哈工大断裂力学讲义(第二章)PPT优秀课件

1、1 第二章第二章 应力强度因子的计算应力强度因子的计算 2 计算 值的几种方法 K 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. 3 2-1 2-1 三种基本裂纹应力强度因子的计算三种基本裂纹应力强度因子的计算 一一. .无限大板无限大板型裂纹应力强度因子的计算型裂纹应力强度因子的计算 0 lim2KZ 计算 的基本公式 K 1.在“无限大”平板中具有长度为 的穿透板厚的裂 纹表面上,距离 处各作用一对集中力P P 2a xb ReIm x ZyZ ReIm y ZyZ Re xy yZ 选取复变解

2、析函数： 22 22 2 () pz ab Z zb 4 边界条件：边界条件： ,0 xyxy z ,za 除去 处裂纹为自由 表面上 zb 0,0 yxy 如切出 坐标系内的第一象限的 薄平板，在 轴所在截面上内力 总和为P P xy x 以新坐标表示 22 22 2 () ()(2 ) paab Z aba 220 2 lim2( ) () p a KZ ab 5 2.在无限大平板中,具有长度为 的穿透板厚的裂纹表 面上,在距离 的范围内受均布载荷q作用 2a 1 xa 利用叠加原理 集中力 qdx 22 2 () q a dKdx ax 220 2 () a q a Kdx ax 令 2

3、2 coscosxaaxacosdxad 6 1 1 1 sin() 1 0 cos 22sin () cos a a a a aaa Kqdq a 当整个表面受均布载荷时 1 2sin ( ) a a a Kqqa 3.受二向均布拉力作用的无限大平板,在 轴上有一系列 长度为 ,间距为 的裂纹 x 2a2b 单个裂纹时 22 z Z za 7 边界条件边界条件是周期的: , yx z 0,22yaxaabxab 0,0 yxy 22 sin 2 (sin)(sin) 22 z b Z za bb 8 采用新坐标: za 22 sin() 2 () (sin)(sin) 22 a b Z aa

4、 bb 当 时， 0sin,cos1 222bbb sin()sincoscossin 22222 aaa bbbbb cossin 222 aa bbb 2222 sin()() cos2cossin(sin) 2222222 aaaaa bbbbbbb 22 sin()(sin)2cossin 22222 aaaa bbbbb 9 0 sin 2 2 cossin 222 a b Z aa bbb 0 sin 2 lim22 tan 21 cossin 222 a a b KZb baa bbb 2 tan 2 ba a ab 2 tan 2 w ba M ab 取 -修正系数修正系数,大

5、于1,表示其他裂纹存在对 的影响 K 若裂纹间距离比裂纹本身尺寸大很多（ ）可不 考虑相互作用,按单个裂纹计算. 21 25 a b 10 二二. .无限大平板无限大平板、型裂纹问题应力强度因子的计算型裂纹问题应力强度因子的计算 1.型裂纹应力强度因子的普遍表达形式(无限大板): 0 lim( ) 2KZ 2.无限大平板中的周期性的裂纹,且在无限远的边界上处于 平板面内的纯剪切力作用. 22 sin 2 ( ) (sin)(sin) 22 z b Z z za bb 22 sin() 2 ( ) sin()(sin) 22 a b Z a a bb 11 0 2 lim2( )tan 2 ba

6、 KZa ab 3.型裂纹应力强度因子的普遍表达形式(无限大板): 0 lim2( )KZ 4.型周期性裂纹: 2 tan 2 ba Ka ab 12 3-2 3-2 深埋裂纹的应力强度因子的计算深埋裂纹的应力强度因子的计算 1950年,格林和斯内登分析了弹 性物体的深埋的椭圆形裂纹邻域内的 应力和应变得到椭圆表面上任意点, 沿 方向的张开位移为 y 122 2 0 22 (1) xz yy ac 其中: 2 0 2(1) a y E 第二类椭圆积分 13 12 222 2 0 sin( ) cos a d c 1962年,Irwin利用上述结果计算在这种情况下的应 力强度因子 原裂纹面 11

7、 cos,sinzx 22 222222 11 11 22 1 xz c xa za c ac 2222 sincos ac ca 14 假设:椭圆形裂纹扩展时 rf1f 2222 sincos rr fca ac 边缘上任一点 有 ( ,)p x z 1 ()sin(1) sin(1)xrff x 1 ()cos(1)zrf z 11 ( ,), ( ,)p x zp x z均在 的平面内 0y 222242222 (1)c xa zfa ca c 15 新的裂纹面仍为椭圆 长轴 (1)cf c 短轴 (1)af a 22 00 2(1)2(1) (1) (1) af a yf y EE 原

8、有裂纹面: 22 2 22 0 ()1 xzy acy 扩展后裂纹面: 22 2 22 0 ()1 xzy acy 以 ， 代入 1 xx 1 zz 原有裂纹面的边缘 向位移 y y 16 22222 1111 2222222 0 11 (1)(1) xzxzy yacfafc 222222 111111 222222 1 (1 2 )(1 2 )12 () xzxzxz fff acacac 2 f 22222 000 22 (1)2yfyffyfy 2222 sincos r fca ac 2 22222 0 2 sincos ry yca ac 17 设各边缘的法向平面为平面应变,有:

9、3 (21)sinsin 4222 Kr vk G 34k 当 时， 2 4(1) 2 r vK E 222 22222 0 2 216(1) sincos 2 I ryr caK acE 2222222 0 2 1E ()sincos 4 1 I Kyca ac 18 2 0 2(1) a y E 1 4 1 2222 2 ( ) (sincos) I a Kca c 在椭圆的短轴方向上，即 ，有 2 IImax KK -椭圆片状深埋裂纹的应力强度因子椭圆片状深埋裂纹的应力强度因子 当 时， 2 ac 2 I Ka -圆片状深埋裂纹应力强度因子圆片状深埋裂纹应力强度因子 19 3-3 3-3

10、 半椭圆表面裂纹的应力强度因子计算半椭圆表面裂纹的应力强度因子计算 一、表面线裂纹的应力强度因子一、表面线裂纹的应力强度因子 欧文假设： 半椭圆片状表面线裂纹 与 深埋椭圆裂纹的 之比等于边裂 纹平板 与中心裂纹平板的 值之比 I K I K I K I K II II KK KK 表边 埋中 1 2 2 0.1sin (1) tan I I A K W A K W 边 中 又有 裂纹长度 板宽度 20 当 时， 1 A W 22 sin AA WW tan AA WW 1.21.1 I I K K 边 中 1.1 I I K K 表 埋 1.16 1.1 II a KK 埋表 -椭圆片状表面

11、裂纹椭圆片状表面裂纹A A处的处的 值值 I K 21 二、表面深裂纹的应力强度因子二、表面深裂纹的应力强度因子 深裂纹：引入前后二个自由表面 使裂纹尖端的弹性约束减少 裂纹容易扩展 增大 I K () II KMe K表面（埋藏） 弹性修正系数，由实验确定 一般情况下 12 MeMM 前自由表面的修正系数 后自由表面的修正系数 22 巴里斯和薛 0 a c 时， 接近于单边切口试样 1 1.12M 1 a c 时， 接近于半圆形的表面裂纹 1 1M 利用线性内插法 1 10.12(1) a M c 利用中心穿透裂纹弹性体的厚度校正系数 1 2 2 2 (tan) 2 Ba M aB 板厚 裂

12、纹深度 浅裂纹不考后自由表面的影响 23 柯巴亚希.沙.莫斯 2 1 10.12(1) 2 a M c 1 2 2 2 (tan) 2 Ba M aB 表面深裂纹的应力强度因子（应为最深点处） I a KMe 24 2-4 2-4 其他问题应力强度因子的计算其他问题应力强度因子的计算 一、一、.型复合问题应力强度因子的计算型复合问题应力强度因子的计算 复变数： iyxz iyxz 取复变解析函数： ( ) x zpiq 11 ( ) zpiq 取应力函数 2( )( )( )( )zzzx zzx z Re ( )( )zzx z或 满足双调和方程 25 分析第一应力不变量 22 22 4Re

13、 ( ) xy x z xy 对于.型复合裂纹 型： ReIm xII ZyZ ReIm yII ZyZ | |0| |0| |0 ()2Re2Re 2 I xyII K Z 型： 2ImRe xIIII ZyZ Re yII yZ 000 () |2Im|2Im| 2 xy K Z 26 、型复合裂纹在裂纹前端处的不变量 000 ()|2Re|2Im| 22 xy KK 0 1 2Re()| 2 KiK 取复数形式的应力强度因子 KKiK 00 ()|2Re()| 2 xy K ()4Re ( ) xy x Z 又 0 lim2 2( )Kx Z 27 若采用 2 2lim( ) za Za

14、KZax Z 选择 满足具体问题的应力边界条件 ( )x z 1144 ( )( )( )( )fF ZF ZZF ZZF Z -复变解析函数表达的双调和函数的普遍形式复变解析函数表达的双调和函数的普遍形式 或复变应力函数为普遍形式或复变应力函数为普遍形式 利用这个方法可以求解很多”无限大”平板中的穿 透裂纹问题. 28 二、无限宽板穿透裂纹应力强度因子的计算二、无限宽板穿透裂纹应力强度因子的计算 实际情况应看成有限宽计算.必须考虑的自由边界对 裂纹尖端应力场和位移场的影响.在理论上得不到完全解. 通过近似的简化或数值计算方法. 方法:边界配置法,有限单元法等. 边界配置法边界配置法:将应力函

15、数用无穷级数表达,使其满足 双调和方程和边界条件,担不是满足所有的边界条件,而 是在有限宽板的边界上,选足够多的点,用以确定应力函 数,然后再由这样符合边界条件的应力函数确定 值. K 边界配置法:只限于讨论直边界问题. 29 1.威廉氏(Williams)应力函数和应力公式 Williams应力函数 1 2 1 ( 1) 2 ( , ) cos(1)cos(1) 22 1 2 j j j j j jj rCr j 满足双调和方程 边界条件边界条件:裂纹上、下表面 2 y xy , 均为零 在边界上的边界条件的满足如下 确定:在有限宽板的边界上选取足够 的点,使这一点的边界条件满足. 30 为

16、了计算方便引入无量纲量 2 j jj DC BWp 试件厚度 试件宽度 1 2 1 ( 1) 2 ( , ) cos(1)cos(1) 22 1 2 jj j j j pWrjj rD j BW 2 2 1 ( , ) yjj j p D A r xBW 1 2 2( 1) )cos(1)(1)cos(3) 22222 j j j rjjjjj A W 2 2 1 ( , ) xjj j p D B r yBW 2 1 ( , ) xyjj j p D E r x yBW 31 2. 的计算 K 针对型裂纹 3 cos(1 sinsin) 2222 x K r 3 cos(1 sinsin)

17、2222 y K r 当 时, 0 2 yx K r 0r 0 0 lim2| y r Kr 当 时, ,当 =1时,在乘 后与 无关.而当 =2,3时,在乘 之后与 有关,当 都为零 0 j 2 r cos1j 2 r r r 0r 32 1 2 1 0 111 lim()(2 1) 1 (1) 1 222 r pr KD BWW 1 2 p D B W 3.借用无裂纹体内的边界条件求系数 j D 取含裂纹三点弯曲试样的左半段的 受力状态和不含裂纹的悬臂梁受力是一 样的. 取 个点分析,以 有限级数代 替无限级数精度足够. m2m 33 对于不同的点有 2 11 1 m yjjy j p D

18、 A BW 1 2 11 1 m xyjjxy j p D E BW () pa KF BWW 13579 22222 ()11.6()18.4()87.2()150.4()154.8() aaaaaa F WWWWWW 其中 标准试件 4sW 34 3-5 3-5 确定应力强度因子的有限元法确定应力强度因子的有限元法 不同裂纹体在不同的开裂方式下的应力强度因子是不 同的.一些实验方法解析方法都有各自的局限性,而有限元 等数值解法十分有效地求解弹塑性体的应力和位移场,而 应力和位移场与 密切相关,所以,可以通过有限元方法 进行应力强度因子的计算. K 一一. .位移法求应力强度因子位移法求应力

19、强度因子 型: 3 ( , )(21)coscos 4222 Kr u rk G 3 ( , )(21)sinsin 4222 Kr v rk G 35 有限元法 裂纹尖端位移 22 ( , ) 1 G Kv r kr 外推法 二二. .应力法求应力强度因子应力法求应力强度因子 型: ( , )( ) 2 iyiy K rf r 有限元法 ( ,0)2 yy rKr 利用刚度法求应力时,应力场比 位移场的精度低(因应力是位移对坐 标的偏导数). 36 三三. .间接法求应力强度因子间接法求应力强度因子( (应变能释放率法应变能释放率法) ) K G E 四四. . 积分法积分法 J :围绕裂纹

20、尖端的闭合曲线 T :积分边界上的力 u :边界上的位移 u JWdyTds x 1 2 iyiy W 应变能密度 线弹性问题: K JG E 37 2-6 2-6 叠加原理及其应用叠加原理及其应用 一一. . 的叠加原理及其应用的叠加原理及其应用 K 线弹性叠加原理线弹性叠加原理:当n个载荷同时作用于某一弹性体 上时，载荷组在某一点上引起的应力和位移等于单个载 荷在该点引起的应力和位移分量之总和. 叠加原理适用于 K 证明证明: : 0 0 lim2| y r Kr 1 T (1)(1)(1) 00 0 ,|lim2| yy r Kr 2 T (2)(2)(2) 00 0 ,|lim2| y

21、y r Kr 由叠加原理有 (1)(2) 000 | yyy (1)(2) KKK 38 实例实例:铆钉孔边双耳裂纹 叠加原理: ( )( )( )( )( )( )( ) 1 () 2 abcdabc KKKKKKK 其中: ( ) () 2 b a Ka D 圆孔直径 板有宽度: ()sec aa F WW - 板宽的修正 39 2 f D aa 有效裂纹长度 ( ) () 2 ()sec 2 b D a a Ka D W 确定 :无限板宽中心贯穿裂纹受集中力 作用 ( )c K p p K a 1 (2 ) 2 p K Da 有限板宽: (2 ) ()sec 2 aDa F WW ( )

22、 (2)(2 ) secsec 22 ()() 22 c paDWDa K WWDD aa ( ) (2 ) sec() 22 () 2 2 a DaaW Ka D WD a 40 二二. .应力场叠加原理及其应用应力场叠加原理及其应用 0 T:无裂纹时外边界约束在裂纹所处位置产生的内应力场 应力场叠加原理:在复杂的外界约束作用下,裂纹前端 的应力强度因子等于没有外界约束,但在裂纹表面上反向 作用着无裂纹时外界约束在裂纹出产生的内应力 所致 的应力强度因子. 0 T 41 实例实例:旋转叶轮(或轴)内孔端裂纹 42 1.求解无裂纹时,旋转体在无裂纹部位的内应力 由弹性力学有 222 22 11

23、 2 222 22 3 (1) 8 r RRr fR RrR 222 22 11 2 222 22 31 3 (1) 83 RRr fR RrR f 为叶轮密度 为角速度 1 R为叶轮内径 2 R为叶轮外径 r为计算点的位置 平面应力 1 平面应变 一般情况下: 1 2 11 1050 R R 2 1 2 ()1 R R 2 22 1 02 2 3 (1) 8 R TfR r 43 2.根据类比原则 比较两种情况:内孔半径一致,裂纹大小及组 态一样,裂纹面上下受力一致,外边界无约束,唯 一不同的是一个是有限体,一个是无限体,由于边 界是自由的 ( )d KK (b) 44 带中心孔的无限大板,

24、受双向拉应力 时, 孔边附近的应力(注意无裂纹时),由弹性力学知 22 02 3 8 fR 2 1 00 2 (1) R T r ( )d KK (c) ( ) 0 1 () c a KKa f R (a) 3.根据叠加原理 45 2.7 2.7 实际裂纹的近似处理实际裂纹的近似处理 利用断裂力学进行安全评价时,首先确定缺陷的 大小,部位和形状,偏于安全考虑:夹杂、空洞、气孔、 夹杂性裂纹 裂纹应针对实际问题进行分析 一一. .缺陷群的相互作用缺陷群的相互作用 1.垂直外应力的并列裂纹 并列裂纹的作用使下降 ,工程上偏安全考虑 K 并列裂纹作为单个裂纹考虑; 对于密集的缺陷群,假定它们在空间规

25、则排列,并可把 空间裂纹简化成平面裂纹. 46 2.与外应力垂直的面内共线裂纹 如裂纹中心间距大于缺陷尺寸五倍以上,可做为单个 裂纹处理,否则必须考虑修正. 二二. .裂纹形状的影响裂纹形状的影响 通过探伤手段 裂纹形状的影响 1.探伤结果是面积 当缺陷的面积相同时, 的椭圆裂纹 最大 1 2 a c K 以 的椭圆裂纹分析是偏于安全的 1 2 a c 47 2.探伤的结果是最大线尺寸 当最大直径相同时,圆裂纹的 比椭圆裂纹大 K 以圆裂纹估算偏于安全 当缺陷长度一样时,贯穿裂纹 比其它裂纹的大 K 以贯穿裂纹估算偏于安全 48 2.8 2.8 塑性区及其修正塑性区及其修正 小范围屈服:屈服区

26、较小时(远远小于裂纹尺寸) 线弹性断裂力学仍可用 一一. .塑性区的形状和大小塑性区的形状和大小 1.屈服条件的一般形式 屈服条件屈服条件:材料超过弹性阶段而进入塑性阶段的条件. 单向拉压: 1 2 薄壁圆筒扭转: s 复杂情况: (,) xyzxyxzyz fc 123 (,)fc 49 2.根据屈服条件确定塑性区形状大小 a.利用米塞斯(von.mises)屈服条件 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 2222 122331 ()()()2 s 对于型裂纹的应力公式 12 2 () 22 xyxy xy 1 2 cos1 sin 222 K

27、r 3 0平面应力 50 2 22 2 cos1 3sin 222 s K r -平面应力下,型裂纹前端屈服区域的边界方程 当 时, 0 2 0 1 () 2 s K r 312 () z 平面应变 2 222 2 cos(12 )3sin 222 s K r -平面应变下, 型裂纹前端屈服区的边界方程 当 时, 0 2 1 0.16()(0.3) 2 s K r 22 1 (12 )() 2 s K 51 b.利用Tresca(屈雷斯加)屈服条件 在复杂受力下,当最大切应力等于材料弹性拉伸时的 屈服切应力,材料即屈服. 比较发现:平面应变塑性区尺寸小,平面应变处于三 向拉伸状态不易屈服. 平

28、面应变的有效屈服应力 比 高 ys s 塑性区中的最大应力 1ys 平面应变 1 3 yss 3 2 2 ys 平面应力 1yss 52 3.应力松弛的影响 由于塑性变形引起应力松弛 应力松弛 依据:单位厚含裂纹平板,在外力作用下发生局部屈服后, 其净截面的内力应当与外界平衡. 塑性区尺寸增大 0 | 2 y K r (图中虚线所示) 此曲线下的面积为 1 ( ) y Fx dx =外力 53 应力松弛后: 2y Fdx =外力 屈服区内的最大应力称为有效屈服应力 2 2() () s ys s 平面应变 平面应力 2 1 () 2 ys ys K r ( ) yy x dxdx 又BD与CE下的面积应相等 00 ( ) 2 ysys rr ysy K x dxdx x 2 0 1 () 2 ys ys K rr (平面应力) 22 0 1 ()2() 8 ss KK