线弹性断裂力学
1、概念:
断裂力学:断裂力学是以变形体力学为基础,研究含缺陷(或者裂纹)材料和结构的抗断裂性能,以及在各种工作环境下裂纹的平衡、扩展、失稳及止裂规律的一门学科。
线弹性断裂力学:应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。 2、材料缺陷
实际构件存在的缺陷是多种多样的,可能是冶炼中产生的夹渣、气孔,加工中引起的刀痕、刻槽,焊接时产生的裂缝、未焊透、气孔、咬边、过烧、夹杂物,铸件中的缩孔、疏松,以及结构在不同环境中使用时产生的腐蚀裂纹和疲劳裂纹。在断裂力学中,常把这些缺陷都简化为裂纹,并统称为“裂纹”。 3、裂纹的类型
(1)、按照裂纹的几何特征分类
(a)穿透裂纹:厚度方向贯穿的裂纹。
(b)表面裂纹:深度和长度皆在构件的表面,常简化为半椭圆裂纹。 (c)深埋裂纹:裂纹的三维尺寸都在构件内部,常简化为椭园裂纹。
(2)按照裂纹的受力和断裂特征分类
(a)张开型:(Ⅰ型,opening mode,or tensile mode) 特征:外加拉应力垂直于裂纹面,也垂直于裂纹扩展的前沿线。在外力的作用下,裂纹沿原裂纹开裂方向扩展。
(b)滑开型:(Ⅱ型, sliding mode, or in-plane shear mode) 特征:外加剪应力平行于裂纹面,但垂直于裂纹扩展的前沿线。在外力的作用下,裂纹沿原裂纹开裂方向成一定角度扩展。
(c)撕开型:(Ⅲ 型, tearing mode, or anti-plane shear mode) 特征:外加剪应力平行于裂纹面,也平行于裂纹扩展的前沿线。使裂纹面错开。在外力的作用下,裂纹基本上沿原裂纹开裂方向扩展。 Ⅲ 型是最简单的一种受力方式,分析起来较容易,又称反平面问题。 (d)混合型:( 或复合型,mixed mode ) 经常是拉应力与剪应力同时存在,实际问题多半是Ⅰ+Ⅱ,Ⅰ+Ⅲ,Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ 等,从安全的角度和方便出发,将混合型问题常做简化看成Ⅰ型处理。 (3)按裂纹形状分类
根据裂纹的真实形状,一般可以分为圆型、椭圆型、表面半圆型、表面半椭圆型,以及贯穿直裂纹等。 4、裂纹对材料强度的影响
具有裂纹的弹性体受力后,在裂纹尖端区域将产生应力集中现象。 受拉板,若无裂纹时,它的应力流线是均匀分布;当存在一个裂纹时,应力流线在裂纹尖端附近高度密集,但这种集中是局部性的,离开裂纹尖端稍远处,应力分布又趋于正常。
现考虑一“无限大”薄平板,承受单向均匀拉应力作用,板中存在贯穿椭圆型切口,其长轴2a,短轴2b。