607疲劳断裂分析51.ppt

第五章 疲劳设计的损伤容限法 5.1 断裂力学基础 第五章 疲劳设计的损伤容限法 5.1 断裂力学基础 第五章 疲劳设计的损伤容限法 5.1 断裂力学基础 1、工程裂纹的简化 2、线弹性断裂力学 裂纹的三种受载形式 张开型（Opening mode）:I型裂纹，在垂直裂纹面拉应力σ作用下，裂纹尖端展开而扩展；扩展方向与拉应力σ方向垂直； 滑开型（Sliding mode）：II型裂纹，平行于裂纹表面的剪切力τ作用下，裂纹滑开而扩展，扩展方向平行于剪应力τ方向； 撕开型（Tearing mode）: III型裂纹，平行于裂纹表面剪切力τ作用下，裂纹表面相互撕开，扩展方向垂直于剪应力τ方向； 2、线弹性断裂力学 应力强度因子 裂纹尖端的应力场可由两部分来描述： 一部分是关于裂纹尖端应力场分布的描述，这部分与所考虑点的位置有关，即是点的坐标的函数。 另一部分是关于应力场强度的描述，反映应力场的强弱，这部分与裂纹尺寸及所受的应力有关。 应力强度因子则是反映裂纹前端K控制的一个环形区域内的应力、应变大小的唯一量度，与裂纹尺寸、构件形状有、应力场有关。 2、线弹性断裂力学 应力强度因子 2、线弹性断裂力学 小范围屈服（Small scale yield ）：针对弹性-完全塑性材料（elastic-perfectly plastic） Irwin 模型 2、线弹性断裂力学 小范围屈服 条带模型（Strip yield model or Dugdale model） 2、线弹性断裂力学 小范围屈服 屈服区形状 2、线弹性断裂力学 小范围屈服 COD and CTOD描述 2、线弹性断裂力学 小范围屈服 COD and CTOD 2、弹塑性断裂力学（大范围屈服） CTOD描述 2、弹塑性断裂力学（大范围屈服） J积分描述 2、弹塑性断裂力学（大范围屈服） J积分特点 3、断裂准则（Fracture Criteria） 断裂控制因素 控制材料断裂的三个基本因素：裂纹尺寸和形状、作用应力、断裂韧性（KIC,JIC,δC） 断裂判据 3、断裂准则（Fracture Criteria） 裂纹参数与断裂韧性的区别 KI、JI、δ和KIC、JIC、 δC的区别 前面三项是反映裂纹尖端附近应力场强度大小的参量，与材料的性能无关。 后面三项则是反映材料抵抗断裂能力的材料性能参量，与裂纹尺寸及外载荷无关。 3、断裂准则（Fracture Criteria） 断裂准则的应用--抗断裂设计： 已知工作应力、裂纹尺寸，计算K或者J使其满足断裂准则，保证不发生断裂； 已知裂纹尺寸和材料的断裂韧性，确定允许使用的工作载荷； 已知工作载荷和材料的断裂韧性，确定允许存在的最大裂纹尺寸； 3、断裂准则（Fracture Criteria） 断裂准则的应用--抗断裂设计： 例题： 3、断裂准则（Fracture Criteria） 断裂准则的应用--抗断裂设计： 练习： * * 疲劳裂纹萌生-微观裂纹扩展-宏观裂纹扩展-断裂 断裂力学方法 F4F3F1F2 中心埋藏裂纹 表面裂纹 角裂纹 对于含裂纹体的多数金属材料，由于裂纹尖端高度应力集中，致使该地区的材料发生塑性流变，从而导致裂纹尖端的钝化（即圆化），裂纹表面随之张开，所谓CTOD就是裂纹尖端的裂纹表面张开的位移量，CTOD的大小与裂纹体的受载荷情况有关，一定的CTOD值对应于一定的受载荷状态，亦即对应于裂纹端部的一定的应力应变场的强弱程度，所以，COD值可以作为裂纹端部应力应变场强度的间接度量，用δ表示。 D—M模型 定义：由一个围绕裂纹尖端且与路径无关的积分给出，其定义表达式为： 单位：N/mm 其中：W-材料应变能密度 U-位移矢量，T-拉应力矢量；y-垂直于裂纹面上的距离 J积分定义明确，理论严密的应力应变场参量，它的实验测定较简单可靠； J积分与积分路径无关，故可避开裂纹尖端处极其复杂的应力应变场； 适用于线弹性，也适用于弹塑性的断裂分析。 * * *