number of flying hours (100cycles/1hr. )to fracture 7075- alloy: Kc = 40 MPam;A = 1.3x10-10 m/cycle ; m = 3; Y = 1.27 (assume constant);Measured maximum stress is 75 MPa; Measured minimum stress is 10 Mpa;
断裂力学ppt课件
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