损伤与断裂力学第一章(矿大)高峰

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1、1工程断裂力学力学课程层次刚体力学：理论力学，分析力学，多刚体力学，天体力学等理想变形体力学：材料力学，结构力学，弹塑性力学，振动力学，粘弹塑性力学等缺陷变形体力学：断裂力学，损伤力学，细观力学，岩石力学等课程内容断裂力学是为解决机械结构断裂问题而发展起来的力学分支，它将力学、物理学、材料学以及数学、工程科学紧密结合，是一门涉及多学科专业的力学专业课程。本课程将简要介绍断裂的工程问题、能量守恒与断裂判据、应力强度因子、线弹性和弹塑性断裂力学基本理论、裂纹扩展、J积分以及断裂问题的有限元方法等内容。第一章引言1.1关于断裂的工程问题1979年5月－个晴朗的下午，一架美国麦克唐纳•道格

2、拉斯公司制造的DC－10型宽体客机，从芝加哥国际机场起飞。突然间，地面上有人看见飞机机翼下的一个发动机脱落了。不到几秒钟的时间，飞机就从低空掉下来，飞机上二百七十多人全部遇难，美国历史上最大的空难事件就这样发生了。至今为止，这样的空难仍然难以完全避免！！！飞机发动机为什么会脱落？美国航空管理局和飞机制造公司专家调查后发现:原来是连接发动机和机翼的连接件发生了断裂。断裂发生的过程：断裂是如此突然地发生，好象事先一点征兆都没有。其实不然，如果在飞机起飞前仔细探伤检查这个连接件，就有可能发现一条小裂纹，发展成这条小裂纹的时间恐怕并非一日。飞机每飞行一个航程，这个连接件就受到一个大循环的随

3、机疲劳载荷。如果这个连接件在制造后安装时就已产生缺陷，则随飞机飞行次数和飞行时间的增加，缺陷就可能发展成大裂纹，并且越来越长，当裂纹扩展到一定长度时，连接件就突然发生断裂。断裂事故二次世界大战期间，特别是四十年代后期，美国曾建造了大约2500艘自由号型万吨轮，在服役期间有145艘断成两截，700艘左右严重破坏。其它：海洋平台发生崩溃压力容器发生破裂吊桥的钢索断裂天然气管道破裂房屋开裂倒塌气轮机叶片断裂……为什么？科学家与工程师关心的两个问题在设计、制造、安装和使用的整个过程中：如何建立评定带缺陷或裂纹运行的机械结构的安全性标准如何预测和防止断裂事故的发生目前人们还关心这些缺陷是如何

4、产生和生长成裂纹的，这属于损伤力学和细观力学等学科范畴。航空工业中的关键问题近五十年来，随着宇航和航空工业的飞速发展，高强度合金（高强度的钢、铝和钛等合金）广泛应用。高强度合金：比强度相当高，即强度与质量密度的比值较一般金属或合金高得多。高强度合金的优点：用高强度合金制成的机械结构，通常体积较小、重量较轻、用料还可以大大节省。这个优点对宇航的飞行器，例如火箭、太空船、航天飞机和人造卫星等特别重要。航空航天是断裂力学应用最广泛、最深入的工业领域。高强度合金的缺点大部分高强度合金都比较脆，容易发生断裂；在腐蚀性环境介质中，甚至在相对湿度较高的环境中，就可能萌生出裂纹。由高强度合金所制成

5、的机械结构发生断裂时的应力水平，往往远低于屈服应力。这些断裂问题用传统的强度理论，例如用屈服判据，是解释不了的。为什么？断裂力学的诞生当机械结构带有裂纹时，判断机械结构发生断裂的时机，不能用屈服判据，而应该寻求新的断裂判据。现代断裂力学（fracturemechanics）这门学科，就在这种背景下诞生了。从上世纪五十年代中期以来，断裂力学发展很快，目前线性理论部分已比较成熟，在工程方面，已广泛应用于宇航、航空、海洋、兵器、机械、化工和地质等许多领域。断裂力学的关键问题（一）1．多小的裂纹或缺陷是允许存在的，即此小裂纹或缺陷不会在预定的服役期间发展成断裂时的大裂纹？2．多大的裂纹就可

6、能发生断裂，即用什么判据判断断裂发生的时机？3．从允许存在的小裂纹扩展到断裂时的大裂纹需要多长时间，即机械结构的寿命如何估算？以及影响裂纹扩展率的因素。4．在既能保证安全，又能避免不必要的停产损失，探伤检查周期应如何安排？5．万一检查时发现了裂纹，该如何处理？断裂力学的关键问题（二）什么材料比较不容易萌生裂纹？什么材料可以容许比较长的裂纹存在而不发断裂？什么材料抵抗裂纹扩展的性能较好？怎样冶炼、加工和热处理可以得到最佳效果？前五个问题可以用断裂力学的方法来解决；后面四个问题则属于材料或金属学的领域。因此，断裂是与力学、材料和工程应用有关的问题。应综合力学、材料学和工程应用等方面着手

7、研究。解决断裂问题的思路为解决上面所提的工程问题和材料问题，对于含裂纹的受力机械零件或构件，必须先找到一个能表征裂纹端点区应力应变场强度(intensity)的参量，就象应力可以作为裂纹不存在时的表征参量一样。解决断裂问题的思路—科学假说（续）因为断裂的发生绝大多数都是由裂纹引起的，而断裂尤其是脆性断裂，一般就是裂纹的失稳扩展。裂纹的失稳扩展，通常由裂纹端点开始。因此，发生断裂的时机必然与裂端区应力应变场的强度有关。对于不含裂纹的物体，当某处的应力水平超过屈服应力，就