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1、1,陈传尧,疲劳与断裂,Fatigue & Fracture,2,机械、结构等 受力如何？ 如何运动？ 如何变形？破坏？ 如何控制设计？,其目的是： 了解工程系统的性态 并为其设计提供合理的规则。,工程力学（或者应用力学）是: 将力学原理应用实际工程系统的科学。,回顾,3,受力如何？ 如何运动？,理论力学、振动理论等，研究对象为刚体；基本方程是平衡方程、运动方程等。,4,强度设计的一般方法：,控制设计：强度是最主要的控制指标。,研究对象是无缺陷变形体，研究目的是保证在最大载荷下有足够的强度。,5,有缺陷怎么办？,研究含缺陷材料的强度 -断裂,6,结构/构件强度的控制参量是应力。,7,按静强度设
2、计，满足，为什么还发生破坏？,8,二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂。,主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。,9,大型汽轮机 转子,10,轴 叶轮 疲劳断裂破坏,11,转子轴 疲劳开裂 疲劳断裂破坏,12,叶片击穿厂房,13,飞 机 整 机 结 构 强 度 实 验 机翼破坏实验,14,飞 机 整 机 结 构 强 度 实 验 机身破坏实验,15,上海 东方电视塔 高300m 球径45m,16,抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）,静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程中最为关注的基本失效模式。,控制疲劳强度、断裂强度的是什么？,2022/11/26,17,18,疲劳与断裂,一. 概述
3、,四. 应变疲劳,二. 应力疲劳,三. 疲劳应用统计学基础,introduction,19,十. 疲劳寿命预测与抗疲劳设计,九. 裂纹闭合理论与高载迟滞效应,八. 疲劳裂纹扩展,疲劳与断裂,七. 弹塑性断裂力学简介,六. 表面裂纹,五. 断裂失效与断裂控制设计,20,第一章 概述 introduction,1.1 什么是疲劳？,The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuat
4、ing stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations.,ASTM E206-72,在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳。,21,疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。,疲劳问题的特点与研究
5、目的：,22,1. 只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。,扰动应力，是指随时间变化的应力。也可更一般地称为扰动载荷， 载荷可以是力、应力、应变、位移等。,要研究载荷谱的描述与简化,23,恒幅循环应力是最简单的。,循环应力 (cycle stress)的描述：,常用导出量： 平均应力 Sm=(Smax+Smin)/2 应力幅 Sa=(Smax-Smin)/2 应力变程 DS=Smax-Smin 应力比或循环特性参数 R=Smin/Smax,描述循环应力水平的基本量： Smax， Smin,Sm,24,定义：平均应力 Sm=(Smax+Smin)/2 (1) 应力幅 Sa=(Smax-Smin)/
6、2 (2) 应力变程 DS=Smax-Smin (3) 应力比或循环特性参数 R=Smin/Smax,(1)式二端除以Smax，有 Sm=(1+R)/2Smax (4) (2)式二端除以Smax，有 Sa=(1-R)/2Smax (5) (5)式除以(4)式，有 Sa=(1-R)/(1+R)Sm (6),Smax、Smin、Sm 、Sa、DS、R等量中，只要已知二个，即可导出其余各量。,25,设计：用Smax，Smin ，直观；试验：用Sm，Sa ，便于加载；分析：用Sa，R，突出主要控制参量, 便于分类讨论。,主要控制参量： Sa，重要影响参量：R 频率 (f=N/t) 和 波形的影响是较次
7、要的。,应力比R反映了载荷的循环特性。如,26,主要控制参量： Sa，重要影响参量：R,频率 (f=N/t),波形,27,2. 破坏起源于高应力、高应变局部。,应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。 要研究细节处的应力应变。,静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。可见，局部性是疲劳的明显特点。,因此，要注意细节设计，研究细节处的应力应变，尽可能减小应力集中。,28,3.疲劳损伤的结果是形成裂纹,有裂纹萌生-扩展-断裂三个阶段。 要研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律。,29,One of the most important physi
8、cal Observation is that the fatigue process can generally be broken two distinct phase -initiation life and propagation life.,The propagation life is the portion of the total life spent growing a crack to failure.,The initiation life encompasses the development and early growth of a small crack.,起始寿
9、命包括小裂纹的形成和早期扩展。,扩展寿命是总寿命中裂纹扩展到破坏的部分。,30,However, it is often very difficult, if not impossible, to define the transition from initiation to propagation.,然而，定义从起始到扩展的转变，常常是很困难的。,This distinction depends upon many variables, including components size, material, and the method used to detect cracks.,这取
10、决于许多因素，包括构件尺寸、材料和检出裂纹所采用的方法等。,Initiation life is usually assumed to be the portion of life spent developing an engineering crack, which is about 0.3mm for smaller components.,起始寿命通常被假定为形成一个工程裂纹的那一部分寿命，对于小尺寸构件，工程裂纹大约为0.3mm。,31,疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。,32,再见！,谢谢！,再见！,习题：1-5，1-6,2022/11/26,33,
