线弹性断裂力学(第一章)
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第一章绪论一、内容介绍本章作为弹性力学课程的引言,主要介绍课程的研究对象、基本分析方法和特点;课程分析的基本假设和课程学习的意义以及历史和发展。
弹性力学的研究对象是完全弹性体,因此分析从微分单元体入手,基本方程为偏微分方程。
偏微分方程边值问题在数学上求解困难,使得弹性力学的基本任务是研究弹性体由于外力载荷或者温度改变,物体内部所产生的位移、变形和应力分布等,为解决工程结构的强度,刚度和稳定性问题作准备,但是并不直接作强度和刚度分析。
本章介绍弹性力学分析的基本假设。
弹性力学分析中,必须根据已知物理量,例如外力、结构几何形状和约束条件等,通过静力平衡、几何变形和本构关系等,推导和确定基本未知量,位移、应变和应力等与已知物理量的关系。
由于工程实际问题的复杂性是由多方面因素构成的,如果不分主次地考虑所有因素,问题是十分复杂的,数学推导将困难重重,以至于不可能求解。
课程分析中使用张量符号描述物理量和基本方程。
目前,有关弹性力学的文献和工程资料都是使用张量符号的。
知识点:弹性力学的特点;弹性力学的任务;弹性力学的基本假设;弹性力学的发展;弹性力学的研究方法二、重点1.课程的研究对象;2.基本分析方法和特点;3.弹性力学的基本假设;4.课程的学习意义;5.弹性力学的发展。
§1.1 弹性力学的任务学习思路:弹性力学,又称弹性理论。
作为固体力学学科的一个分支,弹性力学的基本任务是研究弹性体由于外力载荷或者温度改变,物体内部所产生的位移、变形和应力分布等,为解决工程结构的强度,刚度和稳定性问题作准备,但是并不直接作强度和刚度分析。
构件承载能力分析是固体力学的基本任务,但是对于不同的学科分支,研究对象和方法是不同的。
弹性力学的研究对象是完全弹性体,包括构件、板和三维弹性体,比出材料力学和结构力学的研究范围更为广泛。
弹性是固体的基本属性。
而"完全弹性",则是对实际弹性体的抽象。
弹性力学与材料力学的研究内容和基本任务是基本相同的,研究对象也是近似的,但是研究方法却有比较大的差别。
目录第一章绪论§断裂力学的概念任何一门科学都是应一定的需要而产生的,断裂力学也是如此。
一提到断裂,人们自然而然地就会联想到各种工程断裂事故。
在断裂力学产生之前,人们根据强度条件来设计构件,其基本思想就是保证构件的工作应力不超过材料的许用应力,即σ≤[σ]~安全设计安全设计对确保构件安全工作也确实起到了重大的作用,至今也仍然是必不可少的。
但是人们在长期的生产实践中,逐步认识到,在某些情况下,根据强度条件设计出的构件并不安全,断裂事故仍然不断发生,特别是高强度材料构件,焊接结构,处在低温或腐蚀环境中的结构等,断裂事故就更加频繁。
例如,1943~1947年二次世界大战期间,美国的5000余艘焊接船竟然连续发生了一千多起断裂事故,其中238艘完全毁坏。
1949年美国东俄亥俄州煤气公司的圆柱形液态天然气罐爆炸使周围很大一片街市变成了废墟。
五十年代初,美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验时发生爆炸。
这些接连不断的工程断裂事故终于引起了人们的高度警觉。
特别值得注意的是,有些断裂事故竟然发生在σ<<[σ]的条件下,用传统的安全设计观点是无法解释的。
于是人们认识到了传统的设计思想是有缺欠的,并且开始寻求更合理的设计途径。
人们从大量的断裂事故分析中发现,断裂都是起源于构件中有缺陷的地方。
传统的设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体,而实际构件中总是存在着各种不同形式的缺陷。
因此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的缺陷而产生的。
因此,给断裂力学下的定义就是断裂力学是研究有裂纹(缺陷)构件断裂强度的一门学科。
或者说是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的一门科学。
断裂力学在航空、机械、化工、造船、交通和军工等领域里都有广泛的应用前景。
它能解决抗断设计、合理选材、制定适当的热处理制度和加工工艺、预测构件的疲劳寿命、制定合理的质量验收标准和检修制度以及防止断裂事故等多方面的问题,因此是一门具有高度实用价值的学科。
材料力学中的断裂行为模拟引言材料的断裂行为在工程实践中具有重要意义。
断裂行为模拟是材料力学领域中一项重要的研究任务,它可以通过数值模拟方法来预测材料在外力作用下的断裂行为。
本文将介绍几种常用的断裂行为模拟方法,并对其原理及应用进行探讨。
第一章:线性弹性断裂力学线性弹性断裂力学是最早也是最简单的断裂行为模拟方法之一。
该方法基于线弹性理论,假设材料的力学性能在整个断裂过程中都保持不变。
通过计算应力、应变和应力强度因子的分布,可以预测材料断裂的位置和破坏形态。
线性弹性断裂力学方法适用于一些低强度、脆性材料的断裂行为模拟,但在考虑材料的非线性本质和高应变速率时效果有限。
第二章:粘弹性断裂力学粘弹性断裂力学是一种结合了线性弹性力学和粘弹性力学的方法。
它考虑了材料在断裂前后的粘性行为,能够更准确地模拟材料断裂行为。
粘弹性断裂力学方法通过定义材料的破坏准则,结合应力、应变和变形率的分析,可以模拟材料破坏的位置和形态。
该方法适用于一些温度较低、高粘性材料的断裂行为模拟。
第三章:强度折减断裂力学强度折减断裂力学是一种基于强度折减准则的方法。
它考虑了材料在局部破坏后的强度减小,能够较好地模拟材料断裂行为。
强度折减断裂力学方法通过计算应力和应力强度因子的变化,来分析材料的断裂位置和形态。
该方法适用于一些中等强度、中高应变率的材料断裂行为模拟。
第四章:塑性断裂力学塑性断裂力学是一种结合了塑性力学和断裂力学的方法。
它考虑了材料在塑性变形后的断裂行为,能够更全面地模拟材料断裂行为。
塑性断裂力学方法通过计算应力和应力强度因子的变化,结合材料的塑性变形分析,来预测材料的断裂位置和形态。
该方法适用于一些高强度、高应变率的材料断裂行为模拟。
结论断裂行为模拟是材料力学领域中的一项重要研究任务。
不同的材料和不同的工况要求使用不同的断裂行为模拟方法。
线性弹性断裂力学、粘弹性断裂力学、强度折减断裂力学和塑性断裂力学都是常用的断裂行为模拟方法。
断裂力学基础目 录第一章 绪论第二章 线弹性断裂力学 第三章 弹塑性断裂力学 第四章 疲劳裂纹扩展第五章 复合型裂纹的脆性断裂理论 附 录 弹性力学基础第一章 绪 论ssss2a2bss2a?一、引例][s s ≤⎪⎭⎫ ⎝⎛+=b a 21maxs s Inglis(1913)用分子论观点计算出绝大部分固体材料的强度103MPa ,而实际断裂强度100MPa ?——材料缺陷第一章 绪论第一章 绪论 二、工程中的断裂事故1.1860~1870英国铁路事故死200人/年;2.1938年3月14日比利时费廉尔大桥断成三节,1947~1950比利时又有14座大桥脆性破坏; 3.美国二次大战期间2500艘自由轮,700艘严重破坏,其中145艘断成两段,10艘在平静海面发生。
同时期大量的战机事故——广泛采用焊接工艺和高强度材料; 4.1954年1月10日英国大型喷气民航客机彗星号坠落,同时期共三架坠落;二、工程中的断裂事故5.1958美国北极星号导弹固体燃料发动机壳体爆炸; 6.1969年11月美国F3左翼脱落; 7.1972年我国歼5坠毁;8.近年来桥梁、房屋、锅炉和压力容器、汽车等第一章 绪论二、工程中的断裂事故 第一章 绪论 二、工程中的断裂事故9.2007年11月2日美国F15 空中解体;第一章 绪论三、断裂力学发展简史1.1913年,C. E. Inglis(英格列斯)将裂纹(缺陷)简化为椭圆形切口,用线弹性方法研究了含椭圆孔无限大板受均匀拉伸问题——按应力集中观点解释了材料实际强度远低于理论强度是由于固体材料存在缺陷的缘故。
2.1921 年,A. A. Griffith(格里非斯)用弹性体能量平衡的观点研究了玻璃、陶瓷等脆性材料中的裂纹扩展问题,提出了脆性材料裂纹扩展的能量准则,成为线弹性断裂力学的核心之一—能量释放率准则。
第一章 绪论 三、断裂力学发展简史3.1955~1957年,G. R. Irwin(欧文)通过对裂尖附近应力场的研究,提出了新的断裂参量—应力强度因子,并建立断裂判据,成为线弹性断裂力学的另一核心—应力强度因子断裂准则。