机械强度分析

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绪论宏观断裂力学细观断裂力学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疲劳强度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，20032.黄克智余寿文,弹塑性断裂力学,清华大学出版社,19873.杨卫，宏微观断裂力学，国防工业出版社，19954.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第一阶段（16世纪末---第二次世界大战前）第二阶段（第二次世界大战结束---20世纪末）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以强度理论为中心的破坏准则体系；不引入任何缺陷尺度；材料本构行为的连续介质描述；推动了变形体力学的发展以断裂韧性理论为中心的破坏准则体系；引入宏观缺陷，但不考虑细-微观缺陷；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追溯从变形、损伤至断裂的全过程；引入多层次的缺陷几何结构；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。材料力学应用强度理论强度指标强度分析1bsCCkfNf,,评定选材寿命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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01－构件危险点的最大拉应力1－极限拉应力，由单拉实验测得b001b断裂条件b1n强度条件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。01－构件危险点的最大伸长线应变1－极限伸长线应变，由单向拉伸实验测得01123[()]/E0/bE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][)(321nb断裂条件EEb)]([1321b)(321即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。0max最大切应力理论（第三强度理论）－构件危险点的最大切应力max－极限切应力，由单向拉伸实验测得00/2smax13()/2屈服条件s13sn强度条件低碳钢拉伸低碳钢扭转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%。2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。0ddvv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dv－形状改变比能的极限值，由单拉实验测得0dv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。形状改变比能理论（第四强度理论）四种常用的强度理论,11[]r,2123()[]r强度理论的统一表达式：[]r相当应力,313[]r四种常用的强度理论传统强度理论的弊端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；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；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；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响应阻力应用裂纹扩展准则Ci奇异场控制参量选材工艺维修缺陷评定TCKRRCiCiICTJJJK,,,...,afNTTfifCCi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20世纪初，英国科学家A.A.Griffith建立了脆断理论的基本框架；20世纪50年代，G.Irwin完成了应力强度因子理论的基本框架；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；•GriffithAA.Thephenomenaofruptureandflowinsolids.Phil.Trans.,Ser.A.1920,221:163-198.•GriffithAA.Thetheoryofrupture.Proc.oftheFirstInt.Congr.ForAppl.Mech.Delft,1924,55-63.•InglisCE.Stressesinaplateduetothepresenceofcracksandsharpcorners.Trans.NavalArch.,1913,55:219-241.•IrwinGR.Analysisofstressesandstrainsneartheendofacracktransversingaplate.J.Appl.Mech.,1957,24:361-364.•DugdaleDS.Yieldinginsteelsheetscontainingslits.J.Mech.Phys.Solids.1960,8:100-108.•BarenblattGI.Themathematicaltheoryofequillibriumcracksinbrittlefracture.Adv.Appl.Mech.V.7.NewYork:AcademicPress,1962.55-129.•WellsAA.Applicationoffracturemechanicsaandbeyondgeneralyielding.BritishWeldingJ.,1963,10:563-570.宏观断裂力学发展史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；•RiceJR.Apathindependentintegralandtheapproximateanalysisofstrainconcentrationbynotchesandcracks.J.Appl.Mech.,1968,35:379-386.•HutchinsonJW.Singularbehaviorattheendofatensilecracktipinahardeningmaterial.J.Mech.Phys.Solids,1968,16:13-31.•RiceJR,RosengrenGF.Planestraindeformationnearacracktipinpower-lawhardeningmaterial.J.Mech.Phys.Solids,1968,16:1-12.Griffith脆断理论MotivationGriffith'sworkwasmotivatedbytwocontradictoryfacts:13June1893–13Oct1963EnglishengineerThestressneededtofracturebulkglassisaround100MPa(15,000psi).Thetheoreticalstressneededforbreakingatomicbondsisapproximately10,000MPa(1,500,000psi).12FEb表面能密度晶格间距杨氏模量材料的理论强度Aflawwouldpropagateinastressedmaterialonlywhen,bydoingso,itbroughtaboutareductioninelasticallystoredenergyWmorethansufficienttomeetthefreeenergyrequirementsofnewlyformedfracturesurfaces.TheoryGriffith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,SirCharlesEdward(1875–1952),civilengineerIn1913hepublishedapaperonthestressesinaplateduetothepresenceofcracksandsharpcorners.Thismaywellbehismostfar-reachingcontribution,sinceA.A.Griffith'sclassicexplanationofthediscrepancybetweenobservedandcalculatedstrengthsofamorphoussubstances,suchasglassandsilicafibres,wasbasedonit.Griffith脆断理论脆性介质开裂过程的叠加示意图Griffith脆断理论热力学第一定律---储存在介质中的内能---介质的表面能---介质的动能---外力功率---传热功率简化后续推导的假定和条件：（1）近似绝热假设，即开裂过程的总体热交换可忽略（2）假定开裂过程为准静态过程（3）固定位移加载（4）介