【摘要】：斷裂現(xiàn)象在工程及生活中隨處可見。一些意想不到的斷裂會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生,這需要力學(xué)工作者們運(yùn)用斷裂力學(xué)的知識(shí)去盡量避免。經(jīng)過一百多年的發(fā)展,斷裂力學(xué)中關(guān)于線彈性斷裂及彈塑性斷裂方面的理論已經(jīng)建立了許多,但是目前在斷裂領(lǐng)域中仍然存在一些尚未解決的關(guān)鍵性問題。本文就針對(duì)其中的兩個(gè)——彈塑性斷裂準(zhǔn)則及含缺陷脆性構(gòu)件的統(tǒng)一破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了深入的研究和探索。主要結(jié)論歸納如下:當(dāng)彈塑性材料中的裂紋發(fā)生擴(kuò)展后,塑性卸載出現(xiàn)導(dǎo)致J積分不再適用,原因在于其中的應(yīng)變能密度不能得到清晰的定義。目前缺乏一個(gè)廣泛接受和使用的彈塑性裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則,本工作針對(duì)這一問題通過嚴(yán)格的公式推導(dǎo)給出類似于J積分形式的物理量,并提出相應(yīng)適用范圍較廣的斷裂準(zhǔn)則。研究出發(fā)點(diǎn)避免了容易引起爭(zhēng)議的能量定義,分別研究一個(gè)固定圍道和一個(gè)移動(dòng)圍道所包圍面域內(nèi)的功率平衡,定義兩種不同的能量釋放率:裂紋面能量釋放率sG和局部能量釋放率LG。從兩者之間的差異推斷裂尖應(yīng)力奇異導(dǎo)致裂尖處的物質(zhì)點(diǎn)經(jīng)歷應(yīng)力值的急劇下降從而伴隨有動(dòng)能的耗散。利用內(nèi)聚力模型和基于裂紋面能量釋放率的斷裂準(zhǔn)則,給出了理想彈塑性材料中存在長(zhǎng)達(dá)四十多年的Rice悖論的合理解釋。對(duì)幾種不同斷裂準(zhǔn)則對(duì)比討論后,推薦使用基于裂紋面能量釋放率sG的斷裂準(zhǔn)則解決彈塑性裂紋擴(kuò)展問題。強(qiáng)度準(zhǔn)則和斷裂準(zhǔn)則存在其各自的適用范圍,針對(duì)工程中常見的V型缺口、倒角、橢圓孔洞等所導(dǎo)致的構(gòu)件破壞問題缺少一種合適的準(zhǔn)則。本文就這一問題發(fā)展一種適用于多種形狀缺陷的統(tǒng)一破壞準(zhǔn)則。首先明確并提出含缺陷構(gòu)件的一種基本破壞規(guī)律,稱之為破壞第零定律,隨后對(duì)現(xiàn)有的強(qiáng)度準(zhǔn)則和斷裂準(zhǔn)則各自在使用時(shí)存在的尺寸局限性進(jìn)行闡述。提出一種適用于多種形狀缺陷的統(tǒng)一破壞準(zhǔn)則,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這種統(tǒng)一破壞準(zhǔn)則是一種雙參數(shù)函數(shù)破壞準(zhǔn)則,與其它單常數(shù)破壞準(zhǔn)則討論對(duì)比時(shí),發(fā)現(xiàn)后者在某些情況下會(huì)存在問題,而前者更合理并具有更廣泛的適用性。
[Abstract]:Fracture can be seen everywhere in engineering and life. Some unexpected fractures can lead to catastrophic accidents, which requires mechanics workers to use fracture mechanics knowledge to avoid as far as possible. After more than one hundred years' development, many theories on linear elastic fracture and elastic-plastic fracture have been established in fracture mechanics, but there are still some key problems in the field of fracture. In this paper, two of them, the elastic-plastic fracture criterion and the unified failure criterion for brittle members with defects, are studied and explored. The main conclusions are summarized as follows: after crack propagation occurs in elastic-plastic materials, the plastic unloading occurs and the J-integral is no longer applicable, because the strain energy density is not clearly defined. At present, there is no widely accepted and used elastic-plastic crack growth criterion. In view of this problem, a physical quantity similar to J-integral form is derived through strict formulas, and a corresponding fracture criterion with a wide range of applications is proposed. The starting point of the study avoids the controversial definition of energy and studies the power balance in the area surrounded by a fixed and a moving lane, respectively. Define two different energy release rates: crack surface energy release rate (sG) and local energy release rate (LG.) The stress singularity of the fracture tip from the difference between the two causes the material point at the crack tip to undergo a sharp decrease in stress value which is accompanied by the dissipation of kinetic energy. By using the cohesive force model and the fracture criterion based on the energy release rate of the crack surface, a reasonable explanation for the existence of the Rice paradox in ideal elastic-plastic materials for more than 40 years is given. After comparing and discussing several different fracture criteria, it is recommended to use the fracture criterion based on the energy release rate of crack surface (sG) to solve the problem of elastic-plastic crack propagation. The strength criterion and the fracture criterion have their respective application scope. There is a lack of a suitable criterion for the structural failure problems caused by the common V-shaped notch, chamfer and elliptical hole in engineering. In this paper, a unified failure criterion for various shape defects is developed. At first, a basic failure law of members with defects is defined and put forward, which is called the zero law of failure. Then the size limitations of the existing strength criterion and fracture criterion are expounded respectively. A uniform failure criterion for various shape defects is proposed and verified by experiments. This unified failure criterion is a two-parameter function failure criterion. When compared with other single constant failure criteria, it is found that the latter has some problems in some cases, and the former is more reasonable and has wider applicability.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O346.1

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本文編號(hào)：2319652