經(jīng)典斷裂力學(xué)的發(fā)展歷程與未來發(fā)展方向

《經(jīng)典斷裂力學(xué)的發(fā)展歷程與未來發(fā)展方向》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。

1、經(jīng)典斷裂力學(xué)的發(fā)展歷史及未來的發(fā)展方向斷裂力學(xué)是近50年代發(fā)展起來的固體力學(xué)的新分支，它從宏觀的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)角度出發(fā)，研究含缺陷或裂紋的物體在外界條件作用下宏觀裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)開裂、傳播和止裂規(guī)律。斷裂力學(xué)應(yīng)川力學(xué)成就研究含缺陷材料和結(jié)構(gòu)的破壞問題，由于它與材料或結(jié)構(gòu)的安全問題直接相關(guān)，因此它雖然起步晚，但實(shí)驗(yàn)與理論均發(fā)展迅速，并在工程上得到了廣泛應(yīng)用。如斷裂力學(xué)技術(shù)已被應(yīng)用于估算各種條件下的疲勞裂紋增長(zhǎng)率、動(dòng)態(tài)斷裂以及確定試驗(yàn)中高溫和低溫的彩響，并R由于冇了這些進(jìn)展，在設(shè)計(jì)冇斷裂危險(xiǎn)性的結(jié)構(gòu)時(shí)，利用斷裂力學(xué)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果有

2、較大把握。一、經(jīng)典斷裂力學(xué)的發(fā)展歷程斷裂力學(xué)包括線彈性斷裂力學(xué)、彈塑性斷裂力學(xué)、剛塑性斷裂力學(xué)、粘彈性斷裂力學(xué)、斷裂動(dòng)力學(xué)、復(fù)合材料斷裂力學(xué)等分支。斷裂力學(xué)的發(fā)展主要是線彈性斷裂力學(xué)、彈鴉性斷裂力學(xué)、斷裂動(dòng)力學(xué)這三種經(jīng)典斷裂力學(xué)的發(fā)展。L1線彈性力學(xué)許多計(jì)算表明，由于材料存在著裂紋或缺陷，材料的實(shí)際強(qiáng)度一般僅為其理論強(qiáng)度的I-分Z—其至百分Z—，材料就產(chǎn)住低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。而根據(jù)裂紋受力情況與裂紋面的位移方式，可將裂紋分為三種基本類型，包括：張開型（拉裂型）；滑移型（面內(nèi)剪切型）；撕裂型（面外剪切型）。在這三種裂紋空式中，

3、拉開型型裂紋是最危險(xiǎn)的，容易引起低應(yīng)力脆斷。1921年，格里菲斯用彈性體能量平衡的觀點(diǎn)研究了玻璃、陶瓷等脆性材料屮的裂紋擴(kuò)展問題，提岀了脆性材料裂紋擴(kuò)展的能圧準(zhǔn)則。格里菲斯能量理論將裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的脆性斷裂的G準(zhǔn)則。但是上述能量準(zhǔn)則沒冇考慮裂紋尖端附近的應(yīng)力和應(yīng)變，斷裂應(yīng)力不僅與裂紋尺寸有關(guān)，還少裂紋幾何形狀，裂紋位置、邊界條件、及受力狀態(tài)有關(guān)。而裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分析對(duì)斷裂安全設(shè)計(jì)非常垂要。1955年，歐文川彈性力學(xué)理論分析了裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)后提出了簡(jiǎn)單但很實(shí)川的公式，即各種類型裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)表達(dá)

4、式均包含一個(gè)可統(tǒng)一寫為K=的系數(shù)。于是以應(yīng)力強(qiáng)度因子表示的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件為:Ki=Kic，即脆性斷裂的K準(zhǔn)則。式中Kic為一材料常數(shù)，只與材料本身有關(guān)，稱為材料的斷裂韌性。它是表示材料抵抗脆性破壞能力的一個(gè)嶄新的物理量。因此，斷裂力學(xué)不但能夠通過計(jì)算來定量地分析構(gòu)件低應(yīng)力脆斷的原因，而且還能提出其改進(jìn)的方向，使傳統(tǒng)強(qiáng)度理論無法解釋的問題得以解決。斷裂力學(xué)的出現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論作了某種程度上的補(bǔ)充和革新，口然地也引起了設(shè)計(jì)思想的革新。1.2彈鴉性斷裂力學(xué)山于線彈性斷裂力學(xué)是把材料作為理想線彈性體，運(yùn)用線彈性理論研究

5、裂紋失穩(wěn)和擴(kuò)展規(guī)律，從而捉岀裂紋失穩(wěn)的準(zhǔn)則和擴(kuò)展規(guī)律。但事實(shí)上由于裂紋尖端應(yīng)力高度集屮，在裂紋尖端附近必然首先屈服形成犁性區(qū)域。若槊性區(qū)與裂紋尺寸相比很小，則可以認(rèn)為贈(zèng)性區(qū)對(duì)絕大部分的彈性應(yīng)力分布影響不大，應(yīng)力強(qiáng)度因了可近似地表示彈性變形區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)。適當(dāng)修止應(yīng)力強(qiáng)度因子，線彈性斷裂力學(xué)的分析方法和結(jié)論仍能應(yīng)用。但對(duì)中、低強(qiáng)度鋼的中小型構(gòu)件等，在裂紋尖端附近，發(fā)生大范圍屈服或全面屈服，即塑性區(qū)尺寸與裂紋長(zhǎng)度相比，不可忽略斷裂發(fā)生在接近屈服應(yīng)力的時(shí)刻。這時(shí)線彈性斷裂力學(xué)的結(jié)論不再適用。由此研究大范圍屈服斷裂已成為發(fā)展彈塑性斷

6、裂力學(xué)的迫切任務(wù)。彈塑性斷裂為脆性斷裂不同,在裂紋開裂以后出現(xiàn)明顯的亞臨界裂紋擴(kuò)展（穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展），達(dá)到一定的長(zhǎng)度后才發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而破壞。而脆性斷裂無明顯的臨界裂紋擴(kuò)展，裂紋開裂與擴(kuò)展兒乎同時(shí)發(fā)主。1965年威爾斯在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，捉出以裂紋尖端的張開位移描述其應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)。裂紋尖端張開位移，即裂紋體受載后，在原裂紋尖端垂直裂紋方向上所產(chǎn)生的位移，一燉用6表示。威爾斯首先提出了彈塑性條件的斷裂準(zhǔn)則COD準(zhǔn)則:當(dāng)裂紋尖端張開位移6達(dá)到臨界值比吋，裂紋將開裂，即時(shí)，裂紋開裂。k是材料彈塑性斷裂韌性指標(biāo)，為材料參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)得知與

7、溫度冇關(guān)。k是裂紋開裂臨界值，而不是裂紋最后失穩(wěn)的臨界值。裂紋開裂與裂紋最后失穩(wěn)是兩個(gè)不同狀態(tài)。在裂紋開裂后，若繼續(xù)增加載荷，一直到裂紋達(dá)到失穩(wěn)點(diǎn)，材料才迅速地失效破壞。COD準(zhǔn)則M用到焊接結(jié)構(gòu)和壓力容器的斷裂安全分析上，非常有效，加上k的測(cè)量方法簡(jiǎn)單，工程上應(yīng)用較為普遍，但裂紋從開裂到失穩(wěn)還冇一定的承載能力，因此以#為設(shè)讓指標(biāo)偏于保守。1968年，Rice（賴斯）捉出了J積分理論。以J積分為參數(shù)并建立斷裂準(zhǔn)則，J枳分是圍繞裂紋尖端作閉合Illi線的積分。當(dāng)圍繞裂紋尖端的J積分達(dá)到臨界值Jc時(shí)，即J=Jc時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展

8、。裂紋擴(kuò)展分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定的兩種形式。對(duì)于穩(wěn)定的緩慢擴(kuò)展，上式代表開裂條件；對(duì)于不穩(wěn)定的快速擴(kuò)展，上式代表裂紋的失穩(wěn)條件。與COD準(zhǔn)則相比，J積分準(zhǔn)則理論根據(jù)嚴(yán)格，定義明確。但實(shí)際多采用COD準(zhǔn)則，因?yàn)镴積分在計(jì)算和實(shí)驗(yàn)上較復(fù)雜，只適用于裂紋的開裂，□不允許卸載，而裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)有局部卸載，故不能用于穩(wěn)定擴(kuò)展情況。彈