李宗霖 山東師范大學(xué)附屬中學(xué)（幸福柳校區(qū)）

斷裂力學(xué)的研究分析

李宗霖 山東師范大學(xué)附屬中學(xué)（幸福柳校區(qū)）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各類構(gòu)件的應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大，構(gòu)件的負(fù)荷要求也越來(lái)越高，進(jìn)而出現(xiàn)了一系列的問(wèn)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(huì)對(duì)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(xué)的研究結(jié)果進(jìn)行了闡述。

斷裂力學(xué) 發(fā)展 研究分析

斷裂力學(xué)是分屬固體力學(xué)范疇內(nèi)的新興學(xué)科，主要研究材料和工程結(jié)構(gòu)中裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的規(guī)律。斷裂力學(xué)所說(shuō)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(xué)主要研究裂紋的起裂條件、裂紋在外部載荷作用下的擴(kuò)展過(guò)程、使物體會(huì)發(fā)生斷裂的裂縫級(jí)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(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，在工程施工領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。

1 線彈性斷裂力學(xué)

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

線彈性斷裂力學(xué)主要是研究物體的低應(yīng)力脆斷問(wèn)題，通過(guò)分析大量有裂紋等缺陷的物體的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了以應(yīng)力強(qiáng)度因子為基礎(chǔ)的物體裂紋擴(kuò)展規(guī)律，提出了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展準(zhǔn)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(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位。

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

2 彈塑性斷裂力學(xué)

相較于線彈性斷裂力學(xué)來(lái)說(shuō)，彈塑性斷裂力學(xué)適用于裂紋尖端附近出現(xiàn)大范圍屈服的情況。在20世紀(jì)中期，由于工程建設(shè)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(kuò)展規(guī)律和脆性材料的裂紋擴(kuò)展規(guī)律大不相同，脆性斷裂不會(huì)出現(xiàn)清晰而顯著的臨界裂紋擴(kuò)展，裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展具有同步性，而韌性材料的裂紋擴(kuò)展則需要一定的過(guò)程，在裂紋開裂發(fā)生之后，裂紋需要擴(kuò)展到一定的長(zhǎng)度單位才會(huì)導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂。因此原有的線彈性斷裂力學(xué)已不能用來(lái)描述裂紋構(gòu)件內(nèi)出現(xiàn)較大塑性區(qū)時(shí)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律，彈塑性斷裂力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。它用彈性力學(xué)和塑性力學(xué)的理論來(lái)研究變形構(gòu)件中裂紋的擴(kuò)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(xué)在焊接結(jié)構(gòu)的缺陷評(píng)定、核電工程的安全性評(píng)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(xué)的研究?jī)?nèi)容主要有：①確定特定的控制參數(shù)來(lái)表示韌性斷裂過(guò)程中裂紋頂端場(chǎng)及其特征；②發(fā)展特定技術(shù)來(lái)確定裂紋擴(kuò)展阻力特征；③研究并確定彈塑性斷裂準(zhǔn)則。彈塑性斷裂力學(xué)在工程建設(shè)中應(yīng)用也非常廣泛，但是其理論還需要進(jìn)一步完善，很多規(guī)律和準(zhǔn)則還需要在實(shí)踐活動(dòng)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 斷裂動(dòng)力學(xué)

斷裂動(dòng)力學(xué)分屬斷裂力學(xué)，在考慮受載物體各方慣性的基礎(chǔ)上，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法研究相關(guān)固體物在高速加載或裂紋高速擴(kuò)展條件下的裂紋擴(kuò)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(dòng)力學(xué)的理論來(lái)分析和處理。

3.1 斷裂動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容

3．1．1 斷裂準(zhǔn)則

斷裂動(dòng)力學(xué)需要研究在高速加載情況下裂紋的響應(yīng)情況、起始和失穩(wěn)擴(kuò)展準(zhǔn)則、高速擴(kuò)展裂紋的分叉判斷依據(jù)以及快速擴(kuò)展裂紋的停止判斷依據(jù)等。這些準(zhǔn)則幫助工程施工人員準(zhǔn)確判定高速加載情況下是否會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)斷裂現(xiàn)象。

3．1．2 高速擴(kuò)展裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)

斷裂動(dòng)力學(xué)還需要研究裂紋在高速擴(kuò)展過(guò)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(kuò)展裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化情況以及此情況下材料的特性對(duì)高速擴(kuò)展裂紋阻力的影響。

3．1．3 高速碰撞下的斷裂動(dòng)力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題

在高速加載情況下，脆性材料的碰撞往往會(huì)導(dǎo)致材料的侵徹和穿孔等實(shí)際問(wèn)題，這些問(wèn)題都需要依靠斷裂動(dòng)力學(xué)來(lái)分析和解決

3.2 斷裂動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀

雖然目前斷裂動(dòng)力學(xué)已經(jīng)應(yīng)用于冶金、地震、合成化學(xué)以及水壩工程、飛機(jī)和船舶設(shè)計(jì)、核動(dòng)力裝置和武器裝備等領(lǐng)域，但已經(jīng)應(yīng)用的只是斷裂動(dòng)力學(xué)的部分經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)性的成果，其理論還不十分成熟。

4 斷裂力學(xué)的研究現(xiàn)狀

斷裂力學(xué)能夠有效預(yù)測(cè)材料的安全性能，在工程建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。但是，斷裂力學(xué)的理論還遠(yuǎn)未達(dá)到成熟期，需要大量實(shí)踐的支持和驗(yàn)證，許多準(zhǔn)則的應(yīng)用還處于試驗(yàn)階段。要想建立完整的斷裂力學(xué)體系，斷裂力學(xué)還需要融合應(yīng)用數(shù)學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)及其他學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)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(xué)這一學(xué)科符合當(dāng)前時(shí)代發(fā)展所面對(duì)的問(wèn)題之一的需要，本文分別介紹了斷裂力學(xué)現(xiàn)階段主要包括線彈性斷裂力學(xué)，、彈塑性斷裂力學(xué)和斷裂動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用現(xiàn)狀，這門學(xué)科雖在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但還不夠成熟，仍需要積極地探索研究。

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