《线弹性断裂力学》PPT课件

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1、复合材料（先进材料）性能表征与失效分析《复合材料与结构》复合材料的宏微观力学与结构力学，它自然涉及到复合材料的性能表征问题。《复合材料性能试验》在这里也自然涉及到复合材料的性能表征问题。《复合材料性能表征与失效分析》复合材料失效分析（复合材料破坏力学）复合材料破坏力学复合材料破坏力学，它是研究复合材料损伤破坏行为的力学科学。与传统的均质各向同性材料相比，复合材料明显的特点是多相性（非均匀性）、各向异性，这些就决定了复合材料的损伤破坏行为比传统的均质各向同性材料的损伤破坏行为复杂的多，现在我要问大家对“传统的均质各向同性材料的损伤破坏行

2、为”了解多少？现在请允许我给大家提一个问题：大家不久前学习了“复合材料力学”这门课，大家也曾学习过“材料力学”这门课，这两门课中都包含有最大应力强度理论，现在我想请大家把“材料力学”中的最大应力强度理论与“复合材料力学”中的最大应力强度理论进行比较。我想大家对均质各向同性材料的破坏力学未必清楚，所以我给大家讲授“断裂力学”，从均质各向同性材料的断裂力学到复合材料的断裂力学(限于界面断裂力学与多层介质断裂）。参考书：[[宏微观断裂力学]]，扬卫著，国防工业出版社，1995。复合材料破坏力学材料力学（最大应力强度理论）：复合材料力学（最大

3、应力强度理论）：复合材料破坏力学（用有限元法对复合材料结构做破坏分析）首先，需要建立一个结构坐标系（x,y,z)，划分单元，记每一单元的节点坐标(xi,yi,zi)(i=1,2,…,8)(六面体8节点单元）；对每一单元建立单元坐标系(ξ，η，ς)，记单元的节点坐标(ξi，ηi，ςi)(i=1,2,…,8);记坐标轴ξ的方位角为（αξ，βξ，γξ）（各向同性材料）（复合材料）单元刚度变换公式（两阶张量）（应力分析）应力变换公式（两阶张量）（破坏分析）把在结构坐标系下的应力场变换为在材料坐标系下的应力场。断裂力学线弹性断裂力学:研究含裂纹

4、的线弹性体的破坏力学(线弹性材料)弹塑性断裂力学:研究含裂纹的弹塑性体的破坏力学(弹塑性材料)线弹性断裂力学如同在经典的强度理论中，有以应力为参数和以能量为参数的强度理论一样，在这里，我们有以应力为参数的断裂理论应力强度因子理论（Irwin应力强度因子理论）以能量为参数的断裂理论能量释放率理论（Griffith脆断理论）应力强度因子理论在这里，我需要强调，断裂力学是基于弹性力学和塑性力学所获得的应力场、应变场及位移场的基础上，研究含裂纹材料的破坏行为。所以不论在线性断裂力学还是弹塑性断裂力学中，我们都重点研究裂纹体（含裂纹的线弹性体或

5、弹塑性体）关键区域中场量（应力场、应变场及位移场）的结构，进而进行破坏行为研究。由于裂纹体中关键区域是裂纹尖端，所以我们重点研究裂纹尖端场量的结构，进而进行破坏行为研究。在应力强度因子理论中，我们首先来学习：裂纹类型（分类）；线弹性裂纹尖端场；进而建立断裂准则。（crack)张开型：I型（ModeI）（OpeningMode）滑开型：II型（ModeII）（ShearMode）撕开型：III型（ModeIII）（TearingMode）Irwin应力强度因子理论I型裂纹尖端场的表达式对线弹性各向同性材料,I型裂纹尖端应力场和位移场一般

6、表达式为：和为普遍适用的角分布函数。（渐进解）（几何、加载方式）无限大中心裂纹板Irwin应力强度因子理论受均匀外力σ作用具有长度为2a的无限大板，KI为：是一与外载和裂纹几何尺寸相关的量，通常称为应力强度因子，它是裂纹尖端应力场幅值大小的度量。裂纹尖端应力场的几点重要特点：（1）裂纹尖端应力场具有r-1/2的奇异性；（2）应力强度因子KI是一与外载和裂纹几何尺寸相关的量，是裂纹尖端应力场幅值大小的度量；（3）裂纹尖端应力场的表达式具有普遍性，不同裂纹体几何的影响通过应力强度因子KI来反映。Irwin应力强度因子理论一般地，I型裂纹应

7、力强度因子KI可以表达为其中Y(g)称为几何影响因子。(4)裂纹尖端应力场是渐进解，仅仅适合于裂纹尖端附近.Irwin应力强度因子理论鉴于裂纹尖端应力场的上述特点，尤其应力强度因子的特点：即它是一与外载和裂纹几何尺寸相关的量，是裂纹尖端应力场幅值大小的度量，人们很自然地可以把应力强度因子作为含裂纹材料或结构的破坏的力学参量来建立破坏准则：其中KIc称为材料的断裂韧性，是材料常数，是材料抵抗断裂的抗力，可以通过实验来确定。该破坏准则称为应力强度因子断裂准则，简称K准则.在八十年代初期，美国ASME就将该准则作为含裂纹材料或结构的评定方法

8、。Irwin应力强度因子理论鉴于应力强度因子的重要性，在断裂力学这门科学近半个世纪的快速发展中，应力强度因子的分析计算一直是一个经久不衰的研究课题，这可从这方面的专著（如二十世纪七十年代Sih的专著[3,4]和近期的专著