断裂可靠性问题.ppt
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1、2023/11/6,东北大学机械工程与自动化学院现代设计与分析研究所断裂可靠性问题,1,断裂可靠性问题,东北大学机械工程与自动化学院现代设计与分析研究所何雪浤,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,2,断裂可靠性问题,问题的由来;断裂力学的基本概念和方法;断裂可靠性分析。,常规机械设计的一般方法;常规强度设计中的问题及其解决方法。,线弹性断裂力学的基本理论;线弹性断裂力学的工程应用:静强度中断裂准则的应用;损伤容限设计。,静载抗断裂的可靠度;变载抗断裂的可靠度;变载抗断裂的可靠寿命。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,3,1.
2、常规机械强度设计的一般方法,常规机械设计应用 静强度设计:拉、弯、扭、疲劳强度设计:对称、脉动、,应力计算、实测,许用应力由材料、结构及工况规定,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,4,常规强度设计中的问题,应力分析中的不确定因素外载荷的不确定尺寸因素的不确定材料特性的不确定实际应用大于1的安全系数设计基本思想(理想)连续体永不破坏(或规定条件),问题一变量是确定的,问题二物体是连续无缺陷的,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,5,问题一的解决概率法机械设计,将设计变量视为随机变量,保证所设计的零件具有指定的可靠性指标。,20
3、23/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,6,应力强度干涉模型,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,7,应力、强度不同分布下的可靠度,(1)应力和强度都是指数分布时应力分布函数强度分布函数 可靠度,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,8,应力、强度不同分布下的可靠度,(2)应力和强度都是正态分布时应力分布函数l 强度分布函数 s 由联系方程求ZR,查正态分布表求可靠度,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,9,应力、强度不同分布下的可靠度,2023/11/6,断裂可靠性问
4、题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,10,问题二与工程现实,谁对空难负责?1979年,美国历史上最大的空难事件,270多人 原因:联接发动机和机翼的连接件发生了断裂历史的回顾铁路:英国,车轮、车轨、轨道断裂桥梁:比利时,4年14起轮船:二次大战,美货轮、油轮,焊接飞机:英国“彗星”号导弹:美国“北极星”压力容器航天飞机、,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,11,事故的共同特点,破坏时的工作应力远远低于材料的屈服极限;破坏的主要原因在于实际结构材料中存在各种缺陷或裂纹,这些裂纹的存在显著地降低了结构材料的实际强度。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学
5、机械工程与自动化学院何雪浤,12,问题二的解决损伤容限设计,损伤容限设计就是以断裂力学为理论基础,以无损检验技术和断裂韧度的测量技术为手段,以有初始缺陷或裂纹零构件的剩余寿命估算为中心,以断裂控制为保证,确保零构件在其服役期内能够安全使用的一种疲劳设计方法。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,13,损伤容限设计的基本思想,设计思想:允许零件有初始缺陷,或在服役过程中出现裂纹,产生破损,但在下次检修之前应保持一定的剩余强度,能够正常使用,直到下次检修予以发现、修复或更换。关键问题:如何估算裂纹扩展寿命(静载下的剩余强度?),断裂力学,2023/11/6,断裂可
6、靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,14,2 断裂力学的基本理论,什么是断裂力学?含裂纹体的强度理论。定量地研究承载体由于含有一条主裂纹发生扩展(包括静载及疲劳载荷下的扩展)而产生失效的条件。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,15,2 断裂力学的基本理论,断裂力学的目的:研究材料或结构的裂纹扩展(萌生)的动力和阻力 断裂准则及其适用范围和适用条件 应用于复杂结构的分析:裂纹起裂、扩展到失稳过程估算含裂纹结构的寿命:疲劳问题,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,16,2 断裂力学的基本理论,断裂力学涉及力学、材料学和
7、工程应用的许多问题,可用于处理:结构形式已定,裂纹的情况已知,该结构的承载能力如何?(剩余强度)结构形式已定,外载荷已知,允许最长的裂纹为多少?(损伤容限)已知结构裂纹的情况、损伤容限(允许最长的裂纹)和外载荷,如何计算结构允许使用的时间?(剩余寿命疲劳裂纹扩展寿命)选择材料。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,17,2 断裂力学的基本理论,2.1 裂纹的基本类型2.2 裂纹尖端应力场分析及应力强度因子2.3 脆性断裂的K准则2.4 工程应用中的断裂问题,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,18,2.1 裂纹的基本类型,张开
8、型(I),滑开型(),撕开型(),2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,19,三种基本断裂类型的实例,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,20,叶轮中的I型裂纹,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,21,联接螺栓中的II型裂纹,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,22,2.2 裂纹尖端应力场分析及应力强度因子,裂纹尖端应力应变场分析方法:按弹性理论;分析边界条件;求解应力场和位移场裂纹尖端应力场的一般表达式:,中心贯穿裂纹无限大板,2023/11/6,断裂可靠性
9、问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,23,2.2 裂纹尖端应力场分析及应力强度因子,改变裂纹类型后的应力应变场分析结果:应力强度因子的一般表达式:,应力强度因子,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,24,2.2 裂纹尖端应力场分析及应力强度因子,应力场分析结果讨论一裂纹尖端附近区域的应力分布是位置坐标的函数,与无限远处的应力大小和裂纹长度无关;应力在裂纹尖端出现奇异点;结论一应力不适宜作为建立强度条件的物理参量。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,25,2.2 裂纹尖端应力场分析及应力强度因子,应力场分析结果讨论二应力强
10、度因子在裂纹尖端是一个有限量;应力强度因子是裂纹尖端应力应变场强度的度量;应力强度因子的临界值是材料本身的固有属性。结论二利用应力强度因子建立破坏条件是适当的。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,26,2.3 脆性断裂的K准则,(1)应变能释放率与G准则分析原理:能量法,应变能释放率,裂纹扩展需要吸收的能量率,扩展,稳定,临界,裂纹临界条件:G准则,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,27,(1)应变能释放率与G准则,无限大板受拉伸实例,临界条件,临界应力,临界裂纹长度,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自
11、动化学院何雪浤,28,(1)应变能释放率与G准则,关于G准则的讨论GIc是材料常数,表征材料对裂纹扩展的抵抗能力,由实验来确定。上述工程应用实例适用于脆性材料。金属材料的G准则:应变能释放率=形成新表面所需表面能+裂纹扩展所需塑性变形能。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,29,(2)应力强度因子与应变能释放率之间的关系,在讨论线弹性断裂问题时,应用G和K为参数是等价的。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,30,(3)K准则的表达及物理意义,K准则的一般表达式:KI和KIc的物理意义KI:应力强度因子,计算得到。KIc:断
12、裂韧性:材料抵抗脆性断裂的能力。KIc的试验获得平面应变断裂韧性试验,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,31,平面应变断裂韧性的测定,1.试样及其制备 用于测定KIc 的标准试样主要采用三点弯曲和紧凑拉伸试样。为引发裂纹,可先用线切割加工宽度0.13mm的切口,然后用高频疲劳试验机预制长度1.3mm的疲劳裂纹。疲劳预制中的Kmax应小于0.6KIc,特别是在最终达到要求裂纹长度时,应尽量减小负荷,以保证裂纹有足够的尖锐度。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,32,两种典型的断裂韧性试样,(a)三点弯曲(b)紧凑拉伸,202
13、3/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,33,平面应变断裂韧性的测定,2.测试设备和方法测试的装置如图所示。测试时,通过载荷传感器和位移传感器以及动态电阻应变仪和函数记录仪,连续记录负荷F和裂纹嘴张开位移v,从而得到Fv曲线。由此曲线如果能定出临界载荷Fc以及由断口上测定的裂纹长度a,代入确定的KIc计算公式,就可以求得材料的断裂韧性KIc值。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,34,KIc测试装置系统,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,35,2.4 工程应用中的断裂问题,问题一:复合型断裂问题,I
14、、I+III,I+II,I+II+III,I+II+III,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,36,复合型断裂问题复合型断裂准则,复合型断裂准则要面临的问题:裂纹类型的复杂性;裂纹开裂方向的不确定性;复合型问题的研究目的:裂纹沿什么方向开裂(开裂角)?裂纹在什么条件下开裂(断裂准则)?复合型断裂准则:以应力为参数;以位移为参数;以能量为参数;,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,37,几个重要的复合型断裂准则,最大应力准则;应变能密度准则;应变能释放率准则;工程经验公式;,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与
15、自动化学院何雪浤,38,最大应力准则,基本假定:裂纹沿最大周向应力的方向开裂;当此方向的周向应力达到临界值时,裂纹失稳扩展;基本方法:裂纹尖端应力场叠加,并表达成极坐标形式;寻找周向应力最大的方向;由I型裂纹开裂条件给出裂纹临界失稳的条件。局限性:没有综合考虑其它应力分量的影响;不能区分广义的平面应力和平面应变问题。,2023/11/6,断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤,39,应变能密度因子准则,基本方法:综合考虑裂纹尖端附近六个应力分量的作用,计算出裂纹尖端局部的应变能密度;比较以裂纹尖端为圆心的同心圆上的局部应变能密度,并由此提出裂纹失稳开裂的判据;基本假设:裂纹沿应变能密
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