断裂力学工程应用

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1、断裂力学工程应用众所周知，由于近代若干新兴工业的高速发展，新材料和新工艺的采用以及经过古典强度科 学做过安全设计”的若干工程结构，在生产使用过程中发生了意想不到的灾害性断裂事故， 特别是高强度材料的制成，以及应力分析技术的进步，允许减小安全系数，提高工作应力； 但另一方面会使材料对裂纹的抗力减小，使构件中原有缺陷发展成裂纹的机会增大，以致飞 机、大型转子、装甲车辆、大炮、贮存罐、承压容器、管道、焊接船舶、宇航结构等经常发 生灾难性脆断事故。这就引起了人们对断裂现象的研究，从而在上世纪五十年代末创立了断 裂力学这一门崭新的强度科学。对断裂力学来讲，工程实际应用尤其重要。一断裂工程量与断裂准则1.

2、 断裂工程量在断裂力学里，有几个决定固体材料断裂行为的物理量，如表面能V、裂纹扩展力或能量释 放率、应力强度因子等等。在工程技术界常把这些用来描述变形固体断裂行为的物理量叫做 断裂工程量。2. 断裂准则与断裂条件凡是用来判定裂纹是否失稳扩展物体是否断裂的断裂参量（断裂工程量）就叫做断裂准则 （Criterion of Fracture）。在Griffith、Irwin的线弹性断裂力学理论里是采用应力强度因子K及能量释放率G作为断裂准则的。据据采用的断裂准则比较裂纹物体服役中工作断裂参量同相应的材料断裂韧性之间的大小关 系式叫做断裂条件。就能量释放率G1准则而言，材料的断裂韧性为GIC，工作时的

3、能量释放 率为G1，则抗断裂条件G1GIC，就应力强度因子而言，I型裂纹物体的抗断裂条件是K1KIC。二断裂力学工程应用利用断裂力学原理进行防断设计主要有下述几方面：（1）估算含裂纹构件的安全性和寿命， 确定构件在工作条件下的裂纹容限；（2）用断裂力学作指导进行安全设计；（3）分析各种 断裂事故，提出改进措施；（4）合理选择材料和工艺，发展新材料、新工艺，寻找代用材 料。1. 用断裂力学方法进行安全分析随着断裂力学的发展，瑞士的BBC、美国的CE和WH、日本的三菱和日立、法国的AA、捷 克SKODA及苏联JIM3等均建立了本企业的缺陷容限标准。中小型电站所用的汽轮发电机组 其末了几级叶轮除了用

4、热套与轴配合外，还采用轴向键与轴联结，近年来，陆续发现这类叶 轮在键槽根部有裂纹产生，裂纹出现在键槽圆角应力集中处，沿径向发展。叶轮在工作中受到叶片产生的离心力、叶轮本身的离心力，以及温差热应力的作用。为了评 定带裂纹叶轮的安全储备，必须计算在离心力和热应力作用下的应力强度因子，测定叶轮材 料的断裂韧性，从而确定叶轮的临界裂纹长度，同时用超声检验等无损检验方法，确定叶轮 之原始裂纹，并与临界裂纹进行比较。断裂力学的理论与方法应以安全设计标准、缺陷验收标准或者设计手册的形式提供给工程界， 以便使用和执行。这是非常重要的，是工程中推广应用断裂力学方法关键性一步。2. 概率断裂力学在可靠性设计中的应

5、用概率断裂力学引入可靠性设计中，推动可靠性设计向前发展。由于安全余度考虑了应力和强 度的二阶矩，较好地反映了结构可靠度的实质，既考虑了变异特性又考虑了平均值，因而与 失效分布有较直接的关系，使安全设计更可靠，只要积累数据，肯定是设计的发展方向。国 外已较完整地应用于飞机结构，如概率损伤容限分析、飞机结构可靠性和事故分析、飞机结 构的耐久性分析等方面。此外，反应堆压力容器的可靠性研究亦有很深入的开展。3. 用断裂力学方法进行失效分析失效分析是指事故或故障发生后所进行的检侧和分析，目的在于找到失效的部位、失效原因 和机理，从而掌握产品应当改进的方向及修复的方法，防止同类问题再次发生，以推进技术 不

6、断前进。因此，失效分析技术得到了各界的重视，同时，新技术发展带来新的问题亦必须 加以分析解决。主要失效模式有：断裂、蠕变、疲劳、腐蚀、磨损及热损伤等，它们都可以 借助断裂力学方法及断口分析技术予以解决，断裂力学方法是失效分析的有力工具。三对加强断裂力学工程应用的几点看法1. 进一步研究断裂力学方法解决复杂工况及条件下的工程问题。2. 在条件成熟的工厂大力开展及推广防断裂设计，注意实效。3. 深化研究各种断裂的机理和特征，为失效分析提供依据。4. 大力发展概率断裂力学在可靠性技术中的应用，加强与兄弟学科的联系。5. 改进工艺及选材，赶超国际水平。6. 正确判废、延寿和发展维修技术。7. 运用断裂加工粉碎方面亦需加以研究。责任编辑：李锦雯