损伤及断裂力学第一章(矿大)高峰.ppt

1工 程 断 裂 力 学 力学课程层次 刚体力学：理论力学，分析力学，多刚体力学，天体力学等 理想变形体力学：材料力学，结构力学，弹塑性力学，振动力学，粘弹塑性力学等 缺陷变形体力学：断裂力学，损伤力学，细观力学，岩石力学等 课程内容 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。 本课程将简要介绍断裂的工程问题、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。 第一章 引 言 1.1 关于断裂的工程问题 1979年5月－个晴朗的下午，一架美国麦克唐纳?道格拉斯公司制造的DC－10型宽体客机，从芝加哥国际机场起飞。突然间，地面上有人看见飞机机翼下的一个发动机脱落了。不到几秒钟的时间，飞机就从低空掉下来，飞机上二百七十多人全部遇难，美国历史上最大的空难事件就这样发生了。 至今为止，这样的空难仍然难以完全避免！！！ 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。 断裂事故 二次世界大战期间，特别是四十年代后期，美国曾建造了大约2500艘自由号型万吨轮，在服役期间有145艘断成两截，700艘左右严重破坏。 其它：海洋平台发生崩溃 压力容器发生破裂 吊桥的钢索断裂 天然气管道破裂 房屋开裂倒塌 气轮机叶片断裂…… 科学家与工程师关心的两个问题 在设计、制造、安装和使用的整个过程中： 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 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。 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。 由高强度合金所制成的机械结构发生断裂时的应力水平，往往远低于屈服应力。这些断裂问题用传统的强度理论，例如用屈服判据，是解释不了的。 断裂力学的诞生 当机械结构带有裂纹时，判断机械结构发生断裂的时机，不能用屈服判据，而应该寻求新的断裂判据。 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。 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安排？ 5．万一检查时发现了裂纹，该如何处理？ 断裂力学的关键问题（二） 什么材料比较不容易萌生裂纹？ 什么材料可以容许比较长的裂纹存在而不发断裂？ 什么材料抵抗裂纹扩展的性能较好？ 怎样冶炼、加工和热处理可以得到最佳效果？ 解决断裂问题的思路 为解决上面所提的工程问题和材料问题，对于含裂纹的受力机械零件或构件，必须先找到一个能表征裂纹端点区应力应变场强度(intensity)的参量，就象应力可以作为裂纹不存在时的表征参量一样。 解决断裂问题的思路—科学假说（续） 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，