《断裂力学引言》课件

断裂力学引言断裂力学研究材料断裂现象，分析断裂原因、规律和控制措施。它涉及材料科学、力学、物理学和工程学等多个学科。by课程大纲断裂力学基础介绍断裂力学的概念，包括断裂力学的基本原理，应力强度因子，临界应力强度因子等。讨论断裂力学在工程中的应用，例如航空航天，机械设计等。断裂准则介绍不同的断裂准则，例如应力断裂准则，能量断裂准则，以及临界应力强度因子。讨论这些准则在实际工程应用中的优缺点。导论本课程将介绍断裂力学的基本概念、理论和应用。我们将学习如何分析材料的断裂行为，并掌握预测结构安全性的方法。1.1什么是断裂力学研究断裂断裂力学专注于研究材料断裂过程，从裂纹萌生到扩展直至最终断裂。应用范围该学科广泛应用于航空航天、核能、桥梁、压力容器等工程领域。防止断裂断裂力学有助于理解材料断裂机理，从而有效预防工程结构失效。1.2断裂力学在工程中的应用11断裂力学可预测结构的断裂行为，预防灾难性事故。22优化设计，提高结构的可靠性和安全性，减少材料浪费。33设计更加安全耐用的航空器，保障乘客安全。44研究材料的断裂性能，开发新型材料。2.应力场分析应力场分析是断裂力学的基础。对材料内部应力状态的了解，是进行裂纹扩展预测的关键。2.1应力定义应力物体内部各部分之间相互作用力的度量。应力是物体承受外力时产生的内部抵抗力。应力单位通常用帕斯卡(Pa)表示，等于每平方米牛顿(N/m²)。应力类型包括正应力、剪应力。正应力垂直于表面，剪应力平行于表面。2.2平面应力与平面应变1平面应力假设物体只有一个方向上的应力为零，例如薄板或薄壳2平面应变物体的一个方向上的应变为零，例如长圆柱体或厚板3区别与联系二者都是针对三维物体简化的二维模型，在实际应用中需根据具体情况选择合适的模型2.3奇异应力场裂缝尖端应力集中裂缝尖端应力集中，应力水平明显高于远离裂缝的区域，容易导致材料断裂。应力奇异性应力奇异性是指裂缝尖端附近的应力趋于无穷大，导致材料发生断裂。应力场分析模型通过建立应力场分析模型，可以预测裂纹尖端的应力集中程度，并确定材料的断裂强度。3.断裂准则断裂准则是判断材料在何种条件下发生断裂的标准，是断裂力学的核心问题之一。常用的断裂准则包括应力断裂准则、能量断裂准则和临界应力强度因子等。3.1应力断裂准则应力集中裂纹尖端附近应力急剧集中，造成局部应力远高于材料屈服强度。脆性断裂当应力集中超过材料的断裂强度时，裂纹会迅速扩展，导致材料断裂。断裂强度材料的断裂强度是指材料在断裂前所能承受的最大应力。3.2能量断裂准则能量释放率能量断裂准则认为，当裂纹扩展时，释放的弹性应变能等于裂纹扩展所消耗的能量。能量释放率是单位裂纹扩展面积的能量释放量，它反映了材料的断裂韧性。临界能量释放率每个材料都有一个临界能量释放率，当能量释放率达到临界值时，裂纹会开始扩展。临界能量释放率与材料的强度、韧性和弹性模量有关。3.3临界应力强度因子临界应力强度因子是材料抵抗裂纹扩展的能力的指标，它代表了材料在断裂前能承受的最大应力水平。临界应力强度因子与材料的韧性密切相关，韧性高的材料具有较高的临界应力强度因子。临界应力强度因子(KIC)材料的固有特性材料抵抗裂纹扩展的能力应力强度因子(K)取决于裂纹尺寸、载荷和几何形状表示材料受到载荷时的应力水平4.线性弹性断裂力学线性弹性断裂力学(LEFM)是断裂力学的一个重要分支，它基于材料在弹性范围内的行为，在结构完整性和失效分析中广泛应用。4.1应力强度因子的计算1格林函数法基于弹性力学中的格林函数2有限元法数值计算方法3边界元法适用于复杂几何形状4实验测量法通过实验数据拟合应力强度因子是衡量裂纹尖端应力场强度的重要参数。它的计算方法多种多样，从理论分析到数值计算，再到实验测量，每种方法都有其适用范围和优缺点。4.2临界应力强度因子测试1实验方法利用裂纹试样，加载至断裂2数据分析根据加载曲线计算临界应力强度因子3试样制备制备包含预制裂纹的试样4材料特性测试需要考虑材料特性，如弹性模量临界应力强度因子测试是材料力学实验中重要的部分，用于确定材料的断裂韧性。5.非线性断裂力学线性弹性断裂力学假设材料服从线性弹性行为，但在实际工程中，许多材料在裂纹尖端附近会发生非线性塑性变形。非线性断裂力学考虑了材料的非线性行为，更准确地描述裂纹尖端的应力场和裂纹扩展行为。5.1塑性区修正11.应力集中裂纹尖端附近存在应力集中，导致应力场非线性。22.塑性变形在高应力下，材料发生塑性变形，形成塑性区。33.修正方法修正方法考虑塑性区大小和形状对应力强度因子的影响。5.2J积分能量释放率J积分表示裂纹尖端单位面积的能量释放率，反映了材料在裂纹扩展过程中的能量变化。路径无关性J积分的路径无关性，使得可以在裂纹尖端周围的任意闭合路径上计算，方便了实际应用。数学表达式J积分可以用路径积分形式表示，具体表达式依赖于材料的本构关系和载荷条件。5.3裂纹尖端开口位移定义裂纹尖端开口位移(CTOD)是指裂纹尖端两侧材料之间的相对位移。测量CTOD可通过实验测量，例如使用裂纹开口位移计或数字图像相关技术。应用CTOD是评估材料韧性的重要指标，可用于预测材料的断裂行为。6.断裂行为分析断裂行为分析是断裂力学的重要研究内容，旨在理解裂纹扩展过程。研究内容包括裂纹扩展速度、扩展路径、扩展模式等。6.1稳定裂纹扩展裂纹缓慢扩展裂纹扩展速率受载荷、材料特性和环境因素影响。裂纹扩展过程为缓慢、可控的。裂纹扩展趋势稳定裂纹扩展通常伴随着应力集中和应变能释放，可通过监测裂纹长度变化来预测结构的剩余寿命。6.2不稳定裂纹扩展能量释放速率裂纹扩展过程能量释放速率大于外力做功速率，导致裂纹失控扩展。临界应力强度因子裂纹扩展所需的能量大于材料的断裂韧性时，裂纹失控扩展。裂纹扩展速度不稳定裂纹扩展速度随能量释放速率的增加而增大，导致材料快速失效。破坏形式不稳定裂纹扩展会导致结构失效，具体形式包括脆性断裂和韧性断裂。7.疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展是材料在反复载荷作用下发生的一种破坏模式，对结构的安全性构成重大威胁。疲劳裂纹扩展是指在循环载荷作用下，裂纹尺寸随着循环次数的增加而逐渐增大的过程。7.1裂纹扩展规律裂纹扩展速率裂纹扩展速率取决于材料的韧性、载荷水平和裂纹尖端附近的应力场。应力强度因子是描述裂纹扩展速率的重要参数，可以通过试验或理论分析确定。疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展通常发生在循环载荷下，裂纹扩展速率与应力范围和裂纹长度有关。疲劳裂纹扩展规律可以用Paris公式描述，该公式表明裂纹扩展速率与应力强度因子范围的幂次成正比。7.2裂纹扩展寿命预测1疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展是一个复杂的过程，需要考虑多种因素，例如应力水平、裂纹长度和材料特性等。2预测模型有多种预测模型可以用来预测裂纹扩展寿命，例如Paris法则和Forman法则，它们都基于实验数据和理论推导。3疲劳寿命裂纹扩展寿命是指裂纹从初始尺寸扩展到临界尺寸所需的时间，这是工程设计中需要重点考虑的因素。4安全裕量在实际应用中，通常会引入安全裕量，以确保结构在预期寿命内不会发生断裂失效。8.断裂控制与设计断裂控制与设计是确保结构完整性和安全性的关键。在设计阶段，需要考虑材料性能、结构形状、载荷条件等因素，以防止断裂发生。断裂控制方法包括安全系数、断裂控制程序等，旨在降低断裂风险，提高结构可靠性。8.1安全系数安全系数定义安全系数是指材料或结构的实际强度与设计应力之间的比值，是一个大于1的无量纲值，用于设计中考虑材料强度或结构性能的不确定性，提高设计安全性。安全系数选择选择安全系数需考虑材料的特性、结构的复杂程度、环境条件、失效后果等因素。8.2断裂控制程序材料检测确保材料符合设计要求，防止由于材料缺陷导致的断裂。焊接质量控制严格控制焊接工艺参数和焊接质量，防止焊接缺陷导致的断裂。定期维护定期对结构进行