李宗霖 山東師范大學附屬中學（幸福柳校區(qū)）

斷裂力學的研究分析

李宗霖 山東師范大學附屬中學（幸福柳校區(qū)）

隨著社會的不斷發(fā)展，各類構(gòu)件的應用范圍也逐步擴大，構(gòu)件的負荷要求也越來越高，進而出現(xiàn)了一系列的問題，其中最為常見的就是構(gòu)件的斷裂，一旦構(gòu)件發(fā)生斷裂，會對大眾的安全和工業(yè)的發(fā)展造成不良影響。本文就斷裂力學的研究結(jié)果進行了闡述。

斷裂力學 發(fā)展 研究分析

斷裂力學是分屬固體力學范疇內(nèi)的新興學科，主要研究材料和工程結(jié)構(gòu)中裂紋產(chǎn)生和擴展的規(guī)律。斷裂力學所說的裂紋既包括工程施工中出現(xiàn)的宏觀的、肉眼可見的裂紋，也包括工程材料中的各種近似于裂紋的缺陷。斷裂力學主要研究裂紋的起裂條件、裂紋在外部載荷作用下的擴展過程、使物體會發(fā)生斷裂的裂縫級別、裂紋結(jié)構(gòu)硤壞的條件以及結(jié)構(gòu)可承受的最大裂紋度等內(nèi)容，是結(jié)構(gòu)損傷容限設計的理論基礎，在工程施工領域應用非常廣泛。

1 線彈性斷裂力學

實踐表明，含裂紋構(gòu)件的強度會受構(gòu)件本身殘缺度的影響，裂紋的存在會導致強度大幅下降，僅存合格構(gòu)件強度的十分之一，甚至有的構(gòu)件強度會降至合格構(gòu)件的百分之一，其使用壽命也會相應的大幅減少。工程構(gòu)件則會因此出現(xiàn)低應力脆斷的情況，導致工程事故的發(fā)生，給工程建設單位造成很多不必要的人員傷亡或者財產(chǎn)損失。

線彈性斷裂力學主要是研究物體的低應力脆斷問題，通過分析大量有裂紋等缺陷的物體的低應力脆斷現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了以應力強度因子為基礎的物體裂紋擴展規(guī)律，提出了裂紋失穩(wěn)擴展準則，適用于工程構(gòu)件裂紋尖端附近存在小范圍屈服的情況，在結(jié)構(gòu)損傷容限設計中占據(jù)重要地位。

脆性材料的裂紋產(chǎn)生和擴展的規(guī)律與應力強度因子這一參數(shù)有很大關系，它能夠影響裂紋尖端附近的應力場，也能影響裂紋尖端附近的位移場，結(jié)合能量釋放率就可以控制裂紋的擴展程度。因此，在工程建設中，處理脆性材料的平面低應力斷裂問題，如果裂紋尖端附近存在的塑性區(qū)遠小于裂紋長度，工程施工人員就可以考慮采用線彈性斷裂力學的理論和方法來分析和處理這一問題。

2 彈塑性斷裂力學

相較于線彈性斷裂力學來說，彈塑性斷裂力學適用于裂紋尖端附近出現(xiàn)大范圍屈服的情況。在20世紀中期，由于工程建設開始使用大量的韌性材料，這些韌性材料的裂紋產(chǎn)生和擴展規(guī)律和脆性材料的裂紋擴展規(guī)律大不相同，脆性斷裂不會出現(xiàn)清晰而顯著的臨界裂紋擴展，裂紋的產(chǎn)生和擴展具有同步性，而韌性材料的裂紋擴展則需要一定的過程，在裂紋開裂發(fā)生之后，裂紋需要擴展到一定的長度單位才會導致低應力斷裂。因此原有的線彈性斷裂力學已不能用來描述裂紋構(gòu)件內(nèi)出現(xiàn)較大塑性區(qū)時裂紋的產(chǎn)生和擴展規(guī)律，彈塑性斷裂力學應運而生。它用彈性力學和塑性力學的理論來研究變形構(gòu)件中裂紋的擴展規(guī)律，逐漸形成了裂紋張開位移理論和以J積分、R(阻力)以及COD為特征參量的工程方法。彈塑性斷裂力學在焊接結(jié)構(gòu)的缺陷評定、核電工程的安全性評定、壓力容器的斷裂控制以及結(jié)構(gòu)物的低周疲勞和蠕變斷裂的研究等方面起著重要的作用。

目前，彈塑性斷裂力學的研究內(nèi)容主要有：①確定特定的控制參數(shù)來表示韌性斷裂過程中裂紋頂端場及其特征；②發(fā)展特定技術(shù)來確定裂紋擴展阻力特征；③研究并確定彈塑性斷裂準則。彈塑性斷裂力學在工程建設中應用也非常廣泛，但是其理論還需要進一步完善，很多規(guī)律和準則還需要在實踐活動中進一步驗證。

3 斷裂動力學

斷裂動力學分屬斷裂力學，在考慮受載物體各方慣性的基礎上，用連續(xù)介質(zhì)力學的方法研究相關固體物在高速加載或裂紋高速擴展條件下的裂紋擴展和斷裂規(guī)律。例如，脆性材料在加工、碰撞和沖擊下的破壞規(guī)律、天然氣管道的破裂情況等都可以借助斷裂動力學的理論來分析和處理。

3.1 斷裂動力學研究的內(nèi)容

3．1．1 斷裂準則

斷裂動力學需要研究在高速加載情況下裂紋的響應情況、起始和失穩(wěn)擴展準則、高速擴展裂紋的分叉判斷依據(jù)以及快速擴展裂紋的停止判斷依據(jù)等。這些準則幫助工程施工人員準確判定高速加載情況下是否會出現(xiàn)動態(tài)斷裂現(xiàn)象。

3．1．2 高速擴展裂紋尖端附近的應力應變場

斷裂動力學還需要研究裂紋在高速擴展過程中的極限速度以及能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換情況，另外，在高速加載情況下，研究人員需要注意高速擴展裂紋尖端附近的應力應變場的變化情況以及此情況下材料的特性對高速擴展裂紋阻力的影響。

3．1．3 高速碰撞下的斷裂動力學的實際應用問題

在高速加載情況下，脆性材料的碰撞往往會導致材料的侵徹和穿孔等實際問題，這些問題都需要依靠斷裂動力學來分析和解決

3.2 斷裂動力學的應用現(xiàn)狀

雖然目前斷裂動力學已經(jīng)應用于冶金、地震、合成化學以及水壩工程、飛機和船舶設計、核動力裝置和武器裝備等領域，但已經(jīng)應用的只是斷裂動力學的部分經(jīng)驗或半經(jīng)驗性的成果，其理論還不十分成熟。

4 斷裂力學的研究現(xiàn)狀

斷裂力學能夠有效預測材料的安全性能，在工程建設的各個領域應用十分廣泛。但是，斷裂力學的理論還遠未達到成熟期，需要大量實踐的支持和驗證，許多準則的應用還處于試驗階段。要想建立完整的斷裂力學體系，斷裂力學還需要融合應用數(shù)學、應用物理學及其他學科的相關知識，進行大量實驗觀察和數(shù)據(jù)積累，在不斷的探究中摸索和創(chuàng)新。

5 總結(jié)

斷裂力學這一學科符合當前時代發(fā)展所面對的問題之一的需要，本文分別介紹了斷裂力學現(xiàn)階段主要包括線彈性斷裂力學，、彈塑性斷裂力學和斷裂動力學的研究現(xiàn)狀與應用現(xiàn)狀，這門學科雖在各領域應用廣泛，但還不夠成熟，仍需要積極地探索研究。

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