《断裂可靠性问题1模板》由会员分享，可在线阅读，更多相关《断裂可靠性问题1模板（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2024/7/25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东北大学机械工程与自动化学院现代设计与分析研究所现代设计与分析研究所何雪浤何雪浤2024/7/25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u问题的由来；的由来；u断裂力学的基本概念和方法；断裂力学的基本概念和方法；u断裂可靠性分析。断裂可靠性分析。常规机械设计的一般方法；常规机械设计的一般方法；常规强度设计中的问题及其常规强度设计中的问题及其解决方法。解决方法。线弹性断裂力学的基本理论；线弹性断裂力学的基本理论；线弹性断裂力学的工程应用：线弹性断裂
2、力学的工程应用： 静强度中断裂准则的应用；静强度中断裂准则的应用； 损伤容限设计损伤容限设计。静载抗断裂的可靠度；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度 ；变载抗断裂的可靠寿命变载抗断裂的可靠寿命 。2024/7/25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. 常规机械强度设计的一般方法常规机械强度设计的一般方法u常常规机械机械设计u应用用q 静静强度度设计：拉、弯、扭、：拉、弯、扭、q 疲疲劳强度度设计：对称、脉称、脉动、应力计算、实测计算、实测许用应力由材料、结构由材料、结构及工况规定及工况规定2024/7/25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、4常规强度设计中的问题常规强度设计中的问题u应力分析中的不确定因素应力分析中的不确定因素q外载荷的不确定外载荷的不确定q尺寸因素的不确定尺寸因素的不确定q材料特性的不确定材料特性的不确定u实际应用实际应用q大于大于1的安全系数的安全系数u设计基本思想（理想）设计基本思想（理想）q连续体连续体q永不破坏（或规定条件）永不破坏（或规定条件）问题一问题一变量是确定的变量是确定的问题二问题二物体是连续无缺陷的物体是连续无缺陷的2024/7/25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u将设计变量视为随机变量，保证所设计的零件将设计变量视为随机变量，保证所设计的零件具
4、有指定的可靠性指标。具有指定的可靠性指标。2024/7/25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2024/7/25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u（1） 应力和力和强度都是指数分布度都是指数分布时q应力分布函数力分布函数q强度分布函数度分布函数 q可靠度可靠度 2024/7/25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u（2）应力和力和强度都是正度都是正态分布分布时q应力分布函数力分布函数l q强度分布函数度分布函数 s q由由联系方程求系方程求ZR，查正正态分布表求可靠度分布表
5、求可靠度 2024/7/25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2024/7/25断裂可靠性问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u谁对空空难负责?q1979年，美国年，美国历史上最大的空史上最大的空难事件，事件，270多人多人 q原因：原因：联接接发动机和机翼的机和机翼的连接件接件发生了断裂生了断裂u历史的回史的回顾q铁路：英国，路：英国，车轮、车轨、轨道断裂道断裂q桥梁：比利梁：比利时，4年年14起起q轮船：二次大船：二次大战，美，美货轮、油、油轮，焊接接q飞机：英国机：英国“彗星彗星”号号q导弹：美国：美国“北极星北极星”q压
6、力容器力容器q航天航天飞机、机、2024/7/25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事故的共同特点事故的共同特点事故的共同特点事故的共同特点u破坏破坏时的的工作工作应力力远远低低于材料的屈服极限；于材料的屈服极限； u破坏的主要原因在于破坏的主要原因在于实际结构材料中存在构材料中存在各种各种缺陷或裂缺陷或裂纹，这些裂些裂纹的存在的存在显著地降低了著地降低了结构材料的构材料的实际强度。度。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学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u损伤容限容限设计就是以断裂力学就是以断裂力学为理理论基基础，以，以无无损检验技技术和断裂和断裂韧
7、度的度的测量技量技术为手段，手段，以以有初始缺陷或裂有初始缺陷或裂纹零构件的剩余寿命估算零构件的剩余寿命估算为中心，以断裂控制中心，以断裂控制为保保证，确保零构件在其服，确保零构件在其服役期内能役期内能够安全使用的一种疲安全使用的一种疲劳设计方法。方法。 2024/7/25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u设计思想思想：允允许零件有初始缺陷，或在服役零件有初始缺陷，或在服役过程程中出中出现裂裂纹，产生破生破损，但在下次，但在下次检修之前修之前应保持一保持一定的剩余定的剩余强度，能度，能够正常使用，直到下次正常使用，直到下次检修予以修予以发现、修复或更、
8、修复或更换。u关关键问题：如何估算裂如何估算裂纹扩展寿命（静展寿命（静载下下的剩余的剩余强度？）度？）断裂力学断裂力学2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤142 断裂力学的基本理论u 什么是断裂力学？什么是断裂力学？q 含裂含裂纹体的体的强度理度理论。q定量地研究承定量地研究承载体由于含有一条主裂体由于含有一条主裂纹发生生扩展展（包括静（包括静载及疲及疲劳载荷下的荷下的扩展）而展）而产生失效的条生失效的条件。件。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤152 断裂力学的基本理论u断裂力学的目的：断裂力学的目的：q研究材料或研究材料或结构的
9、裂构的裂纹扩展（萌生）的展（萌生）的动力和阻力力和阻力 q断裂准断裂准则及其适用范及其适用范围和适用条件和适用条件 q应用于复用于复杂结构的分析：裂构的分析：裂纹起裂、起裂、扩展到失展到失稳过程程q估算含裂估算含裂纹结构的寿命：疲构的寿命：疲劳问题2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤162 断裂力学的基本理论u断裂力学涉及力学、材料学和工程断裂力学涉及力学、材料学和工程应用用的的许多多问题，可用于，可用于处理：理：q结构形式已定，裂构形式已定，裂纹的情况已知，的情况已知，该结构的承构的承载能能力如何？力如何？（剩余（剩余强度）度）q结构形式已定，外构形式已定，外载
10、荷已知，允荷已知，允许最最长的裂的裂纹为多多少？少？（损伤容限）容限）q已知已知结构裂构裂纹的情况、的情况、损伤容限（允容限（允许最最长的裂的裂纹）和外和外载荷，如何荷，如何计算算结构允构允许使用的使用的时间？（剩余（剩余寿命寿命疲疲劳裂裂纹扩展寿命）展寿命）q选择材料。材料。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤172 断裂力学的基本理论u2.1 裂裂纹的基本的基本类型型u2.2 裂裂纹尖端尖端应力力场分析及分析及应力力强度因子度因子u2.3 脆性断裂的脆性断裂的K准准则u2.4 工程工程应用中的断裂用中的断裂问题2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与
11、自动化学院何雪浤182.1 裂纹的基本类型裂纹表面裂纹表面裂纹裂纹前缘前缘张开型张开型张开型张开型( (I I I I) )滑开型滑开型滑开型滑开型( () )撕开型撕开型撕开型撕开型( () )IIIIII2024/7/25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 2024/7/25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 2024/7/25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2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤222.2 裂纹尖端应力场分析及应力强度因子u裂裂
12、纹尖端尖端应力力应变场分析方法：分析方法：q按按弹性理性理论；q分析分析边界条件；界条件；q求解求解应力力场和位移和位移场u裂裂纹尖端尖端应力力场的的一般表达式一般表达式：中心贯穿裂中心贯穿裂纹无限大板纹无限大板2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤232.2 裂纹尖端应力场分析及应力强度因子u改变裂纹类型后的应力应变场分析结果：改变裂纹类型后的应力应变场分析结果：u应力强度因子应力强度因子的一般表达式：的一般表达式：2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤242.2 裂纹尖端应力场分析及应力强度因子u应力场分析结果讨论一应力场分析结果讨论
13、一q裂纹尖端附近区域的应力分布是位置坐标的函数，与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；无限远处的应力大小和裂纹长度无关；q应力在裂纹尖端出现奇异点；应力在裂纹尖端出现奇异点； u结论一结论一q应力不适宜作为建立强度条件的物理参量。应力不适宜作为建立强度条件的物理参量。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤252.2 裂纹尖端应力场分析及应力强度因子u应力场分析结果讨论二应力场分析结果讨论二q应力强度因子在裂纹尖端是一个有限量；应力强度因子在裂纹尖端是一个有限量；q应力强度因子是裂纹尖端应力应变场强度的度量；应力强度因子是裂
14、纹尖端应力应变场强度的度量；q应力强度因子的临界值是材料本身的固有属性。应力强度因子的临界值是材料本身的固有属性。u结论二结论二q利用应力强度因子建立破坏条件是适当的。利用应力强度因子建立破坏条件是适当的。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤262.3 脆性断裂的K准则u（1） 应变能能释放率与放率与G准准则q分析原理：能量法分析原理：能量法扩扩展展稳稳定定临界临界裂纹临界条件：裂纹临界条件：G准则准则2024/7/25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u无限大板受拉伸无限大板受拉伸实例例临界条件临界条件临界应力临界应
15、力临界裂纹长度临界裂纹长度2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤28（1） 应变能释放率与G准则u关于关于G准准则的的讨论qGIc是材料常数，表征材料是材料常数，表征材料对裂裂纹扩展的抵抗能力，由展的抵抗能力，由实验来确定。来确定。 q上述工程上述工程应用用实例适用于脆性材料。例适用于脆性材料。q金属材料的金属材料的G准准则：应变能能释放率放率=形成新表面所需表面能形成新表面所需表面能+裂裂纹扩展展所需塑性所需塑性变形能。形能。2024/7/25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u在在讨论线弹性断裂性断裂
16、问题时，应用用G和和K为参数参数是等价的。是等价的。2024/7/25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u K准则的一般表达式准则的一般表达式:u KI和和KIc的物理意义的物理意义qKI ：应力强度因子，计算得到。：应力强度因子，计算得到。qKIc ：断裂韧性：材料抵抗脆性断裂的能力。：断裂韧性：材料抵抗脆性断裂的能力。u KIc的试验获得的试验获得q平面应变断裂韧性试验平面应变断裂韧性试验2024/7/25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. 试样及其制及其制备 q用于用于测定定KIc 的的标准准试
17、样主要采用三点弯曲和主要采用三点弯曲和紧凑拉伸凑拉伸试样。q为引引发裂裂纹，可先用，可先用线切割加工切割加工宽度度0.13mm的切口，然的切口，然后用高后用高频疲疲劳试验机机预制制长度度1.3mm的疲的疲劳裂裂纹。q疲疲劳预制中的制中的Kmax应小于小于0.6KIc，特，特别是在最是在最终达到要求达到要求裂裂纹长度度时，应尽量减小尽量减小负荷，以保荷，以保证裂裂纹有足有足够的尖的尖锐度。度。 2024/7/25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）三点弯曲（b）紧凑拉伸）紧凑拉伸2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪
18、浤33平面应变断裂韧性的测定2. 测试设备和方法和方法q测试的装置的装置如如图所示。所示。测试时，通，通过载荷荷传感器和位移感器和位移传感感器以及器以及动态电阻阻应变仪和函数和函数记录仪，连续记录负荷荷F和裂和裂纹嘴嘴张开位移开位移v，从而得到，从而得到Fv曲曲线。由此曲。由此曲线如果能定出如果能定出临界界载荷荷Fc以及由断口上以及由断口上测定的裂定的裂纹长度度a，代入确定的，代入确定的KIc计算公式，就可以求得材料的断裂算公式，就可以求得材料的断裂韧性性KIc值。 2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤34KIc测试装置系统 2024/7/25断裂可靠性问题东北大
19、学机械工程与自动化学院何雪浤352.4 工程应用中的断裂问题u问题一：复合型断裂一：复合型断裂问题MWMTMWMT裂纹表面裂纹前缘IIIIIII、I+IIII+III+II+IIII+II+III2024/7/25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u复合型断裂准复合型断裂准则要面要面临的的问题：q裂裂纹类型的复型的复杂性；性；q裂裂纹开裂方向的不确定性；开裂方向的不确定性；u复合型复合型问题的研究目的：的研究目的：q裂裂纹沿什么方向开裂（开裂角）？沿什么方向开裂（开裂角）？q裂裂纹在什么条件下开裂（断裂准在什么条件下开裂（断裂准则）？）？u复合型断
20、裂准复合型断裂准则：q以以应力力为参数；参数；q以位移以位移为参数；参数；q以能量以能量为参数；参数；2024/7/25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u最大最大应力准力准则；u应变能密度准能密度准则；u应变能能释放率准放率准则；u工程工程经验公式；公式；2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤38最大应力准则u基本假定：基本假定：q裂裂纹沿最大周向沿最大周向应力的方向开裂；力的方向开裂；q当此方向的周向当此方向的周向应力达到力达到临界界值时，裂，裂纹失失稳扩展；展；u基本方法：基本方法：q裂裂纹尖端尖端应力力场叠加，并表达
21、成极坐叠加，并表达成极坐标形式；形式；q寻找周向找周向应力最大的方向；力最大的方向；q由由I型裂型裂纹开裂条件开裂条件给出裂出裂纹临界失界失稳的条件。的条件。u局限性：局限性：q没有没有综合考合考虑其它其它应力分量的影响；力分量的影响；q不能区分广不能区分广义的平面的平面应力和平面力和平面应变问题。2024/7/25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u基本方法：基本方法：q综合考合考虑裂裂纹尖端附近六个尖端附近六个应力分量的作用，力分量的作用，计算出裂算出裂纹尖尖端局部的端局部的应变能密度；能密度；q比比较以裂以裂纹尖端尖端为圆心的同心心的同心圆上的局部上的
22、局部应变能密度，并由能密度，并由此提出裂此提出裂纹失失稳开裂的判据；开裂的判据；u基本假基本假设：q裂裂纹沿沿应变能密度因子的极小能密度因子的极小值开裂；开裂；q应变能密度因子达到能密度因子达到临界界值时，裂，裂纹失失稳开裂；开裂；2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤40应变能释放率准则u基本假基本假设：q裂裂纹沿着沿着应变能能释放率达到最大的方向放率达到最大的方向扩展；展；q该方向上的方向上的应变能能释放率达到放率达到临界界值时，裂，裂纹开始开始扩展。展。u基本方法：基本方法：qI型型G准准则的推广的推广应用。用。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程
23、与自动化学院何雪浤41复合断裂的工程经验公式uIII复合型复合型uIIII复合型复合型uIIIIII复合型复合型2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤422.4 工程应用中的断裂问题u问题二：二：弹塑性断裂塑性断裂问题中、长裂纹的平面中、长裂纹的平面应力断裂应力断裂韧带屈服断裂韧带屈服断裂全屈服区小尺寸全屈服区小尺寸裂纹的断裂裂纹的断裂2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤43弹塑性断裂问题解决之一u线弹性断裂力学的推广性断裂力学的推广应用用塑性区等效模型塑性区等效模型u不考虑塑性区：不考虑塑性区：FBDFBDu考虑塑性区：考虑塑性区：A
24、BC+CEABC+CEu想象：裂纹尖端前移想象：裂纹尖端前移r ry yqBDBD与与CECE重合；重合；q等效裂纹长度：等效裂纹长度：裂纹尖端附近应力裂纹尖端附近应力n 塑性区的存在相当裂塑性区的存在相当裂纹长度增加，即裂纹体纹长度增加，即裂纹体的柔度增加。的柔度增加。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤44线弹性断裂力学的局限性uKI的局限性：的局限性：应力分布按力分布按弹性力学方法性力学方法进行行描述，尖端有奇异性；描述，尖端有奇异性；uKIc的局限性：必的局限性：必须保保证平面平面应变条件，条件，试验问题。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与
25、自动化学院何雪浤45弹塑性断裂裂纹扩展的三个阶段u从开始加从开始加载到裂到裂纹起始起始扩展前的展前的阶段。段。q裂裂纹长度没有度没有变化，只是随着化，只是随着载荷的增加塑性区不荷的增加塑性区不断断扩大。大。u裂裂纹的的稳定定扩展展阶段。又叫裂段。又叫裂纹的的亚临界界扩展展阶段。段。q裂裂纹长度随着外度随着外载荷增加而增加。荷增加而增加。u裂裂纹的失的失稳( (快速快速) )扩展展阶段。段。q即使即使载荷不增加，裂荷不增加，裂纹也将会失去控制地快速也将会失去控制地快速扩展。展。 2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤46弹塑性断裂问题解决之二u建立判断建立判断弹塑性断
26、裂塑性断裂发生的准生的准则 q找出能描述裂找出能描述裂纹尖端尖端弹塑性塑性应力、力、应变场的某个力学参量，建立的某个力学参量，建立该参量与参量与应力力和和裂裂纹长度度a的关系式。的关系式。q测出材料的出材料的弹塑性断裂塑性断裂韧性，即要性，即要测出所出所选参量在参量在发生生弹塑性断裂塑性断裂时的的值，并要求，并要求该值是材料常数。是材料常数。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤47弹塑性断裂准则u裂裂纹开裂准开裂准则：COD、J积分；分；u裂裂纹失失稳准准则：R阻力曲阻力曲线法法2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤483. 断裂力学的
27、工程应用u（1）基本表达式的形式）基本表达式的形式转换q K准准则：q 临界界应力：力：q 临界裂界裂纹长度：度：2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤493. 断裂力学的工程应用u（2）k准则在静载断裂分析中的应用准则在静载断裂分析中的应用q应用场合：应用场合：已知应力，求临界裂纹长度；已知应力，求临界裂纹长度；已知裂纹长度，求临界应力（剩余强度）已知裂纹长度，求临界应力（剩余强度）。q应用步骤：应用步骤：通过无损检测，确定裂纹通过无损检测，确定裂纹a 的长度及位置；的长度及位置；对缺陷进行分析，计算或查表得到应力强度因子对缺陷进行分析，计算或查表得到应力强度因子
28、K的表达的表达式；式；通过试验或查表，确定材料的平面应变断裂韧性通过试验或查表，确定材料的平面应变断裂韧性KIc值；值；根据根据K准则，进行断裂力学分析，确定临界裂纹长度准则，进行断裂力学分析，确定临界裂纹长度ac或或临界应力（剩余强度）值。临界应力（剩余强度）值。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤50静载断裂分析实例u1950年，美国北极星年，美国北极星导弹发动机壳体机壳体发生爆生爆炸事件。已知壳体材料炸事件。已知壳体材料为D6GC高高强度度钢， ， ，传统检验合格，水合格，水压实验时爆炸，破坏爆炸，破坏应力力为 。材料的断裂。材料的断裂韧性性为 ，试分析其低
29、分析其低应力脆力脆断的原因。断的原因。 2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤51静载断裂分析实例u（1）应力分析力分析q 周向周向应力力q 轴向向应力力2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤52静载断裂分析实例u（2）按常规设计进行校核）按常规设计进行校核u结论：结论：q静强度设计合格，理论上不应该发生爆炸事件。静强度设计合格，理论上不应该发生爆炸事件。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤53静载断裂分析实例u（3）断裂分析）断裂分析q设裂裂纹为表面半表面半椭圆纹，查表得表得应力力强度因子：度因子：q临界裂
30、界裂纹长度：度：q结论：可能有漏可能有漏检裂裂纹存在。存在。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤54静载断裂分析实例u（4）讨论）讨论2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤554. 断裂力学在疲劳设计中的应用损伤容限设计u（1）疲劳裂纹扩展速率）疲劳裂纹扩展速率q定义：定义：q研究裂纹扩展速率的目的：研究裂纹扩展速率的目的：设计选材时的参考；设计选材时的参考；计算裂纹体的剩余寿命；计算裂纹体的剩余寿命；2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤564. 断裂力学在疲劳设计中的应用损伤容限设计临界应力强度因子幅度疲
31、劳断裂韧性u（2）疲劳裂纹扩展）疲劳裂纹扩展速率的经验公式速率的经验公式Paris公式公式2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤574. 断裂力学在疲劳设计中的应用损伤容限设计u Paris公式的说明：公式的说明：q关于应力强度因子范围：关于应力强度因子范围：q 关于关于C和和m：材料常数材料常数2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤584. 断裂力学在疲劳设计中的应用损伤容限设计u（3）影响疲）影响疲劳裂裂纹扩展速率的因素展速率的因素q平均平均应力：力：平均平均应力使裂力使裂纹扩展速率增加；展速率增加；q超超载：过载峰延峰延缓随后的低随
32、后的低载恒幅下的裂恒幅下的裂纹扩展；展；q加加载频率：率：加加载频率减小，裂率减小，裂纹扩展速率增大；展速率增大；q温度：温度：温度提高，裂温度提高，裂纹扩展速率增大。展速率增大。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤594. 断裂力学在疲劳设计中的应用损伤容限设计u （4）反映平均）反映平均应力影响的裂力影响的裂纹扩展速率展速率Forman公式公式2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤60疲劳裂纹扩展分析实例u 冷轧宽钢板裂纹扩展问题冷轧宽钢板裂纹扩展问题单侧裂纹钢板单侧裂纹钢板2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学
33、院何雪浤61冷轧宽钢板裂纹扩展问题2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤62冷轧宽钢板裂纹扩展问题2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤63冷轧宽钢板裂纹扩展问题2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤64冷轧宽钢板裂纹扩展问题2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤65冷轧宽钢板裂纹扩展问题u为了得到了得到较长的裂的裂纹扩展寿命，必展寿命，必须尽量减小尽量减小初始裂初始裂纹尺寸尺寸。u材料断裂材料断裂韧性的性的变化，化，虽然也会引起然也会引起临界裂界裂纹长度的度的变化，化，对疲疲劳寿命
34、却没有明寿命却没有明显的影响。的影响。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤66常规强度设计中的问题回顾常规强度设计中的问题回顾u应力分析中的不确定因素应力分析中的不确定因素q外载荷的不确定外载荷的不确定q尺寸因素的不确定尺寸因素的不确定q材料特性的不确定材料特性的不确定u实际应用实际应用q大于大于1的安全系数的安全系数u设计基本思想（理想）设计基本思想（理想）q连续体连续体q永不破坏（或规定条件）永不破坏（或规定条件）问题一问题一变量是确定的变量是确定的问题二问题二物体是连续无缺陷的物体是连续无缺陷的2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪
35、浤675. 断裂可靠性分析u材料的断裂材料的断裂韧性数据性数据较为分散，同一种分散，同一种钢甚至甚至差两三倍，而且裂差两三倍，而且裂纹几何形状因子的偏差、几何形状因子的偏差、计算公式的偏差，残余算公式的偏差，残余应力等的不确定性使断裂力等的不确定性使断裂分析的精确性很低，因此宜用分析的精确性很低，因此宜用概率法概率法设计。u 断裂可靠性分析的基本理断裂可靠性分析的基本理论q 断裂准断裂准则：KIKIc q 裂裂纹扩展速率的一般表达式展速率的一般表达式2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤685. 断裂可靠性分析u 断裂可靠性分析的基本思想断裂可靠性分析的基本思想应力
36、强度干应力强度干涉模型涉模型u当应力和强度都是当应力和强度都是正态分布时正态分布时2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤695. 断裂可靠性分析u （1）静载抗断裂可靠性分析）静载抗断裂可靠性分析2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤705. 断裂可靠性分析u （2）变载抗断裂可靠性分析）变载抗断裂可靠性分析q 控制目标控制目标1：应力强度因子幅度不超过门槛值应力强度因子幅度不超过门槛值2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤715. 断裂可靠性分析u（3）变载抗断裂的可靠寿命）变载抗断裂的可靠寿命q控制目标控制
37、目标2：按按Paris公式扩展，满足一定的可靠寿命公式扩展，满足一定的可靠寿命 2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤725. 断裂可靠性分析u（3）变载抗断裂的可靠寿命）变载抗断裂的可靠寿命2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤735. 断裂可靠性分析u（3）变载抗断裂的可靠寿命计算原则（按对数）变载抗断裂的可靠寿命计算原则（按对数正态分布）正态分布）u求一定寿命下的可靠度求一定寿命下的可靠度u求一定可靠度下的可靠寿命求一定可靠度下的可靠寿命2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤745. 断裂可靠性分析u 实
38、际计算中的问题实际计算中的问题q 应力和强度的分布确定应力和强度的分布确定变量的分布：查表、试验统计等得到；变量的分布：查表、试验统计等得到； 函数的分布：用函数的分布：用泰勒展开法泰勒展开法、变异系数法变异系数法和和基本函基本函数法数法计算求得。计算求得。变量函数2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤75断裂可靠性分析实例u变载抗断裂可靠性分析实例变载抗断裂可靠性分析实例u静载抗断裂可靠性分析实例静载抗断裂可靠性分析实例2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤76泰勒展开法u设设n维随机变量维随机变量x1，x2，xn的函数的函数u函数的均
39、值函数的均值u函数的标准差函数的标准差脚标脚标“0”表示求偏导表示求偏导数后将数后将xi取为均值取为均值 可可用用于于各各种种函函数数形形式式2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤77变异系数法u设设u函数的均值函数的均值u函数的变异系数函数的变异系数u函数的标准差函数的标准差计计算算最最简简便便2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤78基本函数法u将常用函数形式作将常用函数形式作为基本函数，用表中公式求均基本函数，用表中公式求均值、标准差和准差和变异系数。异系数。对于于较复复杂的函数可化的函数可化为这些基些基本函数的形式。本函数的形式。
40、2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤79静载抗断裂可靠性分析实例u受静受静载荷的矩形截面拉杆，材料荷的矩形截面拉杆，材料32SiMnMoV钢，920油淬，油淬，320回火，回火，b=1950N/mm2，s=1750N/mm2，KIc=1840N/mm3/2，最小截面尺寸，最小截面尺寸宽W=1503mm，厚，厚B=50.15mm，板，板边穿透裂穿透裂纹a=0.50.1mm，受拉力，受拉力Q=90000090000N。如果。如果Cs=0.07，C KIc=0.10，求不屈服失效和不断裂失效，求不屈服失效和不断裂失效的可靠度。的可靠度。 2024/7/25断裂可靠性问题
41、东北大学机械工程与自动化学院何雪浤80静载抗断裂可靠性分析实例u分析：可得到两分析：可得到两类四种情况下的可靠度四种情况下的可靠度计算算结果果q按屈服按屈服强度分析度分析：q按断裂按断裂韧性分析性分析以以应力力强度因子和断裂度因子和断裂韧性性为断裂分析准断裂分析准则以裂以裂纹和和临界裂界裂纹尺寸尺寸为断裂分析准断裂分析准则以工作以工作应力和力和临界工作界工作应力力为分析准分析准则R=0.99998R=0.7802R=0.7709R=0.77842024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤81静载抗断裂可靠性分析实例u按屈服按屈服强度分析度分析2024/7/25断裂可靠性问
42、题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤82静载抗断裂可靠性分析实例u按屈服按屈服强度分析度分析2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤83静载抗断裂可靠性分析实例u按屈服按屈服强度分析度分析2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤84静载抗断裂可靠性分析实例u以以应力力强度因子和断裂度因子和断裂韧性性为断裂分析准断裂分析准则2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤85静载抗断裂可靠性分析实例u以裂以裂纹和和临界裂界裂纹尺寸尺寸为断裂分析准断裂分析准则2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤86
43、静载抗断裂可靠性分析实例u以工作以工作应力和力和临界工作界工作应力力为分析准分析准则2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤87变载抗断裂可靠性分析实例u钢制心制心轴，材料的，材料的b=600MPa，d=1200.24mm，受脉，受脉动弯矩弯矩M=150003000Nm，表面有周向裂，表面有周向裂纹深深a=10.3mm，求裂，求裂纹不不扩展的可靠度。展的可靠度。2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤88变载抗断裂可靠性分析实例2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤89变载抗断裂可靠性分析实例2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤90变载抗断裂可靠性分析实例2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤91变载抗断裂可靠性分析实例2024/7/25断裂可靠性问题东北大学机械工程与自动化学院何雪浤92
