断裂力学GRIFFITH断裂准则.ppt
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1、断裂力学,清华大学航天学院 2007-3-7,教材,1,D.Gross,T.Seelig,Fracture Mechanics, with an introduction to Micromechanics,Springer,2006. 2,范天佑 断裂理论基础,科学出版社,2003 3,黄克智 余寿文, 弹塑性断裂力学,清华大学出版社,1987 4,杨卫,宏微观断裂力学,国防工业出版社,1995 5,庄茁,蒋持平 断裂与损伤,机械工业出版社,2003. 6,余寿文,冯西桥,损伤力学,清华大学出版社,1997.,第一讲: 绪论,GRIFFITH 断裂准则,工程断裂问题与材料断裂韧度,断裂问题
2、材料的强度和韧性是两个概念。高强、低韧材料引起的断裂。 “好材料”的设计目标: 高强、高韧、 材料中缺陷的存在以及含缺陷材料和构件的使用,断裂力学,常见工程断裂问题 飞机机身和船体开裂, 天然气和其他压力管道的裂纹扩展, 铁轨与车轴等构件的疲劳断裂, 压力容器发生破裂,意义与工程背景,工程断裂实例 20世纪80年代末期,我国东北大型钢铁企业的一座高炉煤气管道发生开裂事故 破坏原因 由于管道内部高压产生的环向应力和大跨度自重作用引起的纵向应力使管道中部下面管壁处于双向高拉应力区,加之常年的粉尘冲刷又使管壁内部变薄,终于酿成管道开裂的煤气泄漏事故。若不是及时发现并采取了补强措施,将会发生火灾和人员
3、伤亡的灾难性后果。,断裂力学,意义与工程背景,工程断裂实例 20世纪50年代连续发生的彗星号客机失事, 20世纪70年代以来军用和民航飞机的多次坠毁, 20世纪80年代天然气管道和压力容器的裂纹扩展, 20世纪90年代的高速列车出轨事故,断裂力学,意义与工程背景,断裂力学,This ship with a welded steel hull failed by brittle propagation of a crack while moored in dock!,断裂实例,断裂力学,断裂力学,意义与工程背景,断裂力学简介,Nf = Ni + Np,Dominates at high-cycl
4、e fatigue,Fatigue crack propagation: I and II,Crack initiation and propagation,Stage II: Benchmark (clamshell),Striations,断裂力学简介,据美国和欧共体的权威专业机构统计:世界上由于机件、构件及电子元件的断裂、疲劳、腐蚀、磨损破坏造成的经济损失高达各国国民生产总值的68%。 据我国劳动部统计,我国在20世纪80年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故约五千起,人员累计伤亡近万人,居国内劳动安全事故的第二位。 断裂力学的研究意义在于防范上述的破坏行为,降低由断裂和破坏造成的经济损失,
5、减少事故的发生。,断裂力学,意义与工程背景,断裂力学,研究内容,断裂力学问题的提出,结构方面 表观因素:缺陷、裂纹、工况 有应力集中部位 低温环境 经典强度条件满足 厚截面(平面应变、三轴) 突然、灾难性,材料方面 内在因素:材料性能及其变化 抵抗裂纹扩展的能力 低温 脆断 高强度钢 低应力脆断 裂尖 承载能力 厚度 承载能力,构件的缺陷和裂纹是导致构件脆断的主要根源,构件自身抵抗裂纹扩展的能力制约着构件裂纹扩展的难易程度,传统材料力学的强度问题,两大假设:均匀、连续,断裂力学,均匀性假设仍成立,但且仅在缺陷处不连续,断裂力学,1、断裂力学分类 线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学、微观断裂力学,2
6、、裂纹的分类,3、断裂发生破坏的几个阶段与断裂力学应用,工程断裂问题与材料断裂韧性,断裂力学是在力学分析中引入了裂纹的概念。认为: 断裂的发生源于裂纹的扩展; 裂纹的扩展由裂纹尖端开始; 裂纹尖端应力应变场强度的大小决定裂纹能否扩展表征裂纹尖端应力应变场强度参量的引入,工程断裂问题与材料断裂韧度,断裂问题的分类: 线弹性断裂力学脆性断裂 弹塑性断裂力学延性断裂(韧性断裂),脆性断裂,延性断裂,断裂力学的能量准则,断裂分析的能量方法: A。A。Griffith,1921,英国 弹性能释放率裂纹扩展造成的新表面的表面能 经典问题: 单向拉伸的含中心裂纹的无限大板,裂纹临界扩展的Griffith判据
7、:,断裂力学,意义与工程背景,Griffiths Energy Criterion,A flaw would propagate in a stressed material only when, by doing so, it brought about a reduction in elastically stored energy W more than sufficient to meet the free energy requirements of newly formed fracture surfaces,Where A: Surface area of specimen Gc
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