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1、毕业设计（论文）开题报告题 目 含多裂缝缺陷钢梁的强度研究 专 业 工程力学 班 级 2005 级（1）班 学 生 毕晨华 指导教师 周东 重 庆 交 通 大 学一、选题目的的理论价值和现实意义工程建设的规模日渐扩大，结构形式日趋复杂，施工工艺发生了巨大的变化，人们对建筑质量的要求更加严格，在这种形势下，工程结构的裂缝问题变得日益突出。当今，钢结构建筑因具有自重轻、强度高、抗震性能好、节约空间、质量可靠、施工速度快、绿色环保等多方面特殊的优势，在建设工程上得到日益广泛的应用。所以带裂缝钢梁的强度研究很有必要。断裂力学理论和实验的不断发展，使得结构从传统的强度、刚度和稳定的分析及设计发展到可以进
2、行断裂和损伤的分析及设计，所以我们现在可以根据断裂力学进行定量的计算寻求带裂纹钢梁发生断裂时机的新的断裂判据。二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势断裂力学是 20 世纪 50 年代开始形成的。随着航天工业等的发展出现了超高强度的材料，对于这种材料，传统的强度设计已不能满足需要。传统的强度理论把材料和结构看成是没有裂纹的完整体。实际材料和结构中存在着裂纹，但如果材料的强度较低，裂纹的存在对结构安全的影响通常并不明显，由于在设计中采用了一定的安全系数，设计也就能够满足工程需要。但对于高强度材料或处在某些条件下的材料，裂纹的存在会使情况发生根本变化，这就必须考虑材料对于裂纹扩展的抵抗能力,为此引进
3、了材料的断裂韧性这一力学概念,并出现了断裂力学。 在断裂力学出现以前，由于生产知识的积累，人们曾总结出一些材料的韧性指标，如冷脆转变温度、冲击能量等，它们都是一些定性的经验的参量，只能在一定条件下用于评定材料，而不能用于设计。在美国的 G.R.欧文等人的努力下，逐步建立起线弹性断裂力学并进而发展出弹塑性断裂力学，提出了一些描述裂纹扩展的参量,如应力强度因子、J 积分、裂纹张开位移(见 COD 法)等，它们可以定量地用于设计。将它们和传统的强度理论结合起来，可以设计出更安全的工程结构。因此，在航天、核电工程等方面断裂力学的应用越来越广泛。另一方面，由于裂纹顶端的一个很小的区域对于裂纹扩展规律有重
4、要影响,因此,裂纹扩展同材料的一些微观特性，特别是冶金性质（如晶粒大小、二相粒子、位错等）关系极大，这就要求断裂力学在研究中把材料工艺学、冶金学、金属物理学等方面的成果同力学结合起来。随着断裂力学的发展，微观裂纹也已进入研究范围。在研究裂纹扩展规律时，也开始涉及裂纹产生的原因。很多带初始裂纹的构件是用低强度、高韧度材料制成的。在裂纹发生失稳扩展前，裂纹尖端附近已出现了较大范围的塑性区。对这类构件，线弹性断裂力学的分析方法已不适用。按弹塑性断裂力学的观点来判断这种裂纹起始扩展的条件，通常是以裂纹尖端处的张开位移值 达到裂纹开裂时材料的临界值 cr 作为判据。也有时采用在裂纹周围弹塑性区域内一个与
5、积分线路无关的能量线积分 J 达到裂纹启裂时材料的临界值JIc 作为判据。 J 和 这两个参数在线弹性条件下均与应力强度因子 KI 存在着确定的关系。材料的这两个固有的力学性能 cr 和 JIc 可称为材料在弹塑性条件下的断裂韧度值。由于在弹塑性范围内裂纹从启裂到失稳扩展这一过程中，构件的承载能力还有所增长,所以，按启裂时的 cr 或 JIc 进行计算是偏于保守的。近年来,已开始将断裂力学中的参量，例如 K、J、 等，用来描述带裂纹构件在疲劳、蠕变、应力腐蚀等过程中裂纹扩展的规律，据此判定这类构件的使用寿命。这方面的研究已取得了初步的成功，并在飞机结构、反应堆压力容器及管道等方面应用。但对扩展
6、中的裂纹，当其裂纹扩展量较大时，为描述裂纹尖端处的应力、应变及位移场，需用一个新的参量来代替原来常用的 K、J、 等参量才更恰当。对此还有大量的理论和实验工作有待进行。 三、研究重点裂纹对钢梁强度的影响，当裂纹的条数，长度及位置改变后，钢梁的强度会相应发生变化，他们之间存在什么样的关系是我们这个课题的研究重点。 四、主要参考文献1 David Roylance，断裂力学引论，麻省理工学院材料科学与工程系，2001.0614 ; 2 CFRP 加固钢梁的有限元分析， 西安建筑科技大学学报(自然科学版)， 2006.01; 3 庄茁、由小川、岑松，基于 ABAQUS 的有限元分析和应用，清华大学出
7、版社 ; 4 赵 伟、向阳开，三点弯曲梁裂缝应力强度因子有限元分析，重庆交通大学学报2007.10； 5 田佳琳、李庆斌，混凝土 I 型裂缝的静力断裂损伤耦合分析，水利学报 2007.2 6 李红心、邓钦、郑炎，弹塑性条件下应力强度因子 KI 的研究，水利与建筑工程学报 2006.3; 五、指导教师意见指导教师： 六、学院毕业设计（论文）指导小组意见 负责人： 毕业设计（论文）文献综述题 目 含多裂缝缺陷钢梁的强度研究 专 业 工程力学 班 级 2005 级（1）班 学 生 毕晨华 指导教师 周东 重 庆 交 通 大 学2009 年当前工程结构的裂缝问题变得日益突出，而钢结构建筑因具有自重轻、
8、强度高、抗震性能好、节约空间、质量可靠、施工速度快、绿色环保等多方面特殊的优势，在建设工程上得到日益广泛的应用，所以关于带裂缝钢梁强度的研究意义重大。关于断裂裂纹方面的研究方法有 1-3：1.格里菲斯用能量平衡法来预测断裂强度。在应力作用下，当固体材料内裂纹的长度增长至 a 时，在裂纹自由表面附近的区域将卸载，并释放出应变能。应用英格里斯解就能算出有多少应变能。这是由裂纹的扩展而释放的应变能。但在形成裂纹的过程中，必定有键被破坏，所需的键能则被材料有效地吸收了，所以，与裂纹有关的总能量是以下两者之和：其一是正的被吸收的能量，用以形成新的表面；其二是由于裂纹侧面附近的区域卸载而释放的负的应变能。
9、随着裂纹的增长（增大） ，与的平方成正比的应变能最终拥有压倒表面能的优势，当超过临界裂纹长度时，系统将使裂纹变得更长、以降低其能量。在裂纹长度等于临界裂纹长度的临界点处，只有增加应力才会使裂纹继续增长。但当大于时，裂纹的扩展将不受约束、而且是灾难性的。令总能量的导数为零，可得到临界裂纹长度值。但格里菲斯早期的工作研究的是很脆的材料，特别是玻璃棒。当材料表现出更多的塑性时，仅考虑表面能便难以提供精确的断裂模型。对这一不足之处，后来欧文和奥罗万作了部分修正。他们提出：在塑性材料中，许多（实际上是绝大多数）被释放的应变能不是被形成的新表面所吸收，而是由于裂纹尖端附近材料的塑性流动而耗散了。他们还指出
10、：当应变能释放的速率足以补偿所有这些能量损耗时，灾难性的断裂就发生了,用参数 Gc 来表示这一临界应变能释放率。影响断裂过程的有三个重要因素：决定临界应变能释放率 Gc 的材料、应力水平 f、裂纹尺寸 a。在设计时，可在容易发现的最小裂纹的基础上选择 a 值。对于给定的材料，与材料相关的 Gc 值已知，于是可确定应力 f的安全值。结构的尺寸应保证工作应力低于临界值、而且有充足的裕量。2. 有许多种方法可用来测量材料特性。其中一种称为柔度法，该法用到了柔度是变形量与作用的载荷之比的概念。总应变能 U 可用柔度来表示，合适的试样柔度可从试验中测得，它是试样中裂纹长度 a 的函数。于是，将柔度对裂纹
11、长度求偏导数，便可求得应变能释放率。若试样内的裂纹已达到临界裂纹长度，测得使该试样断裂所需的临界载荷，并利用柔度曲线在处的斜率，便可求得临界应变能释放率 Gc。3.应力强度法直接考察尖锐裂纹尖端的应力状态。其参数为应力强度因子 K，在设计和分析中，这些应力强度因子给出了材料裂纹尖端可以承受的应力强度的临界值（称为断裂韧性, 记作 Kc）。一旦超过此值，裂纹将迅速扩展。于是临界应力强度因子就是材料韧性的度量。试样几何尺寸对临界应力强度的影响。材料的韧性、或抵抗裂纹扩展的能力，是由裂纹扩展过程中所吸收的能量决定的。在像窗玻璃这样极脆的材料中，此能量的初值就是打破裂纹平面内化学键的能量；但如前面所提
12、及的，在韧性材料中，键的断裂对阻碍裂纹扩展所起的作用相对较小，绝大部分断裂能量与裂纹尖端附近的塑性流动有关。裂纹尖端附近存在“塑性区” ，为了测得正确的临界应力强度值，塑性区域的尺寸不应过大，以免与试样的自由边界相互影响、或者破坏应力分布的奇异性。在有些重要情况下，材料有足够的塑性，因而无法满足上述准则，这些情况备受人们的关注。此时，不得不抛弃应力强度的观点，而代之以其他技术，如 J 积分或裂纹尖端张开位移法。由 Kc 或 Gc 度量的断裂韧性，本质上就是与裂纹扩展相关的塑性变形程度的度量。材料的塑性流动量与试样的厚度成线性比例关系。因为若材料的厚度减少一半，自然也把塑性变形材料的体积近似地切
13、掉一半。因而韧性随着试样厚度的增加线性地增加（至少在开始时） 。但最终韧性在达到最大值之后就下降到一个较低的值。这种超过某个临界厚度 t 后的韧性损失在防断裂设计中是极其重要的。因为在韧性测试中采用过薄的试样，将得到不切实际的乐观的 Gc 值，按断裂韧性的测试要求，试样的尺寸应使测得的值是最保守的。晶粒尺寸与温度对屈服和断裂应力的影响。钢是一种重要而又广泛应用的结构材料。：低等级的钢材，特别是含有大量杂质（如有空隙的碳夹杂物）的钢材，在低温下很容易变脆。在体心立方晶格的过渡金属（如铁和碳钢等）中，脆性断裂始于晶粒内的位错滑移。材料达到屈服应力 y 时就会发生滑移，位错的传播不能超越晶界，因为相邻晶粒的滑移面通常取向并不一致。于是位错在晶界前塞积，位错塞积的作用和内部裂纹（该裂纹的长度与晶粒尺寸 d 成正比）相似，位错塞积还在周围的晶粒中引起应力集中。随着温度的降低，屈服应力 y 将增大，而断裂应力 f 将减小（因为原子的活动性减少，从而使 Gc 降低） 。因此，零塑性的临界晶粒尺寸值变小，即晶粒必须更小，才能避免材料变脆。同样，细化晶粒尺寸有降低延-脆转变温度的效果。所以，晶粒尺寸的细化不仅提高了屈服和断裂应力、降低了延-脆转变温度；
