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1、第第1010讲讲 典型结构断裂特性分析典型结构断裂特性分析 2 2 本讲内容 3 2 1 加劲板结构的断裂分析 焊接结构中的断裂问题 壳体结构断裂特性分析 4 提高结构损伤容限特性的措施 3 3 加劲板结构的断裂分析 加劲板剩余强度和裂纹扩展规律研究在飞机 损伤容限设计中具有重要意义。对于加劲板的断 裂特性研究必须回答以下问题： 加劲板与非加劲板断裂特性的差异？ 加劲板的剩余强度如何变化？ 加劲板中裂纹扩展如何计算？ 4 4 非加劲板的断裂特性 含裂纹非加劲板P曲线线具 有明显显的非线线性特性，产产生 非线线性的两个原因： (1) 塑性变变形； (2) 裂纹纹出现亚临现亚临 界扩扩展 5 5
2、非加劲板的剩余强度曲线 工程上用初始裂纹长度a0在裂纹扩展过程中所承受的最大载荷C 表示非加劲板的剩余强度，其所对应的应力强度因子称为表观断 裂韧性KAPP。 6 6 加劲板的断裂特性 加劲板的组成：面板；桁条；铆钉 分析对象： Q 面板等厚度(t)，无限大 Q 含有等间间距(S)平行的加强桁条 Q 两桁条之间间的面板含有长为长为2a的中心穿透裂纹纹 Q 无穷远处穷远处，面板上载载荷为为，横条上载载荷ES/E 7 7 加劲板的断裂特性 无裂纹时纹时 Q面板与桁条应变应变 相同，铆钉铆钉 不受力 面板中出现现裂纹纹后产产生两个效果 Q降低了面板中裂纹纹尖端的应应力强度因子 Q增加了桁条内的载载荷
3、 含裂纹纹加劲劲板的断裂特性用应应力强度因子降低系数C 和桁条载载荷集中系数L表示。 C和L与a/s,桁条面积积、材料和形状、铆钉间铆钉间 距和材 料等因素有关。 8 8 加劲板C和L随裂纹长度的变化关系 强桁条从开裂蒙皮上传递的载荷较多，裂纹尖端的应力 强度因子较小，故C较小，而其从蒙皮取得的载荷相对 自身已经承担的载荷来说相对较小，故其L也较小。 9 9 桁条远离裂纹尖端时K下降不明显，当裂尖靠近桁条时 K下降较多，裂纹通过桁条时下降最多。 刚度比越大则C越小。桁条对应力强度因子下降越明显 C随a/s和的变化关系 1010 L随裂纹长度的增加而增加，裂纹较长时L达到极值； L的极值与有关，
4、 较小时承载最大的桁条的应力比 远处桁条的应力要大得多。 L随a/s和的变化关系 1111 越靠近裂纹的铆钉受的力越大，当裂纹很短时，铆钉力 很小； 裂纹长度不超过一个桁条间距时，桁条的刚度越 大铆钉力也越大。 铆钉力(最靠近裂纹)随a/s和的变化关系 1212 加劲板的剩余强度曲线 加劲板的剩余强度与面板和桁条的刚度比有关。 弱桁条加劲板弱桁条加劲板中，要以相当大的桁条应力集中才能 换取不大的应力强度因子减小。因此，总是桁条首 先失效，然后造成整个壁板断裂。 强桁条加劲板强桁条加劲板中，裂纹尖端应力强度因子降低很多 的情况下桁条的应力集中仍然很小。因此，加劲板 的破坏是主要由于平板的快速断裂
5、造成。 1313 弱桁条加劲板的剩余强度 小尺寸裂纹：裂纹扩展沿ABCD，桁条未能阻止裂纹扩展 中尺寸裂纹：裂纹扩展沿KLMNH，桁条在N点起到止裂作用 长尺寸裂纹：裂纹扩展沿EFGH，桁条止裂作用明显，扩展稳定 1414 强桁条加劲板的剩余强度 裂纹长为2a时，裂纹沿ABCDE扩展，E点所对应的载荷即为 小于桁条间距的裂纹所对应的剩余强度的下限值。 1515 考虑连接件破坏时 载荷通过连接件从板传递到桁条，在裂纹两侧的连接件载荷较高，容易产生 破坏。连接件破坏会降低桁条的有效性。 构件沿EFGKKH破坏，连接件首先破坏，然后桁条破坏。 1616 C和L的计算方法 作为弹性力学平面问题求解，解
6、出裂纹尖端应力场 集中系数法，将加劲板简化为板和杆组成的网络 将铆钉力作为未知数的方法，工程中经常采用 Q 应用平衡条件以及桁条和面板在铆钉处位移相等求得 1717 加劲板的止裂方法 止裂有两个重要内容： 对疲劳裂纹的限制 限制裂纹失稳快速扩展 止裂的三种途径： 减小裂纹尖端的应力强度因子，如加止裂带 减小应力集中系数，如加止裂孔； 引进残余压应力，如采用预挤压、喷丸强化等 1818 本讲内容 3 2 1 加劲板结构的断裂分析 焊接结构中的断裂问题 壳体结构断裂特性分析 4 提高结构损伤容限特性的措施 1919 壳体结构断裂特性分析 飞机的机身、火箭的外壳、核反应堆的储箱、船 舶和压力容器等都
7、是由曲板和壳体结构组成的。这些 大型结构的断裂分析和控制具有重要意义。 两类典型结构 加劲薄壳结构 压力容器 2020 加劲薄壳结构断裂分析 加劲薄壳结构分析的关键是其应力强度因子的计算， 在同样材料平板应力强度因子的基础上，考虑到各种 影响因素的修正得到。并且在线弹性范围内，这些影 响可以分开来处理。 2121 曲率的影响 对于曲率不大的扁球薄壳压力容器，采用修正系数MF考虑曲 率的影响 2222 裂纹边缘失稳或内压鼓出的影响 鼓出是由于裂纹边缘的拉伸应力的消失造成的。由于鼓出 引起的裂纹尖端的局部弯曲而增大应力强度因子。裂纹的 边缘失稳或内压鼓出将使临界断裂应力降低20%30% 。 232
8、3 平行于裂纹的轴向应力的影响 无加强桁条时，轴向应力使得内压造成的边缘失稳或内压 鼓出减轻，从而使应力强度因子降低。 有加强桁条时，桁条阻止平 板材料在垂直裂纹方向的收 缩，桁条承受压缩应力，板 在铆钉处收到拉伸载荷，增 加了应力强度因子。 2424 横向加强件的约束作用 横向加强件使加劲板附近的面板处于双向受拉状 态，使得裂纹边缘失稳或内压鼓出减轻，从而使应力 强度因子降低。 2525 压力容器的设计准则 含裂纹压力容器有两种失效模式： 脆断穿透前到达临界尺寸断裂韧性控制 断裂前渗漏穿透前未到临界尺寸强度控制 为了减小压力容器危害性，在高压状态下工作的 容器一般根据“断裂前渗漏”准则设计。
9、 2626 Irwin的“破裂前渗漏”准则 设计应力水平下的临界裂纹尺寸大于容器的壁厚，即表面 裂纹穿透壁厚而等于两倍壁厚的穿透裂纹时，此时临界载荷恰 好等于设计的名义应力，则裂纹仍是稳定的。 应用此准则结合强度准则确定壁厚及选择合适材料，以满 足屈服强度和断裂韧度的要求。 2727 本讲内容 3 2 1 加劲板结构的断裂分析 焊接结构中的断裂问题 壳体结构断裂特性分析 4 提高结构损伤容限特性的措施 2828 焊接引起的后果 Q 焊接高温引起结构内部缺陷 Q 结构内部产生较高的残余应力 Q 焊接改变了原来结构的金属特性 2929 焊接结构要重点考虑的问题 焊接部位经常是裂纹萌生的危险部位 焊
10、缝附近区域材料力学性能的变化 焊接引起的残余应力的影响 温度对焊接结构的脆断的影响 3030 本讲内容 3 2 1 加劲板结构的断裂分析 焊接结构中的断裂问题 壳体结构断裂特性分析 4 提高结构损伤容限特性的措施 3131 工艺措施 在结构开孔及断面突变的应力集中部位，容易发 生构件的疲劳断裂破坏。为了提高结构件的抗疲劳/ 断裂能力，常采用以下工艺措施： 结构钉孔的挤压强化； 零件表面的喷丸强化； 干涉配合； 3232 结构钉孔的挤压强化 挤压强化消除了机械划伤和微观裂纹等缺陷，产生了塑性变形和 残余压应力，降低了实际承受的应力水平和裂纹扩展速率，提高 了结构的疲劳寿命。 挤压强化是利用硬质
11、材料挤压棒对已预加 工孔的内表面施加压 力，以光整和强化孔 的内表面。 3333 零件表面的喷丸强化 喷丸强化在结构内产生“循环应变层”，该层内产生组织变化和 残余压应力，改善零件表面的完整性，从而提高疲劳断裂和应力 腐蚀断裂抗力。 喷丸强化是以高 速弹丸喷射金属 表面，使表面金 属发生塑性变形 。 3434 采用干涉配合 连接件和孔之间采用干涉配合，使孔周围产生预应力。高 干涉配合情况，平均应力降低，应力幅值降低，提高结构疲劳 寿命有益。 3535 设计措施改善损伤容限特性 初步设计阶段的损伤容限设计考虑 Q 有效的结构布局 传力路线不宜过于集中 部件连接时交点不宜太少 合理配置加劲板结构参数 Q 结构材料的选择 综合强度和韧性要求 注意材料裂纹扩展的特点 全面考虑其他特性，尤其是抗腐蚀特性 Q 总体应力水平控制 3636 详细设计阶段的损伤容限设计考虑 Q 通过精巧的细节设计降低应力集中系数，可 在不增加重量的情况下满足损伤容限要求 Q 尽量避开腐蚀区。通过油箱密封、蘸胶湿装 配和涂层保护等方法避开腐蚀环境 Q 合理选用紧固件 不需要的拆卸的部位可以采用干涉连接； 需要拆卸的部位采用间隙配合，但对配合 精度有要求，夹紧力大小非常重要。 设计措施改善损伤容限特性
