断裂力学(1)讲义版

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1、2009-11-1023:33:40老司多媒体教学系列师断裂力学华中科技大学力学系司继文2009年11月10日1Page17of552009-11-1023:33:42第一章绪论§1-1引言§1-2裂纹及其对强度的影响§1-3课程说明2Page19of552009-11-1023:33:45第一章绪论§1-1引言一、问题的提出对构件进行安全设计，须满足：强度条件smax≤[s]orseq≤[s]材料许最大工作应力等效应力用应力根据这一思想设计的构件，能用事实否保证不发生断裂事故？来回答smax≤[s]是否为确保构件安全性的必要和充分条件？Page21of5520

2、09-11-1023:33:45近代金属材料被广泛使用，大型工程建筑和结构不断涌现，灾难性的不测事故的数量却急剧增加。Ø1860~1870年期间，由于车辆、车轴、轨道断裂造成的事故，英国每年均有200人丧生；Ø英国《工程》杂志在1866年2月刊上登载：每年在英国有五六十起锅炉爆炸事件；ØShank在1954年发表的报告中，汇编了60件大型结构的破坏事故，其中包括大桥、压力容器、储藏罐和管道等。Page22of552009-11-1023:33:46断裂事故举例Ø1944年，美国克利夫兰市（Cleveland）发生液化气罐的灾难性大破裂。泻出的液化气燃起的大火和随

3、之而来的爆炸，使130人丧生，300人重伤。爆炸的火球高度达2800英尺（据估计），甚至有被烤熟的鸟从天上掉下来。据报道，79座房屋，2个工厂以及大约217辆汽车在这次事故中彻底毁坏。另外还有35座房屋和13个工厂遭到严重破坏。各类财产总损失达600－700万（1944年）美元。Page5of552009-11-1023:33:46断裂事故举例Ø20世纪50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。壳体是按设计要求严格检查了的。它所用的材料是屈服极限为ss＝1372MPa的高强度钢，而在发生爆炸破坏时壳体所受应力只有686MPa。事后组织了20多

4、个单位进行调查和研究，发现其破坏是由于壳体中存在0.1－1mm裂纹源引起的。这次事故的发生和其后的研究，促进了断裂力学的形成。Page6of552009-11-1023:33:47断裂事故举例Ø英国彗星号飞机，在地中海上空失事。根据飞机残骸，在机舱口下方铆接处开始有裂纹（裂纹源），这是疲劳引起的裂纹。Ø1975年5月25日，美国一架DC-10大型客机在芝加哥奥黑尔国际机场起飞后不久坠毁。机上279人全部遇难。据分析，事故是由飞机发动机螺钉疲劳断裂引起的。Page7of552009-11-1023:33:47断裂事故举例Ø第二次世界大战期间，美国作为后方，造船解决

5、盟军的运输问题。当时造船全部铆接，刚发明焊接。短时间内造出自由轮2500艘，但有700艘报废，其中145艘从中间断裂，断裂都是突然发生的，断裂发生时的名义应力很低。（有几条船是在港湾内突然破坏的）这种突然的脆断，对于船体用钢这样的塑性材料似乎是不应该发生的。Page8of552009-11-1023:33:47研究表明，自由轮的破坏是由以下三个因素组合造成的：Ø焊接工艺产生类似小裂纹的缺陷；Ø断裂大部分起始于甲板舱口的角点，此处有局部应力集中；Ø制造自由轮的钢材在低温下韧性很差。自由轮的断裂事故，引起了美国政府的高度重视。在华盛顿海军研究实验室，以Irwin为领

6、导的研究组对断裂问题进行了系统研究，这就促成了断裂力学的诞生。Page9of552009-11-1023:33:47上述事故均发生在工作应力低于材料屈服极限应力的条件下，用传统的安全设计观点是无法解释的。尽管材料的强度和韧度指标满足传统设计要求，却难免发生断裂事故。抵抗破坏的传统指标和传统的强度分析计算方法，并不能保证结构的安全。安全设计并不安全！原因何在？Page10of552009-11-1023:33:48从大量破坏事故分析中发现，断裂皆起源于构件有缺陷处。传统设计思想的一个严重问题，是把材料视为无缺陷的均匀连续体，而实际上构件总是存在着形式不同的缺陷，因

7、而实际材料的强度大大低于理论模型的强度。断裂力学恰恰是为了弥补传统设计思想这一严重不足而产生的。Page11of552009-11-1023:33:48疲劳断裂破坏Page12of552009-11-1023:33:48二、断裂力学的任务及研究方法1.断裂力学断裂力学——研究有裂纹（缺陷）构件断裂破坏规律的一门学科。Ø是固体力学的一个新分支；&Ø要求至少有一可识别的裂纹，长度的量级在1mm以上；Ø研究含裂纹构件裂纹的平衡、扩展和失稳规律，以保证构件安全工作；Ø研究带裂纹固体的强度和裂纹在固体中传播的规律。Page13of552009-11-1023:33:49&

8、力学学科分类p按运动与否