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(完整版)哈工大断裂力学讲义(第一章)

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第1讲 断裂力学导论

第1讲 断裂力学导论


B
Y
X
The potential or internal energy of the body is U p =U i +U a -U w
2a

Due to creation of new surface increase in surface energy is (2.17) U = 4a s The total elastic energy of the cracked plate is 2 2a 2 U t dA Fdy 4a s A 2E E

Griffith proposed that ‘There is a simple energy balance consisting of the decrease in potential energy with in the stressed body due to crack extension and this decrease is balanced by increase in surface energy due to increased crack surface’

The initial strain energy for the uncracked plate per thickness is 2 (2.14) U i dA A 2E On creating a crack of size 2a, the tensile force on an element ds on elliptic hole is relaxed from dx to zero. The elastic strain energy released per unit width due to introduction of a crack of length 2a is given by a where displacement U a 4 1 2 dx v 0 v a sin usin g x a cos E 2a 2 (2.15) Ua E

断裂力学讲义

断裂力学讲义

目录§1.1断裂力学的概念.......................................................... §1.2断裂力学的基本组成...................................................... 第二章线弹性断裂力学概述 ..................................................... §2.1裂纹及其对强度的影响.................................................... §2.2断裂理论................................................................ 第三章裂纹尖端区域的应力场及应力强度因子 ..................................... §3.1Ⅰ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 ........................................ §3.2Ⅱ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 ........................................ §3.3Ⅲ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 ........................................ §3.4应力强度因子的确定......................................................第一章绪论§1.1断裂力学的概念任何一门科学都是应一定的需要而产生的，断裂力学也是如此。

一提到断裂，人们自然而然地就会联想到各种工程断裂事故。

在断裂力学产生之前，人们根据强度条件来设计构件，其基本思想就是保证构件的工作应力不超过材料的许用应力，即σ≤[σ]～安全设计安全设计对确保构件安全工作也确实起到了重大的作用，至今也仍然是必不可少的。

断裂力学讲义

断裂力学讲义

目录第一章绪论................................................................................................................................................................................ §1.1 断裂力学的概念 ................................................................................................................................................................ §1.2 断裂力学的基本组成 ........................................................................................................................................................ 第二章线弹性断裂力学概述 ...................................................................................................................................................... §2.1 裂纹及其对强度的影响 .................................................................................................................................................... §2.2 断裂理论............................................................................................................................................................................... 第三章裂纹尖端区域的应力场及应力强度因子 ...................................................................................................................... §3.1 Ⅰ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 ............................................................................................................................ §3.2 Ⅱ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 ............................................................................................................................ §3.3 Ⅲ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 ............................................................................................................................ §3.4应力强度因子的确定 ...........................................................................................................................................................第一章 绪论§1.1 断裂力学的概念任何一门科学都是应一定的需要而产生的，断裂力学也是如此。

断裂力学讲义-1

断裂力学讲义-1

'
2
......
(2.19)
应力集中与应力强度因子的关系式：
K
I
lim 0
y
max
2
,
K
II
lim
0
t
max
,
K
III
lim 0
yz
max
,
（2.20）
对于Ⅱ型模式，当无穷远处的外力τxy=τxy∞ 作用于椭圆孔时，有
t
max
xy
a / 1
2
/a
2
K II
2 r'
2r '
sin
3
2
'
cos
3
2
'
sin
'
2
2
cos
'
2
cos
3
2
'
K II
2 r'
sin
'
2
'
cos 2
cos 3 '
2
......
(2.18)
cos
'
2
1
sin
'
2
sin
3
2
'
Ⅲ型模式：
xy yz
K III
2 r'
sin
'
2
cos
所得的应力分量的解满足CCT问题的全部边界条件， 即：
z 时， x y
a x a时， y 0， xy 0
（2-6.6）
为此选择一个复变函数（在Z平面上除了a x a
之外为解析函数）为：

哈工大材料力学(完整版)第1-8讲

哈工大材料力学(完整版)第1-8讲

7
§1.2 变性固体的概念及理想模型
（3）小变形前提保证叠加法成立：(叠加法是材料力学中常 用的方法)
– 叠加法指构件在多个载荷作用下产生的变形——可以看作为各个 载荷单独作用产生的变形之代数和
4. 变形固体基本假设
连续性 假设 均匀性 假设 各向同 性假设
第1章 绪论
认为变形固体整个体积内都被物质连续地充满，没 有空隙和裂缝 认为变形固体整个体积内各点处的力学性质相同 认为变形固体沿各个方向的力学性质相同（不适合 所有的材料）
外效应——使物体的动态发生改 变（物体的位置、速度、加速度 变化） 内效应——使物体的形态发 生改变（物体的形状、尺寸 大小改变）
• 理论力学研究力产生的外效应，研 究力与机械运动之间的普遍规律， 研究对象抽象为——刚体
• 材料力学研究力产生的内效应，研 究力与物体的变形及破坏规律，研 究对象抽象为——变形固体
4.课程的研究方法:理论分析和实验手段相结合
• 材料的力学性质需要通过实验获得 • 一些理论以实验结果得出的某些假设为前提
第1章 绪论 4
§1.2 变性固体的概念及理想模型
1.变形固体
– 弹性变形：外力去掉后可消失的变形，弹性：变形固 体在外力去掉后能恢复原来形状和尺寸的性质 – 塑性变形：残余变形
– 变形特点：沿轴线方向将发生伸长 或缩短变形,对应横截面尺寸减小或 增大。
F1
B
桁架中的杆件
A C
第1章 绪论
F1 F2 F2
26
F
§2.1 轴向拉伸和压缩
F m
沿m-m截开
F
2.1.3 轴力和轴力图
左端：∑X = 0, – F = 0 FN = F
F

断裂力学讲义

断裂力学讲义

目录第一章绪论 (2)§1.1 断裂力学的概念 (2)§1.2 断裂力学的基本组成 (2)第二章线弹性断裂力学概述 (4)§2.1 裂纹及其对强度的影响 (4)§2.2 断裂理论 (7)第三章裂纹尖端区域的应力场及应力强度因子 (13)§3.1 Ⅰ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 (13)§3.2 Ⅱ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 (19)§3.3 Ⅲ型裂纹尖端区域的应力场与位移场 (21)§3.4应力强度因子的确定 (23)第一章 绪论§1.1 断裂力学的概念任何一门科学都是应一定的需要而产生的，断裂力学也是如此。

一提到断裂，人们自然而然地就会联想到各种工程断裂事故。

在断裂力学产生之前，人们根据强度条件来设计构件，其基本思想就是保证构件的工作应力不超过材料的许用应力，即σ≤[σ]～安全设计安全设计对确保构件安全工作也确实起到了重大的作用，至今也仍然是必不可少的。

但是人们在长期的生产实践中，逐步认识到，在某些情况下，根据强度条件设计出的构件并不安全，断裂事故仍然不断发生，特别是高强度材料构件，焊接结构，处在低温或腐蚀环境中的结构等，断裂事故就更加频繁。

例如，1943～1947年二次世界大战期间，美国的5000余艘焊接船竟然连续发生了一千多起断裂事故，其中238艘完全毁坏。

1949年美国东俄亥俄州煤气公司的圆柱形液态天然气罐爆炸使周围很大一片街市变成了废墟。

五十年代初，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验时发生爆炸。

这些接连不断的工程断裂事故终于引起了人们的高度警觉。

特别值得注意的是，有些断裂事故竟然发生在σ<<[σ]的条件下，用传统的安全设计观点是无法解释的。

于是人们认识到了传统的设计思想是有缺欠的，并且开始寻求更合理的设计途径。

人们从大量的断裂事故分析中发现，断裂都是起源于构件中有缺陷的地方。

哈工大断裂力学讲义第一章

哈工大断裂力学讲义第一章

GⅠ
KⅠ2 E
E E
E
1
E
2
平面应力 平面应变
同理
GⅡ
KⅡ2 E
GⅢ
1
E
KⅢ2
32
4G 2
22
v KⅠ a x (2k 2)
4G 2
31
a
在闭合时,应力在 a那段所做旳功为
B 0
yvdx
GⅠ
B Ba
a
0 yvdx
1 a
a 0
KⅠ KⅠ
2 x 4G
a
2
x
(2k
2)dx
4k 1 4G
KⅠ2
平面应力
k
3 1
,
GⅠ
KⅠ2 E
平面应变
k 3 4
GⅠ
1 2
E
KⅠ2
13
撕开型裂纹(Ⅲ型):在平行于裂纹面 而与裂纹前沿线方向平行旳剪应力 作用下,裂纹沿裂纹面撕开扩展.
二.裂纹尖端附近旳应力场.位移场
1.Ⅰ型裂纹 问题旳描述:无限大板,有一长为 2a 旳穿透裂纹,在无限
远处受双向拉应力 旳作用.拟定裂纹尖端附近旳应力
场和位移场.
14
1939年Westergaurd应力函数
3
Griffith研究了如图所示厚度为B旳薄平板。上、下端受 到均匀拉应力作用，将板拉长后，固定两端。由Inglis解得到 因为裂纹存在而释放旳弹性应变能为
U 1 2 a2 2B
E
U 1 a2 2B
E
平面应变 平面应力
4
另一方面，Griffith以为，裂纹扩展形成新旳表面， 需要吸收旳能量为
解析函数性质:任意解析函数旳实部和虚部都是解析旳.

哈工大断裂力学讲义

哈工大断裂力学讲义

处
τ xy = 0
在 z →∞处
Z1 ( z ) =
能够满足全部边界条件 我们可以考察一下
σz
z −a
2 2
25
2.张开型（I型）裂纹尖端附近的应力场.位移场
无穷远处
lim Z 1 ( z ) = lim
z →∞ '
σz
z −a − σa 2
2 2 2
z →∞
=σ =0
lim Z 1 ( z ) = lim
对于平面应力问题， dA = 2 Bda
U=
πσ 2 a 2 B
E
dU σ 2π a = dA E
临界条件
dS = 2γ dA
或
σ πa
2 c
E
= 2γ
σ 2π ac
E
= 2γ
临界应力：
2 Eγ 1 )2 σc = ( πa
表示无限大平板在平面应力状态下，长为2a裂纹失稳扩展 时，拉应力的临界值——剩余强度。
∂2 ∂ 2ϕ ∂2 Re Z y Im Z1 + ＝ 1 ∂y 2 ∂y 2 ∂y 2
(
)
(
)
σ x＝Re Z1 − y Im Z
同理(自行推导)可得：
' 1
∂ 2ϕ ‘ σ y＝ 2 ＝Re Z 1 + y Im Z 1 ∂x 2 ∂ϕ ‘ τ xy＝ − ＝ − y Re Z1
∂x∂y
23
2.张开型（I型）裂纹尖端附近的应力场.位移场
抵抗裂纹扩展能力=表面能+塑性变形能
金属材料的裂纹扩展单位面积所需要的塑性功为P 剩余强度和临界裂纹长度
9
1 能量释放率与G准则
例如：设裂纹扩展单位面积所需要的塑性变形能为P ,则 对金属p比
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S 2A 4a B
其中： 为单位面积上的表面能。
可以得到如下表达式
d (U S) 0 dA
临界状态
d (U S) 0 dA d (U S) 0 dA
裂纹稳定 裂纹不稳定
5
对于平面应力问题， dA 2Bda，则
dU 2 a
dA E
dS 2
dA
根据临界条件，有
c2 a 2
E 得临界应力为
2
§1.1 线弹性断裂力学的基本理论
线弹性断裂力学的基本理论包括： Griffith理论，即能量释放率理论； Irwin理论，即应力强度因子理论。
一、Griffith理论
1913年，Inglis研究了无限大板中含有一个穿透板厚 的椭圆孔的问题，得到了弹性力学精确分析解，称之为 Inglis解。1920年，Griffith研究玻璃与陶瓷材料脆性断 裂问题时，将Inglis解中的短半轴趋于0，得到Griffith 裂纹。
表面裂纹:深度和长度皆处于构件表面的裂纹,可简化为 半椭圆裂纹.
深埋裂纹:完全处于构件内部的裂纹,片状圆形或片状椭 圆裂纹.
12
2.按裂纹的受力和断裂特征分类 张开型(Ⅰ型):拉应力垂直于裂纹扩展面, 裂纹上、下表面沿作用力的方向张开,裂 纹沿着裂纹面向前扩展,是最常见的一种 裂纹.
滑开型(Ⅱ型):裂纹扩展受切应力控制, 切应力平行作用于裂纹面而且垂直于裂 纹线,裂纹沿裂纹面平行滑开扩展.
13
撕开型裂纹(Ⅲ型):在平行于裂纹面 而与裂纹前沿线方向平行的剪应力 作用下,裂纹沿裂纹面撕开扩展.
二.裂纹尖端附近的应力场.位移场
1.Ⅰ型裂纹 问题的描述:无限大板,有一长为 2a 的穿透裂纹,在无限
远处受双向拉应力 年Westergaurd应力函数
y
2 Im Z x2
y
(y
y
Im Z
Im Z
y ) y
y
2 Im Z x2
y
Im Z
y
2 Im Z y 2
y
Im Z
y2 Im Z 2 Im Z y
柯西黎曼条件
Re Z Im Z Im Z
y
x
Im Z Re Z Re Z
y
x
17
有
2 Im Z 2 Re Z y
3
Griffith研究了如图所示厚度为B的薄平板。上、下端受 到均匀拉应力作用，将板拉长后，固定两端。由Inglis解得到 由于裂纹存在而释放的弹性应变能为
U 1 2 a2 2B
E
U 1 a2 2B
E
平面应变 平面应力
4
另一方面，Griffith认为，裂纹扩展形成新的表面， 需要吸收的能量为
第一章 线弹性断裂力学
1
线弹性断裂力学认为，材料和构件在断裂以前基本上处 于弹性范围内，可以把物体视为带有裂纹的弹性体。 研究裂纹扩展有两种观点：
一种是能量平衡的观点，认为裂纹扩展的动力是构件在 裂纹扩展中所释放出的弹性应变能，它补偿了产生新裂纹表 面所消耗的能量，如Griffith理论；
一种是应力场强度的观点，认为裂纹扩展的临界状态是 裂纹尖端的应力场强度达到材料的临界值，如Irwin理论。
设金属材料的裂纹扩展单位面积所需要的塑性功为 U p ，则剩余强度和临界裂纹长度可表示为
8
c
2E( UP ) (1 2 )a
2E( UP )
a
平面应变 平面应力
2E( UP )
ac
(1 2 ) 2
2E( UP )
2
平面应变 平面应力
9
Irwin在1948年引入记号 G G 1 (W U ) 2 a
Irwin应用Westergaurd的 方法进行分析.
(1)Westergaurd应力函数 弹性力学平面问题的
求解，归结为要求求一个 应力函数.该函数边界条 件及双调和方程.这类问 题的应力,应变和位移.
Re ZⅠ y Im ZⅠ
15
其中： Z 为解析函数; Z, Z 为一次积分和二次积分. 首先证明: 4 0 满足双调和方程
(r 0)
基于这种性质，1957年Irwin
K
提出新的物理量—应力强度因子
,即：
K lim r 0
2 r yy (r, 0)
1960年Irwin用石墨做实验,测定开始裂纹扩展时的 K Kc
断裂判据( K 准则)
K Kc
11
§1.2 裂纹的类型.裂纹尖端附近的应力场和位移值 一.裂纹的类型
1.按裂纹的几何类型分类 穿透裂纹:裂纹沿构件整个厚度贯穿.
4 ( )( ) x2 y2 x2 y2
因为: 2 2 Re ZⅠ 2 ( y Im ZⅠ)
解析函数的性质: (1)解析函数的导数和积分仍为解析函数 (2)解析函数的实部和虚部均满足调和方程
2 Re ZⅠ 0
16
2
2 ( y
Im
ZⅠ)
2 x2
(y
Im
ZⅠ)
2 y 2
(y
Im
Z
)
22 2 (2 Re ZⅠ) 0
即函数 是平面问题的应力函数.
则应力分量:
x
2
y 2
2 y 2
(Re ZⅠ
y Im ZⅠ)
y
(
Re ZⅠ y
Im
ZⅠ
y
Im ZⅠ) y
y
( Im
ZⅠ
Im ZⅠ
y
Re ZⅠ)
Re ZⅠ
y
Re ZⅠ y
Re ZⅠ y Im ZⅠ
18
即 x Re ZⅠ y Im ZⅠ
能量释放率 外力功 释放出的应变能
能量释放率也称为裂纹扩展能力
G 准则
G Gc
Gc 临界值,由试验确定
Irwin的理论适用于金属材料的准脆性破坏—破坏前裂
纹尖端附近有相当范围的塑性变形 .该理论的提出是线弹性
断裂力学诞生的标志.
10
三.应力强度因子理论
裂纹尖端存在奇异性,即:
iy (r, )
1 r
脆性物体断裂
7
二.Orowan与Irwin对griffith理论的解释与发展
Orowan在1948年指出，金属材料在裂纹的扩展过程 中，其尖端附近局部区域发生塑性变形。因此，裂纹扩展 时，金属材料释放的应变能，不仅用于形成裂纹表面所吸 收的表面能，同时用于克服裂纹扩展所需要吸收的塑性变 形能（也称为塑性功）。
或 2 ac 2
E
c
( 2E a
1
)2
表示无限大平板在平面应力状态下，长为2a裂纹失稳扩
展时，拉应力的临界值，称为剩余强度。
6
临界裂纹长度
2E ac 2
对于平面应变有
ac
2E (1 2 )
2
c
2E (1 2 )a
Griffith判据如下：
(1)当外加应力 超过临界应力 c
(2)当裂纹尺寸 a 超过临界裂纹尺寸 ac