弹性力学绪论优秀PPT.ppt

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1、 绪绪 论论1、断裂力学的产生2、断裂力学探讨内容3、宏观断裂力学探讨方法1、断裂力学的产生、断裂力学的产生 自其次次世界大战以来，随着高强度材料和大型结构的广泛应用，一些按传统强度理论和常规设计方法设计、制造并经过严格检验合格的产品，先后发生了不少灾难性断裂事故。二十世纪十大著名灾难之一Titanic惨剧的缘由：三要素1 材料因素：材料因素：接受含硫高的钢板接受含硫高的钢板 韧性差，特殊是低韧性差，特殊是低温呈脆性温呈脆性2 力学因素：力学因素：冰山冲击冰山冲击 冲击载荷冲击载荷3 环境因素：环境因素：冰海冰海 低温低温发生断裂失效的船体发生断裂失效的船体二十世纪十大著名灾难之一o1963年

2、，美国“长尾鲨”号核潜艇沉没。o 价值达4500万美元，长85米，排水量3750吨，于1960年7月9日下水。1963年4月10日，在距好望角408公里处作下潜300米的潜水试验时，奇妙地沉入2300米深的海底，夺走了艇上129名船员的生命。事故缘由始终未查出，但有证据表明系材料故障。断裂失效的实例：断裂失效的实例：20世纪世纪40年头，美国近年头，美国近5000余艘焊接船中，余艘焊接船中，发生了发生了1000多起脆性破坏，其中多起脆性破坏，其中238艘完艘完全报废，有的甚至断成两截。焊接缺陷、应全报废，有的甚至断成两截。焊接缺陷、应力集中。力集中。50年头初，美国北极星导弹固体燃料发动机壳年

3、头初，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体，试验时爆炸。高强度合金，破坏由宏观体，试验时爆炸。高强度合金，破坏由宏观裂纹引起。裂纹引起。1969年，美国年，美国F-111飞机，左翼脱落，飞机飞机，左翼脱落，飞机坠毁。机翼枢轴出现缺陷，疲惫断裂。坠毁。机翼枢轴出现缺陷，疲惫断裂。为什么？传统设计理论的局限分析：分析：1 传统设计方法认为材料是均质，无缺传统设计方法认为材料是均质，无缺陷的，各向同性的。陷的，各向同性的。2 在这个假设的前提下，对于塑性材料在这个假设的前提下，对于塑性材料破坏之前必需先发生较大的塑性变形。破坏之前必需先发生较大的塑性变形。强度设计的一般方法：强度设计的一般方法：平衡方程

4、平衡方程平衡方程平衡方程变形几何条件变形几何条件变形几何条件变形几何条件应力应变关系应力应变关系应力应变关系应力应变关系内内内内力力力力应应应应力力力力初步设计初步设计初步设计初步设计设计目标设计目标设计目标设计目标强强强强度度度度条条条条件件件件满满满满意意意意？结束结束结束结束YESYESNO修改修改修改修改设计设计设计设计强强强强度度度度计计计计算算算算材料试验材料试验材料试验材料试验极限应力极限应力极限应力极限应力选取安全系数选取安全系数选取安全系数选取安全系数许用应力许用应力许用应力许用应力限制设计：强度是最主要的限制指标。限制设计：强度是最主要的限制指标。探讨对象是无缺陷变形体，探

5、讨对象是无缺陷变形体，探讨对象是无缺陷变形体，探讨对象是无缺陷变形体，探讨目的是保证在最大载荷下有足够的强度。探讨目的是保证在最大载荷下有足够的强度。探讨目的是保证在最大载荷下有足够的强度。探讨目的是保证在最大载荷下有足够的强度。结结构构/构件构件强强度的限制参量是度的限制参量是应应力。力。工作应力：工作应力：构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。构件在可能受到的最大工作载荷作用下的应力。(由力学分析计算得到由力学分析计算得到由力学分析计算得到由力学分析计算得到)极限应力：极限应力：ys、b 材料可以承受的强度指标。材料可以承受的强度指标。延性材料：延性材料：ys；脆性材料：脆性材料：b

6、(通过材料力学性能的实验得到通过材料力学性能的实验得到)ys ys 延性材料延性材料 b b 脆性材料脆性材料强度判据强度判据：(作用作用作用作用 抗力抗力抗力抗力 )结结构或构件的工作构或构件的工作应应力力 材料的极限材料的极限应应力力断裂力学的产生断裂力学的产生 实际状况是：对于较高强度的具有确实际状况是：对于较高强度的具有确定缺陷的构件，往往发生了脆断，即断裂定缺陷的构件，往往发生了脆断，即断裂前没有发生较大的塑性变形。通过视察分前没有发生较大的塑性变形。通过视察分析可知，这些断裂是从局部裂纹扩展而成析可知，这些断裂是从局部裂纹扩展而成的。的。判据：判据：不适用于评判带有裂纹的构不适用于

7、评判带有裂纹的构件，为了解决这个问题，断裂力学件，为了解决这个问题，断裂力学(fracture mechanics)产生了。产生了。2、断裂力学探讨内容、断裂力学探讨内容 探讨含缺陷或裂纹的材料和结构的抗断裂性能，以及在各种工作环境下裂纹的平衡、扩展、失稳及止裂规律。按探讨尺度不同，可分为：微观断裂力学：从材料的微观结构动身，探讨断裂过程的物理本质，即材料缺陷的成核、断裂的微观机理等 宏观断裂力学：通过连续介质力学分析和试验探讨，探讨含缺陷或裂纹的物体在外界条件作用下宏观裂纹的扩展、失稳、传播及止裂规律。o线弹性断裂力学：主要探讨脆性断裂olinear elastic fracture mec

8、hanics（LEFM）按探讨的断裂类型不同，o弹塑性断裂力学：主要探讨韧性断裂oelastic plastic fracture mechanics（EPFM）宏观断裂力学可分为：o韧度（toughness）：材料在断裂前的变形中吸取能量的实力o脆性（brittle）：韧度低o韧性（ductile）：韧度高o脆性断裂：断裂前无明显塑性变形（无颈缩）o韧性断裂：断裂前有明显塑性变形（有颈缩）脆性断裂与韧性断裂韧性断裂：断裂前有明显塑性变形脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂o脆性断裂发生突然。o韧性断裂从启裂到失稳扩展有一段进程。静止的裂纹亚临界裂纹扩展，卸载

9、后裂纹扩展停止失稳扩展，100m/s，马上卸载也不确定停止o低温、截面积增大、裂纹长度增大等会增大脆性断裂的可能性。3、宏观断裂力学探讨方法、宏观断裂力学探讨方法理论基础:变形体力学(弹性力学、塑性力学、粘弹性力学等）从弹塑性力学方程动身，把裂纹作为一种边界条件，考察裂纹尖端的应力、应变和位移场，找寻限制材料开裂的物理参量，建立这些场与限制材料开裂的物理参量之间的关系探讨材料反抗裂纹扩展的实力断裂韧性的变更规律，确定其数值及测定方法建立裂纹扩展的临界条件，并依此进行抗断设计与寿命估计等。本课程有关内容对经济社会的意义o使“平安性和经济性问题”达到更高层次的一样。o可以对经济社会带来更大的经济效

10、益。一、使“平安性和经济性问题”达到更高层次的一样 实践证明，志向的、无缺陷的（设计时所志向）状态是没有的。实际工程中总是存在着缺陷，但这些缺陷对结构（构件）平安性的影响原委有多大是须要评定的。这种评定使我们可以在更经济的条件下保证结构（构件）的平安运用。二、可以对经济社会带来更大的经济效益二、可以对经济社会带来更大的经济效益正确评定缺陷的影响，确定合理的检修、更换方案，无疑会带来巨大的效益 因很多设备用于长周期运转，正确评价缺陷的作用将会带来相关的经济效益。断裂力学理论在平安评定中的应用：断裂力学理论在平安评定中的应用：o应用于宇航、机械、化工、地质诸方面o主要解决：o裂纹尺寸多大时会发生断

11、裂（破坏）？o从小裂纹发展到临界裂纹须要多长时间？o对裂纹的应对措施。o对材料性能的全面相识，留意到韧性的作用结构平安评定的过程、方法及发展趋势结构平安评定的过程、方法及发展趋势评定过程：评定过程：无损检测，确定缺陷无损检测，确定缺陷 应力分析，总体应力分析和缺陷部应力分析，总体应力分析和缺陷部位的应力分析位的应力分析 确定力学性能确定力学性能 断裂力学参数分析断裂力学参数分析(应力强度因子应力强度因子,J积分积分,COD)，判定危急程度，判定危急程度 评定方法 确定性评定方法 概率平安评定方法平安评定的发展趋势平安评定的发展趋势进一步完善确定性方法发展概率平安评定方法断裂力学发展o国际上每四

12、年召开一次国际断裂力学会议o有关杂志：Engineering Fracture Mechanics、Theoretical and Applied Fracture Mechanics 随着数学、物理、计算和材料科学的不断发展，断裂力学也在不断发展与完善并得到广泛的运用。课程主要内容：1裂纹的分类裂纹的分类2裂纹尖端旁边应力、位移场，应力强度因子裂纹尖端旁边应力、位移场，应力强度因子3I型裂纹尖端的塑性区及应力强度因子的修正型裂纹尖端的塑性区及应力强度因子的修正4应力强度因子断裂理论应力强度因子断裂理论5能量释放率及其断裂理论能量释放率及其断裂理论6应力强度因子的计算与测定应力强度因子的计算与测定7复合型裂纹脆断复合型裂纹脆断线弹性断裂力学课程主要内容：1COD理论2J积分理论弹塑性断裂力学课程主要内容：1疲惫裂纹的形成及扩展疲惫裂纹的形成及扩展2疲惫裂纹扩展速率及影响因素疲惫裂纹扩展速率及影响因素3疲惫裂纹扩展寿命的估算疲惫裂纹扩展寿命的估算疲惫断裂问题