Исследование распространения трещин методами механики разрушения

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИН МЕТОДАМИ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ [c.286]

Что же касается динамической механики разрушения, которая исследует стабильность стационарных трещин под действием динамических нагрузок и процессы распространения трещин, то здесь теоретические достижения пока недостаточно подкрепляются практическими рекомендациями. Это объясняется, прежде всего, чрезвычайной сложностью описания динамики разрушения, а также сложившейся диспропорцией между развитием теоретических и зкспериментальных методов исследования распространения трещин динамической механики разрушения. Длительное время прогресс в динамической механике разрушения связывался с решением модельных задач в идеализированных постановках методами математической теории упругости и численными методами (эти методы с достаточной полнотой представлены в монографии [28]). При этом вопросы соответствия идеализированных постановок реальным условиям динамического разрушения [c.3]

Процесс циклического нагружения элемента конструкции в условиях эксплуатации сопровождается постепенным накоплением повреждений в материале до некоторого критического уровня, который может быть охарактеризован с привлечением различных методов и средств исследования. Выбор средств определяется применяемыми критериями в оценке самого предельного состояния и его фактической реализацией к рассматриваемому моменту времени, как это было рассмотрено в предыдущей главе. Даже при отсутствии в детали трещины можно с большой достоверностью утверждать, что после длительной наработки в эксплуатации последующее после проверки нагружение может вызвать быстрое зарождение и далее распространение усталостной трещины. Оценка состояния материала с накопленными в нем повреждениями и прогнозирование последующей длительности эксплуатации до появления трещины, установление периодичности контроля за состоянием детали подразумевают использование структурного анализа на базе физики металлов. Это подразумевает обязательное применение методов механики разрушения для оценки длительности роста трещины и обоснования периодичности осмотров на всех стадиях зарождения и распространения трещин. Однако многопараметрический характер внешнего воздействия на любой элемент конструкции делает неизбежным введение в рассмотрение процесса накопления повреждений в конструкционных материалах с позиций синергетики, следовательно, возникает новое представление о процессе распространения трещин. Всю совокупность затрат энергии внешнего воздействия, вызвавших разрушение элемента конструкции, интегрально характеризуют достигнутое на определенной длине трещины предельное состояние, единичная реализация процесса прироста трещины и сформированная в результате этого поверхность разрушения. [c.79]

В следующем разделе рассматриваются теоретические аспекты механики разрушения, включая определение коэффициентов интенсивности напряжений и описание некоторых приемов их вычисления. Далее идет раздел, в котором рассматривается решение задач теории упругости методом ГИУ и его распространение на задачи механики разрушения. При этом обсуждаются численные результаты для двух- и трех мерных тел с трещинами, а также развивается специальный вариант метода ГИУ, предназначенный для решения задач механики разрушения. В заключение указываются некоторые из существующих ограничений и направления дальнейших исследований. [c.47]

В механике разрушения весьма эффективными оказались методы,, основанные на энергетических принципах механики твердого деформируемого тела. В частности, первые работы по механике разрушения, выполненные А. Гриффитсом, основаны на понятии энергии разрушения и законе сохранения энергии для упругого тела с трещиной. В динамической механике разрушения эти методы также имеют важное значение и используются для формулировки критериев разрушения, исследования распространения трещин и решения других проблем. [c.25]

Изучение явлений хрупкого разрушения материалов стало особо актуальным в связи с фактами разрушения крупных конструкций именно по хрупкому механизму (путем распространения трещины), несмотря на то что условия их прочности в рамках классических подходов (по упругому или пластическому состоянию) были удовлетворены. Эти факты привели к созданию методов и средств определения сопротивления конструкционных материалов хрупкому разрушению, а также к разработке теории прогнозирования работоспособности тел (элементов конструкций), ослабленных дефектами типа трещин. Результаты исследований и рекомендаций в этой области науки о прочности материалов и конструкций составляют теперь ее новую ветвь — механику хрупкого разрушения. Усилиями многих ученых уже достигнут значительный прогресс как в области теоретических трактовок и количественного описания явлений хрупкого разрушения, так и в области инженерных приложений теоретических результатов. [c.6]

Кратко рассматриваются Теоретические основы линейной механики разрушения для введения понятий коэффициентов интенсивности напряжений и скорости освобождения упругой энергии. В работе установлено, что метод граничных интегральных уравнений (ГИУ), применяющийся для решения задач теории упругости, является эффективным и точным средством, позволяющим вычислять значения коэффициентов интенсивности напряжений и скорости освобождения упругой энергии в двух- и трехмерных задачах механики разрушения. Рассматриваются основные представления метода ГИУ и описывается распространение метода на задачи механики разрушения, В двумерном случае представлены численные результаты, полученные при помощи построения специальной функции Грина для задач о трещинах. В трехмерном случае приводятся результаты для поверхностной трещины, найденные путем стандартного решения по методу ГИУ. Указываются некоторые задачи и цели дальнейших исследований. [c.46]

Все описанные методы носят чисто феноменологический характер. За последние годы большое внимание уделялось новым методам оценки склонности к хрупкому разрушению, появившимся в результате теоретических работ в области механики разрушения. Большие исследования в этом направлении проведены Ирвиным [42—49], что привело к установлению новых критериев хрупкого разрушения, характеризующих сопротивление материала распространению трещины в условиях статического нагружения. Метод Ирвина получил большое признание и широко используется как при отборочных испытаниях, так и в различных исследованиях для оценки склонности металлов и сплавов к хрупкому разрушению. [c.56]

Сейчас механика разрушения является одной из наиболее бурно развивающихся областей механики. К числу основных направлений ее исследований относятся проблемы разрушения в условиях значительных пластических деформации, разработки методов механики разрушения неметаллических материалов (композиты, керамика, полимеры, бетон, горные породы и т. д.), изучение распространения трещин при динамическом нагружении и при наличии агрессивных сред, прогнозирование ресурса и падежиости алементов конструкции с учетом случайного характера возникповения и развития в них дефектов. Не следует забывать и о положительных аспектах разрушения и связанных с этой задачей проблемах облегчение разрушения при резании, разрушение нри извлечении ценных пород и др. [c.70]

В соответствии со сказанным цель данной книги - осветить новейшие достижения динамической механики разрушения, изложить экспериментальные методы исследования распространения трещин, сравнить теоретические и экспериментальные результаты, что, как надеются авторы, должно стимулировать экспериментальные исследования по динамике раэрушения. Существующие сейчас объем и уровень этих исследований явно недостаточны для решения поставленных перед машиностроением задач, а наметившиеся попытки стандартизации [ 23 ] пока не учитьшают многообразия явлений, возникающих при динамическом нагружении. [c.4]

ОТ Прежнего, так как в нем используются преимущества решений, развитых ранее только для аналитических фуикний. Дано подробное изложение новых решений для эллиптического отверстия, которые важны в современной механике разрушения (теории трещин). Исследование осесимметричных напряжений в главе 12 упрощено, и добавлены новые разделы, в которых более приближенный анализ случая разрезанного кольца как одного витка спиральной пружины заменен более точной теорией. В силу значительного роста приложений, например в ядерной энергетике, глава 13 Температурные напрям ения расширена за счет включения термоупругой теоремы взаимности и полученных из нее нескольких полезных результатов. Кроме того, исследование двумерных задач дополнено двумя заключительными параграфами, последний из которых устанавливает взаимосвязь двумерных задач термоупругости с комплексными потенциалами и методами Н. И. Мусхелишвили из главы 6, В главе 14, посвященной распространению волн, перестройка изложения придала больше значения основам трехмерной теории. Добавлено также решение для действия взрывного давления в сферической полости. Приложение, посвященное численно.му методу конечных разностей, включает пример использования ЭВМ для решения задачи с большим числом неизвестных. [c.13]

Изложены современные представления и оригинальные исследования по теории магистральных трещин, способных распространяться в твердых деформируемых телах, приводя к частичному или полному разрушению. Содержанием книги охватывается широкий круг вопросов поведения тел с трещинами — от критериев распространения трещины и до решения ряда сложных задач механики разрушения. Рассматриваются предельные п допредельные состояния равновесия при однократном, многократном, термическом и динамическом нагружениях в упругих, вязкоупругих, упругопластических и пьезоэлектрических телах с трещинами. Изложены методы экснерименталь-гюго определения характеристик трещиностойкости материалов. [c.2]

Большинство авторов данной монографии принимали активное участие в работе Научно-методической комиссии по стандартизации в области механики разрущения. Основополагающим принципом работы комиссии после положительного опыта проведения базового эксперимента стала организация предварительных сериальных испытаний образцов по оценке влияния различных факторов на конечные результаты испытаний. В монографии представлена часть результатов таких испытаний по широкому комплексу вопросов статической, циклической и динамической трещиностойкоети, особенностей структуры и технологии получения конструкционных материалов. Это относится к исследованиям характеристик упругопластического разрущения сталей (гл. 1) и алюминиевых сплавов (гл. 7), определению характеристик трещиностойкоети малоуглеродистых сталей при динамическом распространении трещины (гл. 1), разработке методов испытаний листового проката на слоистое растрескивание (гл. 4) и сварных соединений на трещиностойкость (гл. 3, 4), комплексным испытаниям на трещиностойкость плакированных сталей (гл. 5). Исследования в указанных направлениях во многом были инициированы заданиями Научно-методической комиссии по стандартизации в области механики разрушения. Полученные результаты в дальнейшем использовались при подготовке соответствующих нормативных документов и проведении поверочных раечетов на трещиностойкость различных технических систем и конструкций. [c.8]

К настоящему времени в СССР и за рубежом усилиями многих ученых осуществлены важные исследования явлений хрупкого разрушения твердых тел как в плане решения соответствующих краевых задач механики и создания физически более обоснованных критериев разрушения, так и в области разработок методов оценки склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению (см., например, обзоры в работах [9, 82, 118, 145]). Необходимость в таки исследованиях обуслоЬ-лепа, с одной стороны, тем, что высокопрочные конструкционные материалы (например, жаропрочные сплавы, упрочненные стали, металлокерамические материалы, некоторые пластмассы), как правило, являются хрупкими материалами, т. е. такими, которые уже при нормальных температурах и малых скоростях нагружения разрушаются путем распространения трещины без предварительных пластических деформаций макрообъемов тела. (При низких температурах, повышенных скоростях нагружения, воздействии некоторых поверхностно-активных сред, наводороживании и в других условиях, приводящих к ограничению пластического течения конструкционного материала, его разрушение путем распространения трещины доминирует). С другой стороны, реальные условия эксплуатации конструкции всегда предусматривают наличие некоторой жидкой или газовой среды. Эта среда проникает в деформируемое тело (элемент конструкции) через его структурные несовершенства — дефекты (макро- или микротрещины, границы зерен, включений) и особенно интенсивно взаимодействует с участками тела, деформированными за предел упругости. К таким участкам относятся окрестности резких концентраторов напряжений (трещины, остроконечные полости или жесткие включения и др.). Именно в окрестности подобных дефектов среда, изменяя физико-механические свойства деформируемого материала, в первую очередь его сопротивление зарождению и развитию трещины, оказывает существенное влияние на служебные свойства (несущую способность) рабочего тела в целом. [c.9]

В пятом томе Разрушения , как и в других томах этого руководства, рассматривается в основном внезапное разрушение конструкций, возникаюш ее в результате распространения трещины в материале. Основная заслуга в разработке теоретических основ хрупкого разрушения с точки зрения механики сплошной среды принадлежит А. А. Гриффитсу, который в двух работах, опубликованных в начале 20-х годов, предложил объяснение явления хрупкого разрушения на основе анализа энергии, требуемой для распространения трещины. В 1926 г. Пэйрс впервые применил методы теории вероятности при исследовании прочности волокон, а Вейбулл в 1939 г. первым использовал эти статистические методы для изучения явлений хрупкого разрушения. [c.5]

Раскрытие трещины и общий механизм хрупкого разрушения. Трудность применения метода линейной механики разрушения к сравнительно вязким конструкционным сталям низкой и средней прочности объясняется тем, что в этих случаях разрушение может быть связано со значительной локальной пластичностью. В таких материалах во время испытания образцов стандартных размеров с надрезом при нормальных скоростях деформации перед разрушением впереди напряженной трещины может распространяться пластическая зона. Вследствие этого невозможно проанализировать упругое напряженное состояние и вычислить показатель вязкости разрушения Кс- Уэллс (1969 г.) разработал метод, приняв, что неустойчивое распространение дефекта происходит при его критическом раскрытии около вершины (критическое раскрытие трещины или OD). Он предполагал, что это значение одинаково для реальных конструкций к образцов небольших размеров подобной толщины. Экспериментальное подтверждение было получено несколькими специалистами. Например, результаты определения разрушающих напряжений для охрупченных труб высокого давления из сплава циркония хорошо согласовывались с данными испытаний на изгиб образцов небольших размеров с надрезом для исследования критического раскрытия трещины (Фернихауф и Уоткинс, 1968 г.). Хорошее соответствие наблюдалось между поведением материалов при инициирующих испытаниях широкого листа и на изгиб образцов натурной толщины для выявления величины критического раскрытия трещины (Бурде-кин и Стоун, 1966 г.). В условиях малой пластической деформации можно показать, что усилие распространения трещины G есть произведение предела текучести Оу и критического раскрытия трещины б [c.236]

Наиболее важными методами динамической механики разрушения являются экспериментальные методы исследования напряженного состояния вбпизи вершины трещины. Среди них выделяются оптические экспериментальные методы широко известный метод фотоупругости, метод теневых зон (каустик) и метод проецирования на фокальную плоскость. Первый основан на анализе картин изохром, получающихся при прохождении света через оптически чувствительный материал, а второй и третий - на преобразовании сингулярности напряжений в оптическую сингулярность. При этом для определения коэффициентов интенсивности напряжений анализируется размер сингулярной (теневой) зоны или интенсивность света в сингулярной точке на фокальной плоскости. Последние два метода могут применяться и в случае отраженного света, что позволяет исследовать металлические образцы. Каждый из указанных методов о Опадает своими характерными достоинствами и недостатками, однако в целом они позволяют исследовать распространение трещин с достаточной точностью. [c.6]

Второй (феноменологический) подход основан, главным образом, на методах механики сплошной среды и концепциях механики разрушения. При этом исследуется развитие трещины либо в вязко-упругой среде, либо в материале с накапливающимися малыми рассеянными повреждениями. Введение определенных критериев разрушения (КРТ, предельного уровня диссипации, предельной концентрации субмикротрещин и др.) приводит к уравнениям, описывающим развитие трещины во времени. Так, в работах А. И. Зобнина [44], Ю. Н. Работнова [ИЗ] на основе модели Ю. Н. Работнова [112] исследован ряд задач о распространении трещин IB изотропном упругом материале с накапливающимися крайне малыми рассеянными повреждениями типа субмикротрещ ин, плотность которых растет пропорционально гидростатической компоненте тензора напряжений. [c.8]

Исследования последних лет в области механики и физики твердого тела привели к разработке надежных критерие1в оценки склонности металла к хрупкому разрушению и установлению новых важных закономерностей распространения трещин при действии циклических и статических нагрузок, а также к -разработке новых методов упрочнения металлов и сплавов с целью повышения их конструкционной прочности. [c.5]

Поля напряжений и перемещений в окрестности движущейся трещины. Исследование распределения полей напряжений и перемещений в окрестности фронта трещины имеет важное значение при формулировке критериев разрушения с использованием силового подхода Дж. Ирвина и при решении других задач механики разрушения [320, 399 и др.]. В статических задачах механики разрушения эта задача решена в работах [492, 572]. Там же показано, что напряжения и перемещения могут быть представлены в виде (1.3). Этот результат имеет место и при динамическом действии нагрузки для стационарных (нераспространяющихся) трещин [550, 551]. Если трещина распространяется, то ситуация усложняется. В этом случае напряжения и перемещения в окрестности фронта движущейся трещины зависят от скорости ее движения. Впервые эта задача в случае распространения, трещины с постоянной скоростью решена в работе [574], где, в частности, показано, что если скорость распространения фронта приближается к некоторому критическому значению, то может произойти, ветвление трещины. Задача о распространении трещины с пострянной скоростью в плоскости относится к классу стационарных смешанных задач динамической теории упругости [265, 313]. К этому же классу относятся задачи о движении штампа вдоль границы полуплоскости с постоянной скоростью, меньшей скорости распространения поперечных упругих волн. Такие задачи рассматривались в [68,i541] с помощью методов теории функций комплексного переменного. Разработанные методы можно использовать и при изучении распространения трещин, [62, 294, 530 и др.]. [c.15]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...