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1、断裂力学 热疲劳 可靠性,2,年代,设计水平,1900,2000,1800,断裂力学,线弹性断裂力学（LEFM ）弹塑形断裂力学（EPFM）断裂力学包括疲劳断裂，腐蚀疲劳断裂，高温蠕变断裂等专门课题,裂纹扩展前裂纹尖端无塑性区，或塑性区范围尺寸较之裂纹长度小得多。,裂纹尖端塑性区尺寸增大到与裂纹长度同一量级或更大。,线弹性断裂力学(LEFM),根据几何特征：穿透裂纹，表面裂纹，深埋裂纹 根据裂纹受力和断裂特征：如下1，2，3型（1型最多见）,1 型,2 型,3 型,确定裂纹失稳扩展的物理量 K：应力强度因子（K准则） G：能量释放率（G准则） *K准则 *G准则 右端是材料抵抗宏观裂纹失稳扩展
2、的韧性参数，是材料本身物理属性，由实验定出。,线弹性断裂力学准则,弹塑性断裂力学(EPFM),LEFM得到成功应用的同时，也受到很大的限制，在金属裂纹尖端，由于高度应力集中，总会存在塑性区。除了裂纹尖端塑性区比裂纹尺寸小得多的小范围屈服仍然可采用LEFM准则外，当裂纹尖端塑性区尺寸已接近或显著超过裂纹尺寸，LEFM准则不再试用，而必须采用弹塑性断裂准则。,弹塑性断裂力学准则,裂纹张开位移准则（COD准则） 优点：简单有效地解决实际问题 缺点：COD不是直接的严密的应力、应变场参量，COD本身的确定尚未统一且难以测量 J积分准则 优点：定义明确，理论上严密的应力、应变场参数，易于计算，试验测定较
3、简单可靠 缺点：理论基础是全量理论，而非增量理论，在理论上和应用上带来了限制,J积分准则,表达式 W是平面体内的应变能密度 适用于弹性体和塑性体的单调加载（无卸载）情况 线弹性范围，J与G等价 J积分守恒性：与积分路径无关 前提：不允许卸载；小变形；无体积力,疲劳裂纹扩展,疲劳破坏几个阶段 （a）裂纹成核阶段 （b）微观裂纹扩展阶段，也称为裂纹扩展的第一阶段 （c）宏观裂纹扩展阶段，一般认为裂纹长度从0.1mm扩展到临界裂纹长度，为宏观裂纹扩展阶段，又称第二阶段 （d）断裂阶段,疲劳裂纹扩展速率,应力循环N次后，裂纹扩展量为a，a/N称为疲劳裂纹扩展速率。极限情况下，用da/dN表示。 1.应
4、力疲劳：高循环，低载荷，裂纹扩展速率低（ da/dNrs 2.应变疲劳：高应力，低循环，裂纹扩展速率高（ da/dN10-2mm/次），ars Paris半经验公式：,疲劳设计方法,无限寿命设计：不萌生裂纹，SaSf，裂纹不扩展：KKth 有限寿命设计：依据S-N、-N曲线和Miner理论、相对Miner理论进行。 损伤容限设计：考虑裂纹，以检查保安全。 耐久性经济寿命分析：考虑裂纹群及其扩展，考虑使用载荷下的结构损伤状态，考虑维修经济性。,热疲劳（thermal fatigue）,热应力零件各部分受热不同，温度不同，产生的变形也不同，零件材料产生变形的金属与变形小的金属或未产生变形的金属相互
5、约束和牵制而产生由温差引起的应力，即热应力。零件内外表面温差、同一截面上中心与边缘的温差均会产生热府力，高温面(或处)产生压应力，低温(或处)产生拉应力。,热疲劳零件在循环热应力反复作用下产生的疲劳破坏。高温对热疲劳的影响：在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织结构变化，降低了材料的热疲劳抗力；高温促使表面和裂纹尖端氧化甚至局部熔化，加速热疲劳破坏；零件截面上存在温度梯度，特别是厚壁零件温度梯度更大，在温度梯度最大处造成塑性应变集中，促进热疲劳破坏的发生。另外，高温引起蠕变现象。,形成扩展机理：热疲劳裂纹在受热表面热应变最大区域形成，一般有几个疲劳裂纹源，裂纹沿表面垂直受热方向扩展，并向表面内
6、纵深方向发展。 影响因素：热疲劳裂纹与循环温差、零件表面缺口状态以及材料有关。循环温差越大、表面缺口越尖锐，就越容易发生热疲劳。金属材料的热疲劳抗力不但与材料的导热性、比热等热力学性质有关，而且与弹性模量E、屈服极限s等力学性能有关。所以导热性差的脆性材料，如灰口铸铁容易发生热疲劳破坏。,提高材料热疲劳抗力的途径主要有: (1)尽可能地减少甚至消除零件上的应力集中和应变集中； (2)提高材料的高温强度； (3)提高材料的塑性； (4)降低材料的热膨胀系数。,可靠性,可靠性：系统或部件在给定的使用期间，在给定的环境中，顺利地完成原计划功能的概率。用概率作为定量来表达可靠性时，这个概率称为可靠度。
7、 F(t)表示在期间t时结构发生失效的概率，即累积失效分布函数，R(t)表示期间t时结构存活的概率，即可靠度函数，f(t)表示失效密度函数，h(t)表示瞬时失效率，即风险函数，则有如下关系：,最后一式为可靠度的一般表达式,概率断裂力学（PFM）,可靠性原理引入到断裂力学中，形成断裂力学一个新的分支概率断裂力学（Probability Fracture Mechanics） 常用分布：正态分布 威布尔分布 以K准则为例推导出可靠度R的一般表达式为（任意分布）:给定分布时，可由上式求得可靠度。,疲劳可靠性,随机载荷下的疲劳可靠性分析 疲劳裂纹扩展可靠性主要考虑初始裂纹的深度a0和长度2c0，初始裂
8、纹角度H0，疲劳载荷T，材料裂纹扩展参数C和m,裂纹扩展门槛值Kth以及断裂韧度K1c的随机性影响。,在疲劳载荷作用下,经过一定的使用寿命后,结构的初始裂纹a0扩展到裂纹尺寸a时,结构的安全性指标常用应力强度因子K或J积分、裂纹长度a、剩余强度S或剩余寿命来判断,其中裂纹扩展剩余寿命N相对于a和K ,更易于测量,并且其分布规律的认识较为统一,基本上认为其服从对数正态分布或威布尔分布。其可靠性模型表征为：R=PNN* 式中: N*为指定或要求的扩展寿命。,ABAQUS 中的热传导特性- 稳态响应- 瞬态响应 ， 包括自适应时间步长- 全套热传导边界条件- 材料属性（和载荷）可以是温度相关- 热“接触”允许在“接触表面”有热流动- 可以方便的将温度场导入热应力分析中- 特性 潜热项（由相变产生） 强制对流 应力-热传导耦合分析功能 热传导壳单元(沿厚度方向温度梯度) 空腔辐射(加热炉升温)功能,ABAQUS 不能做什么ABAQUS 不是专业热传导分析软件 无流体分析 无自由对流 无浮力驱使流动 对热冲击问题无自适应网格划分 无逆传热分析,热传导例子,温度场与时间关系,温度引起的热应力,
