断裂力学引言.ppt

1 理论性强,本课程以工程断裂力学的有关概念和有关理论为基础，在基本掌握了工程断裂力学的基本理论的基础上，才可能理解压力容器安全评定的有关概念和规范。,2 综合性强,它要求学习者要全面、综合考虑压力容器在设计、制造、使用过程中所遇到的有关问题。考虑材料、制造工艺、设计理论对压力容器安全运行的影响，只有这样，才能灵活地、有效地学好这门课程。,3 是一门理论联系实际的、发展中的科学,1 实例 2 工程断裂力学应用简介,断裂失效的实例传统设计方法的不足：按传统设计方法设计的构件在工作时发生破坏。1979年5月，DC-10宽体客机发动机脱落。20世纪40年代后期，145艘自由轮号万吨轮断成两截，700艘左右严重破坏（共生产2500艘，破坏率33.8%）。,Titanic惨剧的原因：三要素,1 材料因素：采用含硫高的钢板 韧性差，特别是低温呈脆性2 力学因素：冰山冲击 冲击载荷3 环境因素：冰海 低温,发生断裂失效的船体,为什么？传统设计理论的局限,分析：1 传统设计方法认为材料是均质，无缺陷的，各向同性的。2 在这个假设的前提下，对于塑性材料破坏之前必须先发生较大的塑性变形。,断裂力学的产生,实际情况是：对于较高强度的具有一定缺陷的构件，往往发生了脆断，即断裂前没有发生较大的塑性变形。通过观察分析可知，这些断裂是从局部裂纹扩展而成的。判据：不适用于 评判带有裂纹的构件，为了解决这个问题，断裂力学(fracture mechanics)产生了。,断裂力学理论在安全评定中的应用：,应用于宇航、机械、化工、地质诸方面主要解决：裂纹尺寸多大时会发生断裂（破坏）？从小裂纹发展到临界裂纹需要多长时间？对裂纹的应对措施。对材料性能的全面认识，注意到韧性的作用,2 工程断裂力学简介,断裂力学的主要任务韧性断裂与脆性断裂脆性与韧性韧度大韧性破坏裂纹的扩展线弹性断裂力学与弹塑性断裂力学,断裂力学的主要任务,为解决断裂力学应用上述问题，需要找到一个参量，该参量能表征裂纹尖端欲扩展的强度。对该参量的观察与限制能判断裂纹是否扩展或控制裂纹的扩展。这就是断裂力学的主要任务之一。,脆性断裂与韧性断裂 脆性：韧度低（brittle）韧性：韧度高（ductile）脆性断裂：断裂前无明显塑性变形（无颈缩）韧性断裂：断裂前有明显塑性变形（有颈缩）,韧性断裂：断裂前有明显塑性变形,韧度（toughness）,材料在断裂前的变形中吸收能量的能力,脆性断裂断裂前没有明显的塑性变形,脆性断裂与韧性断裂,脆性断裂与韧性断裂,脆性断裂发生突然。韧性断裂从启裂到失稳扩展有一段进程。低温、截面积增大、裂纹长度增大等会增大脆性断裂的可能性。,大塑性破坏：破坏前颈缩至一根线那么细。,裂纹的扩展,静止的裂纹亚临界裂纹扩展，卸载后裂纹扩展停止失稳扩展，100m/s，立即卸载也不一定停止,线弹性断裂力学与弹塑性断裂力学,根据裂纹裂端区的弹塑性情况可分为：1 线弹性断裂力学 linear elastic fracture mechanics（LEFM)2 弹塑性断裂力学 elastic plastic fracture mechanics(EPFM),了解了这些断裂实例和基本概念后，我们知道，压力容器以及其他机械构件存在着大量的非常规设计所“描述”的 所限制的整体失效方式。压力容器失效评定的理论和方法正是在探讨这些“意外”失效的机理和防治方法的过程中发展起来的。,1.3 本课程有关内容对经济社会的意义,本节内容：使“安全性和经济性问题”达到更高层次的一致。可以对经济社会带来更大的经济效益。,1 使“安全性和经济性问题”达到更高层次 的一致,实践证明，理想的、无缺陷的（设计时所理想）状态是没有的。实际工程中总是存在着缺陷，但这些缺陷对压力容器安全性的影响究竟有多大是需要评定的。这种评定使我们可以在更经济的条件下保证压力容器的安全使用。,2 可以对经济社会带来更大的经济效益,因为压力容器价格昂贵，安装要求严格，体积较大，正确评定缺陷的影响，确定合理的检修、更换方案，无疑会带来巨大的效益 因很多设备用于长周期运转，正确评价缺陷的作用将会带来相关的经济效益。,1.4 结构安全评定的过程、方法及发展趋势,评定过程：无损检测，确定缺陷 应力分析，总体应力分析和缺陷部位的应力分析 确定力学性能 断裂力学参数分析(应力强度因子,J积分,COD)，判定危险程度,评定方法,确定性评定方法 概率安全评定方法,压力容器安全评定的发展趋势,进一步完善确定性方法发展概率完全评定方法,