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断裂发生时在裂纹端点要释放出多出能量,所以,裂端区应力场和应变场必定与此裂端能量释放率相关。若裂端应力应变场强度(intensity)足够大,断裂即可发生,反之则不发生。所以,得到裂端区应力应变场解析解是个关键。近代断裂力学是用弹性力学解析方法来完成这一工作,而这些解析法需要用高深数学工具,这对于首次接触断裂力学读者来说,是比较困难。所以,本章只给出一些主要概念和结果,并介绍一些工程近似方法。损伤和断裂力学医学知识专家讲座第1页
3-1裂纹基本型普通将裂纹问题分为三种基本型,如图所表示张开型滑移型撕裂型损伤和断裂力学医学知识专家讲座第2页
裂纹基本型第一个称为张开型(openingmode)或拉伸型(tensionmode),简称I型。其裂纹面位移方向是在使裂纹张开裂纹面法线方向(y方向)。它通常发生在载荷和几何形状对称于裂纹平面情形,比如Griffith裂纹是I型裂纹,其裂纹扩展方向是正前方(x方向)。若物体是均匀厚度平板,裂纹贯通板厚,则问题是二维(平面问题);若物体不是平板或者裂纹没有贯通板厚,则是三维问题。许多工程上常见断裂都是I型裂纹断裂,这也是最危险裂纹类型。损伤和断裂力学医学知识专家讲座第3页
裂纹基本型第二种裂纹型称为同平面剪切型(in—planeshearmode)或者滑移型(slidingmode),简称II型。裂纹上下表面位移方向刚好相反,一个向正x方向,另一个向负x方向。在板厚均匀和裂纹贯通板厚情况下,此裂纹问题也是二维,属弹性力学平面问题。损伤和断裂力学医学知识专家讲座第4页
裂纹基本型第三种裂纹型称为反平面剪切型(anti—planeshearmode),简称III型。裂纹面上下表面位移方向也是刚好相反,但一个向正z方向,另一个向负z方向。这里z方向是板厚方向,属弹性力学空间问题。除了这三种基本型外,还有复合型裂纹(mixedmodecrack),它是两种以上基本型组合。损伤和断裂力学医学知识专家讲座第5页
3-2裂端应力场和位移场下面考虑二维I型裂纹问题。图给出一个以裂纹端点为原点坐标系,此坐标系x方向是裂纹正前方,y方向是裂纹面法线方向,z方向则是离开纸面方向。考虑一个离裂端很近,位置在极坐标(r,θ)单元,其应力状态能够用σx、σy和τxy三个应力分量来表示。裂纹前沿应力应变场终究是怎样?损伤和断裂力学医学知识专家讲座第6页
I型裂纹应力场由弹性力学(椭圆孔口问题)解析解,得裂端应力场恒为+高次项在裂端区,即r足够小情形下,式中r高次项比首项小得多,因而能够忽略。损伤和断裂力学医学知识专家讲座第7页
I型裂纹应变场从上式可见,裂端区应力场形式恒定,其强度完全由KI值大小来决定,所以就称KI为I型裂纹应力强度因子。裂端区应变场能够由弹性力学公式求得为:我们兴趣不在于得到准确应变场形式,而在于知道应变分量也只由应力强度因子来确定。损伤和断裂力学医学知识专家讲座第8页
I型裂纹位移场经过应变一位移关系,经过复杂计算,能够得到裂端区位移场为:这里u和v分别为x和y方向位移分量,μ是剪切模量,κ与泊松比ν关系为:平面应力平面应变损伤和断裂力学医学知识专家讲座第9页
II型和III型裂纹对于II型和III型裂纹,裂端区应力场和位移场形式也是恒定,而且其表示式与I型裂纹相同。II型和III型裂纹应力强度因子分别用KII和KIII表示。因为II型裂纹也是平面问题,可采取上面坐标系来描述,而且只有应力分量σx、σy和τxy存在。III型裂纹问题是反平面剪切问题,位移分量仅有z方向w,应力分量仅有τxz和τyz。损伤和断裂力学医学知识专家讲座第10页
II型裂纹应力场和位移场损伤和断裂力学医学知识专家讲座第11页
III型裂纹应力场和位移场损伤和断裂力学医学知识专家讲座第12页
思索题如图所表示坐标系,I型和II型裂纹裂端区应力场在裂纹表面有何特点?在裂纹正
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