机械强度分析..ppt

机械强度分析 课程内容 机械强度分析 断裂强度分析（24 ） 接触强度分析（2） 联接强度分析（4） 压力容器强度分析（2 ） 接触静强度、接触疲劳 金属结构联接方法、螺 栓联接强度、焊接联接 、焊缝强度 薄壁容器强度分析方法 材料断裂、裂纹 断裂强度分析 Ø 绪论 Ø 宏观断裂力学 Ø 细观断裂力学 Ø 纳观断裂力学 断裂力学的发展史，断裂的跨尺度特性 线弹性断裂力学：Griffith脆断理论、Irwin应力强度 弹塑性断裂力学：裂纹尖端塑性区、SSY、J积分、 HRR场 数值方法：扩展有限元方法 位错、细观损伤理论、微裂纹 原子间作用势、纳观断裂过程、宏微观结合 Ø 疲劳强度 Ø 高温强度 疲劳裂纹扩展、S-N曲线 温度对材料强度的影响、蠕变 破坏力学 它泛指对各种工程结构（如机械结构、土木结构 、航空航天结构、核电结构、电子元件结构等） 和工程材料（如金属、陶瓷、高分子、岩土复合 材料、生物材料等）破坏行为（包括断裂、损伤 、疲劳、腐蚀、磨损）的力学规律研究 1. 范天佑 断裂理论基础，科学出版社，2003 2. 黄克智 余寿文, 弹塑性断裂力学,清华大学出版社,1987 3. 杨卫，宏微观断裂力学，国防工业出版社，1995 4. 庄茁,蒋持平 断裂与损伤,机械工业出版社,2003. 5. 余寿文,冯西桥,损伤力学,清华大学出版社,1997. 中文书籍 常见的工程断裂问题 天然气和其他压力管道的裂纹扩展 压力容器发生破裂 飞机机身和船体开裂 常见的工程断裂问题 铁轨与车轴等构件的疲劳断裂 常见的工程断裂问题 断裂问题的分类： 线弹性断裂力学——脆性断裂 弹塑性断裂力学——延性断裂（韧性断裂） 脆性断裂 延性断裂 常见的工程断裂问题 据美国和欧共体的权威专业机构统计：世界 上由于机件、构件及电子元件的断裂、疲劳、腐 蚀、磨损破坏造成的经济损失高达各国国民生产 总值的6～8%。

据我国劳动部统计，我国在20世纪80年代 发生的锅炉和压力容器的爆炸事故约五千起，人 员累计伤亡近万人，居国内劳动安全事故的第二 位 断裂力学的研究意义在于防范上述的破坏 行为，降低由断裂和破坏造成的经济损失，减少 事故的发生 破坏力学的三个发展阶段 Ø 第一阶段（16世纪末---第二次世界大战前） Ø 第二阶段（第二次世界大战结束---20世纪末） Ø 第三阶段（20世纪末---至今） 无缺陷经验理论 宏观断裂力学 宏微观理论 l 以强度理论为中心的破坏准则体系； l 不引入任何缺陷尺度； l 材料本构行为的连续介质描述； 推动了变形体力学的发展 l 以断裂韧性理论为中心的破坏准则体系； l 引入宏观缺陷，但不考虑细-微观缺陷； l 带裂纹标准试件的断裂指标； 破坏力学上升为独立学科宏观缺陷 l 追溯从变形、损伤至断裂的全过程； l 引入多层次的缺陷几何结构； l 本构行为的宏—细—微观相结合的描述-----材料的微结构； 微观缺陷 传统强度理论 强度理论：人们根据大量的破坏现象，通过判断推 理、概括，提出了种种关于破坏原因的假说，找出 引起破坏的主要因素，经过实践检验，不断完善， 在一定范围与实际相符合，上升为理论。

为了建立复杂应力状态下的强度条件，而提出 的关于材料破坏原因的假设及计算方法 传统材料力学的强度问题 两大假设：均匀、连续 四种常用的强度理论 ³ 最大拉应力理论（第一强度理论） 材料发生断裂的主要因素是最大拉应力达到极限值 －构件危险点的最大拉应力 －极限拉应力，由单拉实验测得 断裂条件 强度条件 ³ 最大伸长拉应变理论（第二强度理论） 无论材料处于什么应力状态,只要发生脆性断裂 ,都是由于微元内的最大拉应变（线变形）达到简单 拉伸时的破坏伸长应变数值 －构件危险点的最大伸长线应变 －极限伸长线应变，由单向拉伸实验测得 四种常用的强度理论 实验表明：此理论对于一拉一压的二向应力状态的脆 性材料的断裂较符合，如铸铁受拉压比第一强度理论 更接近实际情况 强度条件 断裂条件 即 ³ 最大伸长拉应变理论（第二强度理论） 四种常用的强度理论 四种常用的强度理论 无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是 由于微元内的最大切应力达到了某一极限值 ³ 最大切应力理论（第三强度理论） －构件危险点的最大切应力 －极限切应力，由单向拉伸实验测得 屈服条件 强度条件 低碳钢拉伸低碳钢扭转 ³ 最大切应力理论（第三强度理论） 四种常用的强度理论 实验表明：此理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到 较为满意的解释。

并能解释材料在三向均压下不发生 塑性变形或断裂的事实 局限性： 2、不能解释三向均拉下可能发生断裂的现象， 1、未考虑 的影响，试验证实最大影响达15% ³ 最大切应力理论（第三强度理论） 四种常用的强度理论 四种常用的强度理论 无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是 由于微元的最大形状改变比能达到一个极限值 ³ 形状改变比能理论（第四强度理论） －构件危险点的形状改变比能 －形状改变比能的极限值，由单拉实验测得 屈服条件 强度条件 实验表明：对塑性材料，此理论比第三强度理 论更符合试验结果，在工程中得到了广泛应用 ³ 形状改变比能理论（第四强度理论） 四种常用的强度理论 强度理论的统一表达式： 相当应力相当应力 四种常用的强度理论 传统强度理论的弊端 Ø 从物理学角度上，它不能识别固体材料的典型特征破坏过程； Ø 从力学角度上，它不能描述由于裂纹状缺陷存在而于裂纹尖端 产生的严重应力集中； Ø 从材料学角度上，它不能解释理论强度远高于实际强度的原因 ； Ø 从工程应用角度上，它不足以防止工程结构的破坏 （1）微裂纹汇合成宏观裂纹，进而发展成脆性断裂；（2）孔洞形成 、长大、片状汇合到持续撕裂的韧性断裂；（3）驻留滑移带处累积 塑性变形导致疲劳裂纹形成，继而呈花纹状碾压扩展的疲劳断裂。

无法表征裂纹尖端的奇异场 无法考虑宏观、微观的缺陷 如低应力脆断事故 断裂力学 均匀性假设仍成立，但且仅在缺陷处不连续 宏观断裂力学发展史 Ø 20世纪初，英国科学家A.A.Griffith建立了脆断理论的基本框架 ； Ø 20世纪50年代，G.Irwin完成了应力强度因子理论的基本框架； Ø 20世纪60年代，在Dugdale、Barenblatt、Wells等的努力下，弹 塑性断裂力学取得进展； • Griffith A A. The phenomena of rupture and flow in solids. Phil.Trans., Ser.A. 1920, 221:163-198. • Griffith A A. The theory of rupture. Proc.of the First Int. Congr. For Appl. Mech. Delft, 1924, 55-63. • Inglis C E. Stresses in a plate due to the presence of cracks and sharp corners. Trans. Naval Arch., 1913, 55:219-241. • Irwin G R. Analysis of stresses and strains near the end of a crack transversing a plate. J.Appl.Mech., 1957, 24:361-364. • Dugdale D S. Yielding in steel sheets containing slits. J. Mech.Phys. Solids. 1960, 8: 100-108. • Barenblatt G I. The mathematical theory of equillibrium cracks in brittle fracture. Adv. Appl. Mech. V.7. New York: Academic Press, 1962. 55-129. • Wells A A. Application of fracture mechanics a and beyond general yielding. British Welding J., 1963, 10: 563-570. 宏观断裂力学发展史 Ø 20世纪60年代，Rice的J积分和Hutchinson等的HRR场理论使得 弹塑性断裂力学趋于成熟； • Rice J R. A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks. J. Appl. Mech., 1968, 35: 379-386. • Hutchinson J W. Singular behavior at the end of a tensile crack tip in a hardening material. J. Mech. Phys.Solids, 1968, 16:13-31. • Rice J R, Rosengren G F. Plane strain deformation near a crack tip in power-law hardening material. J. Mech. Phys.Solids, 1968, 16:1-12. Griffith 脆断理论 Motivation Griffith's work was motivated by two contradictory facts: 13 June 1893 – 13 Oct 1963 English engineer l The stress needed to fracture bulk glass is around 100 MPa (15,000 psi). l The theoretical stress needed for breaking atomic bonds is approximately 10,000 MPa (1,500,000 psi). 表面能密度 晶格间距 杨氏模量 材料的理论强度 A flaw would propagate in a stressed material only when, by doing so, it brought about a reduction in elastically stored energy W more than sufficient to meet the free energy requirements of newly formed fracture surfaces. Theory Griffith 脆断理论 Griffith裂纹 1913年，Inglis给出了关于含椭圆孔的无 限大平面介质的数学解 Griffith认为宏观材料强度的剧烈下降， 主要原因在于材料中存在大量缺陷 Griffith将Inglis的数学解中椭圆的一个 轴趋近于零，得到Griffith裂纹 Inglis, Sir Charles Edward (1875–1952), civil engineer In 1913 he published a paper on the stresses in a plate due to the presence of cracks and sharp corners. This may well be his most far-reaching contribution, since A. A. Griffith's classic explanation of the discrepancy between observed and calculated strengths of amor。