断裂与损伤-·应力强度因子的求解讲课教案课件

第三讲·应力强度因子的求解

与Westergaard方法

第三讲·应力强度因子的求解

与Westergaard方法寻求满足边界条件下的，由此二函数求解KI、KII和应力场、位移场。坐标平移预备知识:复应力函数寻求满足边界条件下的，由此二函数求解KI、坐标系转动角的情形坐标系转动角的情形断裂与损伤——·应力强度因子的求解讲课教案课件由应力函数计算应力强度因子，由应力函数计算应力强度因子，不必先求得应力场,而只要复应力函数微商不必先求得应力场,而只要复应力函数微商求得，可以求得应力强度因子，故求得，可以求得应力强度因子，故由复应力函数求K的例子由复应力函数求K的例子情况I情况II情况III情况I情况II情况III叠加添加了与刚体位移有关的无应力项叠加添加了与刚体位移有关的无应力项记记

平移到移轴公式按作展开之后平移到移轴公式按作展开之后展开得注意到展开得注意到应力强度因子(SIF)的求解方法概述人们已经发展了多种方法求解应力强度因子SIF(StressIntensityFactor)，解析方法、数值方法和实验方法。在解析方法中，Westergaard方法、权函数法、积分变换法，这些方法一般只能求解某些简单构形的问题。数值方法有有限元法、边界元法、边界配位法等。实验方法有光弹性法、能量释放率法等。本节只简单介绍几种解析方法。

应力强度因子(SIF)的求解方法概述人们已经发展了多种方法求Westergaard方法

对于一般的二维平面问题，需要求解两个Kolosov－Muakhelishvili解析函数和。而对于纯Ⅰ型和纯Ⅱ型问题，Westergaard发现只需要求解一个解析函数，称为Westergaard函数。Westergaard方法对于一般的二维平面问题，需要求解Westergaard方法的裂纹解Westergaard方法的裂纹解容易证明，双调和函数可以用三个调和函数，与表示对称的裂纹，westergaard假设,对于对称或反对称受载情况,可取为一解析函数称为westergaard复应力函数，容易证明，双调和函数可以用三个调和函数，I型裂纹――平面应变不难发现I型裂纹――平面应变不难发现反对称（剪切）载荷――平面应变

取反对称（剪切）载荷――平面应变取

纵向剪切作用的裂纹这里作为的解析函数

例子一，单向均匀拉伸的Griffith裂纹二，双向均匀拉伸三，均匀内压例子一，单向均匀拉伸的Griffith裂纹二，双向均匀拉伸四，半无线裂纹在其一部分表面上受力五，远处均匀剪切的Griffith裂纹六，反平面裂纹问题这些是怎样确定的，Westergaard方法中并没有给出一定的步骤，不如Muskhelishvili方法系统和直接四，半无线裂纹在其一部分表面上受力五，远处均匀剪切的GrifWestergaard应力函数I型寻求满足所有边界条件的应力函数Westergaard应力函数I型寻求满足所有边界条件的应力（1）（2）（3）轴上（一）典型的张开型问题（1）（2）（3）轴上（一）典型的张开型问题选取应力函数坐标原点移到裂纹右尖端处，取选取应力函数坐标原点移到裂纹右尖端处，取（二）在2a1内均匀分布的压力利用叠加原理（二）在2a1内均匀分布的压力利用叠加原理（三）(i)

当

,

它满足问题的全部边界条件(ii)在裂纹面上全x轴上(iii)(vi)附近，有奇异性（三）它满足问题的全部右端A左端B右端A左端B集中力作用在裂纹中点，取本例相当于裂纹面任一点作用单位载荷的基本解集中力作用在裂纹中点，取本例相当于裂纹面任一点作用单位表面上有任意的分布载荷作用表面上有任意的分布载荷作用Westergaard方法考虑如图所示的Ⅰ型对称平面问题。沿轴上有若干个直裂纹，且外载关于轴对称。再对称轴上的对称条件表示为：利用了在实轴上的关系式

Westergaard方法考虑如图所示的Ⅰ型对称平面问题。沿Westergaard方法由于上式在整个实轴上都成立，根据柯西-黎曼关系，有：因为在除裂纹以外的整个平面上解析，而且在整个实轴上等于实常数A。由解析延拓可得：若记为Ⅰ型问题的Westergaard函数，则应力和位移分量由Westergaard函数表示为

建立了在对称问题中两个解析函数和之间的关系

Westergaard方法由于上式在整个实轴上都成立，根据柯Westergaard方法·例子在双轴拉伸下含中心裂纹的无限大板情况。自由裂纹表面的边界条件可表述为：可得：在无穷远处得边界条件：

从而得到该问题的Westergaard函数为：为裂纹半长通解为：和分别为无穷远处沿和方向上的均匀拉力当时，为等轴拉伸情况Westergaard方法·例子在双轴拉伸下含中心裂纹的无限Westergaard方法·例子应力场和位移场由此都可以得到。裂纹上下表面的张开位移为：在裂纹尖端处的应力强度因子为：得到：即为前文求能量释放率时的表达式

说明横向应力并不影响裂纹张开位移和应力强度因子。

(表达式中没有横向应力项)Westergaard方法·例子应力场和位移场由此都可以得到Westergaard方法·例子对于Ⅱ型问题，Westergaard函数定义为：对应的应力、位移和SIF表示为：对于含中心穿透裂纹无限大板受远场均匀剪应力的情况，利用类似于Ⅰ型问题的求解步骤，可求出：为待定的实常数

Westergaard方法·例子对于Ⅱ型问题，WestergWestergaard方法·小结对于一般的二维裂纹问题，可以用Kolosov－Muakhelishvili的方法程序性地求解应力和位移场以及应力强度因子，但这种方法求解过程需要数学的技巧。对于某些特殊情况，可以采用Westergaard函数,即由需要求解两个复变解析函数和简化为确定一个复变函数，从而使问题简化。当然，Westergaard函数方法也是在少数情况下才能得出解析解。Westergaard方法·小结对于一般的二维裂纹问题，可以

第三讲·应力强度因子的求解

与Westergaard方法

第三讲·应力强度因子的求解

与Westergaard方法寻求满足边界条件下的，由此二函数求解KI、KII和应力场、位移场。坐标平移预备知识:复应力函数寻求满足边界条件下的，由此二函数求解KI、坐标系转动角的情形坐标系转动角的情形断裂与损伤——·应力强度因子的求解讲课教案课件由应力函数计算应力强度因子，由应力函数计算应力强度因子，不必先求得应力场,而只要复应力函数微商不必先求得应力场,而只要复应力函数微商求得，可以求得应力强度因子，故求得，可以求得应力强度因子，故由复应力函数求K的例子由复应力函数求K的例子情况I情况II情况III情况I情况II情况III叠加添加了与刚体位移有关的无应力项叠加添加了与刚体位移有关的无应力项记记

平移到移轴公式按作展开之后平移到移轴公式按作展开之后展开得注意到展开得注意到应力强度因子(SIF)的求解方法概述人们已经发展了多种方法求解应力强度因子SIF(StressIntensityFactor)，解析方法、数值方法和实验方法。在解析方法中，Westergaard方法、权函数法、积分变换法，这些方法一般只能求解某些简单构形的问题。数值方法有有限元法、边界元法、边界配位法等。实验方法有光弹性法、能量释放率法等。本节只简单介绍几种解析方法。

应力强度因子(SIF)的求解方法概述人们已经发展了多种方法求Westergaard方法

对于一般的二维平面问题，需要求解两个Kolosov－Muakhelishvili解析函数和。而对于纯Ⅰ型和纯Ⅱ型问题，Westergaard发现只需要求解一个解析函数，称为Westergaard函数。Westergaard方法对于一般的二维平面问题，需要求解Westergaard方法的裂纹解Westergaard方法的裂纹解容易证明，双调和函数可以用三个调和函数，与表示对称的裂纹，westergaard假设,对于对称或反对称受载情况,可取为一解析函数称为westergaard复应力函数，容易证明，双调和函数可以用三个调和函数，I型裂纹――平面应变不难发现I型裂纹――平面应变不难发现反对称（剪切）载荷――平面应变

取反对称（剪切）载荷――平面应变取

纵向剪切作用的裂纹这里作为的解析函数

例子一，单向均匀拉伸的Griffith裂纹二，双向均匀拉伸三，均匀内压例子一，单向均匀拉伸的Griffith裂纹二，双向均匀拉伸四，半无线裂纹在其一部分表面上受力五，远处均匀剪切的Griffith裂纹六，反平面裂纹问题这些是怎样确定的，Westergaard方法中并没有给出一定的步骤，不如Muskhelishvili方法系统和直接四，半无线裂纹在其一部分表面上受力五，远处均匀剪切的GrifWestergaard应力函数I型寻求满足所有边界条件的应力函数Westergaard应力函数I型寻求满足所有边界条件的应力（1）（2）（3）轴上（一）典型的张开型问题（1）（2）（3）轴上（一）典型的张开型问题选取应力函数坐标原点移到裂纹右尖端处，取选取应力函数坐标原点移到裂纹右尖端处，取（二）在2a1内均匀分布的压力利用叠加原理（二）在2a1内均匀分布的压力利用叠加原理（三）(i)

当

,

它满足问题的全部边界条件(ii)在裂纹面上全x轴上(iii)(vi)附近，有奇异性（三）它满足问题的全部右端A左端B右端A左端B集中力作用在裂纹中点，取本例相当于裂纹面任一点作用单位载荷的基本解集中力作用在裂纹中点，取本例相当于裂纹面任一点作用单位表面上有任意的分布载荷作用表面上有任意的分布载荷作用Westergaard方法考虑如图所示的Ⅰ型对称平面问题。沿轴上有若干个直裂纹，且外载关于轴对称。再对称轴上的对称条件表示为：利用了在实轴上的关系式

Westergaard方法考虑如图所示的Ⅰ型对称平面问题。沿Westergaard方法由于上式在整个实轴上都成立，根据柯西-黎曼关系，有：因为在除裂纹以外的整个平面上解析，而且在整个实轴上等于实常数A。由解析延拓可得：若记为Ⅰ型问题的Westergaard函数，则应力和位移分量由Westergaard函数表示为

建立了在对称问题中两个解析函数和之间的关系

Westergaard方法由于上式在整个实轴上都成立，根据柯Westergaard方法·例子在双轴拉伸下含中心裂纹的无限大板情况。自由裂纹表面的边界条件可表述为：可得：在无穷远处得边界条件：

从而得到该问题的Westergaard函数为：为裂纹半长通解为：和分别为无穷远处沿和