电力电子技术 (33).pdf

《电力电子技术 (33).pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子技术 (33).pdf（17页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、疲劳与断裂 土土木木工工程程与与力力学学学学院院 9.1 裂纹闭合理论 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 如何利用裂纹扩展规律，预测工程中裂纹扩展寿命 呢？ 线弹性断裂力学通常将裂纹视为理想裂纹，即当远场应力 时，裂纹面张开；而当 时，裂纹面闭合。 然而，工程中的实际裂纹，一般 都是在疲劳载荷作用下发生和发展 的。在循环载荷作用下，裂纹尖端不 仅有正向加载时形成的单调塑性区， 而且有反向加载时形成的循环塑性 区。 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 裂纹在启裂和扩展的过程中，将在裂纹面附近留下塑性变形 区包迹。在这一包迹内的材料，由于塑性变形，在加载时会沿加 载方向产生不可恢复的

2、拉伸变形。而在卸载时，包迹外材料的弹 性变形要恢复，而包迹内材料发生的塑性变形却不能协调地恢 复。 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 因此，上下裂纹面在完全卸载前就将发生相互接触，即裂纹 闭合或者部分闭合，以满足变形协调。 这种在完全卸载之前，裂纹上、下表面发生相互接触的现象， 称为裂纹闭合。裂纹闭合现象是Elber1971年在薄板试件的拉-拉 疲劳裂纹扩展试验中首先观察到的。 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 加载时，只有当应力大于某一应 力水平时，裂纹才会完全张开，这一 应力称为张开应力，记作 ； 而卸载时，只有当应力小于某一 应力水平时，裂纹才开始闭合，这一 应力称为闭合

3、应力，记作 。 一般来说，张开应力 和闭合应 力 的大小基本相同。 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 因为裂纹只有在完全张开之后才能扩展，所以应力循环中 只有 部分对疲劳裂纹扩展有贡献。 在上述实验观察的基础上，Elber提出了裂纹闭合理论。 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 将应力循环中最大应力与张开应力之差，称为有效应力范 围，记作 ，那么 疲劳裂纹扩展速率 应由有效应力强度因子范围 来控 制，因此Paris公式可以修改为： 相应的有效应力强度因子范围定义为： 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合

4、合理理论论 引入裂纹闭合参数 ，表达有效应力范围 与应力范 围 之比，或者有效应力强度因子范围 与应力强度因子 范围 之比，即： 则有 实验发现，裂纹闭合参数 与应力比 有关。 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 利用裂纹闭合理论 ，采用有效应力强度因子 范围 描述疲劳裂纹 扩展速率 ，可以把不 同应力比 下的 - 曲线合并成同一条曲线。 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 这里给出了Schijve获得的2024-T3铝合金板材疲劳裂纹扩展的 实验研究结果。很明显，对于三种不同应力比的载荷， - 曲 线有三条，但是 - 曲线只有一条。 因此，与应力强度因子范围 相比，有效应力强度因

5、子范围 是控制裂纹扩展更本质的参量。 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 利用裂纹闭合理论，可以对疲劳裂纹扩展的门槛应力强度因子范 围、应力比和载荷作用次序对疲劳裂纹扩展的影响等作出解释。 根据裂纹闭合理论，循环应力中只有大于张开应力 的部分，才对 疲劳裂纹扩展有贡献。如果循环最大应力 ，则裂纹不会扩展。因 此，必定存在一个门槛应力强度因子范围 ，与 形成对应。 （1）门槛应力强度因子范围的存在 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 实验发现，裂纹闭合参数 与应力比 有关。例如，对于 2024-T3铝

6、合金，裂纹闭合参数 与应力比 之间满足线性关系 。 随着应力比 增大，裂纹闭合参数 增大，有效应力强度因 子范围 也相应地增大，裂纹扩展速率 加快。因此，应力比 对疲劳裂纹扩展有影响。 （2）应力比对疲劳裂纹扩展的影响 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 （3）载荷作用次序对疲劳裂纹扩展的影响 以如图所示的由低到高，再由高到低的变幅载荷谱为例，说明载 荷作用次序如何影响疲劳裂纹扩展。 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 如果闭合参数与应力比之间满足线性关系 ， 那么当 时，就有 因此在应力范围为 和 的两种载荷下，裂纹张开应力均 为最大应力的一半。 张开应力是裂纹尖端对外部载荷作用

7、的一种物理响应。当外部 载荷发生变化时，张开应力的改变应该是一个连续渐变的过程。 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 当应力范围从 增至 时，张开应力 从 逐渐增至 ，然后才稳定在 。控制裂纹扩展速率的有效应力范围 在突然增大之后又逐渐减小，回到正常值，因此，裂纹扩展出现先加速之 后又逐渐恢复的现象。 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） 9.1 9.1 裂裂纹纹闭闭合合理理论论 类似地，当应力范围从 降至 时， 从 逐渐降至 ，有效应力范围 在突然减小之后又逐渐恢复到正常值，裂 纹扩展表现出迟滞现象。 因此，利用裂纹闭合理论，可以对变幅载荷作用下裂纹扩展 的加速和迟滞现象作出合理的解释。