Mekanik Fraktur adalah disiplin yang baru muncul yang hanya dibangunkan dalam beberapa dekad kebelakangan ini. Ia terutamanya mengkaji keadaan di mana badan galas gagal disebabkan oleh pengembangan retak utama (termasuk pengembangan di bawah beban statik dan beban keletihan). Mekanik patah digunakan untuk analisis pelbagai struktur kompleks, dan proses dari permulaan retak dan pengembangan kepada ketidakstabilan adalah dalam skop analisisnya. Oleh kerana ia secara langsung berkaitan dengan isu -isu keselamatan bahan atau struktur, walaupun ia bermula lewat, kedua -dua eksperimen dan teori telah berkembang dengan pesat dan telah digunakan secara meluas dalam kejuruteraan. Kaedah penyelidikan mekanik fraktur adalah: bermula dari persamaan mekanik elastik atau persamaan mekanik plastik -, mengambil retak sebagai keadaan sempadan, memeriksa medan tekanan, medan terikan dan medan anjakan di bahagian atas retak, dan cuba untuk mewujudkan hubungan antara medan -medan ini
Status penyelidikan berkaitan semasa di rumah dan di luar negara
Pada masa ini, trend penyelidikan keseluruhan mekanik patah adalah: dari keanjalan linear hingga elastik - plastisitas; dari patah statik ke patah dinamik; dari pemisahan makroskopik dan mikroskopik kepada gabungan makroskopik dan mikroskopik; dari kaedah deterministik kepada kaedah probabilistik dan statistik. Oleh itu, sejauh mekanik patah itu sendiri bimbang, mengikut kandungan dan skop penyelidikan tertentu, ia dibahagikan kepada mekanik fraktur makroskopik (mekanik fraktur kejuruteraan) dan mekanik patah mikroskopik (milik kategori fizik logam). Mekanik fraktur makroskopik boleh dibahagikan kepada mekanik fraktur elastik (termasuk mekanik fraktur elastik linear dan mekanik fraktur elastik) dan mekanik fraktur skala kecil {3}. Mekanik Fraktur Kejuruteraan juga termasuk aspek penting kejuruteraan seperti patah keletihan, patah rayap, patah kakisan, patah keletihan kakisan dan patah keletihan rayap. Pada masa kini, teori kebolehpercayaan diperkenalkan dalam kaedah penyelidikan mekanik patah, yang dipanggil mekanik patah probabilistik, memperkayakan kandungan penyelidikan mekanik patah, dan terus membangun dan meningkatkan teori mekanik patah, dan memainkan peranan yang semakin penting dalam amalan kejuruteraan.
1. Teori Griffith
Untuk mengkaji pengaruh retak di dalam bahan pada kekuatan bahan, Griffith pada tahun 1920 -an pertama kali mengkaji kekuatan kaca yang mengandungi retak dan memperoleh hubungan tenaga patah:
Ini adalah kriteria fraktur Griffith yang terkenal, di mana G adalah kadar pelepasan tenaga di hujung retak dan S adalah tenaga bebas permukaan (tenaga yang diperlukan untuk bahan untuk membentuk kawasan retak unit). Dari hubungan ini, hubungan antara griffith retak tekanan dan saiz retak boleh diperolehi:
In the formula, a is the crack length. If G>2 s, retak akan berkembang; jika g<2γs, the crack will not expand; if G=2γs, it is a limit state. In addition, if the crack expands and dG/da>0, ia boleh ditentukan sebagai pengembangan yang tidak stabil; Sekiranya retak berkembang dan DG/DA<0, the crack stops.
2. Faktor intensiti tekanan k
Singkatan faktor intensiti medan tegasan elastik di kawasan hujung retak adalah parameter mekanikal dalam mekanik elastik linear yang mencerminkan kekuatan medan tegasan elastik di kawasan hujung retak, yang diwakili oleh simbol ki. Dari kajian medan tekanan berhampiran hujung retak, kita tahu bahawa tekanan berhampiran hujung retak cenderung ke tak terhingga dalam beberapa cara, iaitu, ia mempunyai keunikan. Oleh itu, tekanan di sini tidak boleh digunakan untuk mengukur kekuatannya. Nilai KI dapat mencerminkan kekuatan medan tegasan elastik di kawasan hujung retak. Nilainya berkaitan dengan beban, saiz retak dan geometri. Ekspresi matematik Griffith Crack adalah:
Di mana σ adalah tekanan, A adalah panjang retak, dan terdapat tiga bentuk lanjutan retak: ki, kii, dan kiii, yang mewakili faktor intensiti tekanan jenis I, jenis II dan jenis III retak masing -masing. Antaranya, untuk Jenis I retak:
Di mana E adalah tekanan pesawat.
Nota: Faktor intensiti tekanan boleh digunakan untuk zon plastik di hujung retak yang beberapa kali lebih kecil daripada zon medan K dan beberapa kali lebih kecil daripada panjang retak, seperti bahan mulur.
3. J Integral
Dicadangkan oleh beras (jrrice) pada tahun 1968. Ia mencerminkan kepekatan tekanan dan ketegangan pada hujung retak kerana skala besar - menghasilkan. Takrif J Integral adalah:
Ia digunakan untuk mengkaji masalah pesawat dan mewakili tenaga yang berkaitan dengan lanjutan retak. Istilah pertama di sebelah kanan formula adalah tenaga yang berkaitan dengan tenaga terikan, di mana W adalah ketumpatan tenaga terikan (iaitu, tenaga terikan per unit volum). Dalam kes elastik - plastisitas, ia adalah tekanan - ketumpatan kerja kecacatan (termasuk tenaga terikan elastik dan kerja ubah bentuk plastik) yang diterima oleh setiap elemen kelantangan spesimen semasa beban monotonik. Istilah kedua ialah komponen daya pada DS; DS adalah elemen arka di jalan γ.
J Integral mempunyai sifat berikut:
J Integral adalah bebas dari jalan;
J Integral boleh menentukan elastik - tekanan plastik - medan strain pada hujung retak;
J Integral mempunyai hubungan berikut dengan kuasa kerja ubah bentuk:
Di mana B adalah ketebalan spesimen, u adalah kerja ubah bentuk spesimen, dan ▽ adalah kedudukan yang diberikan. Formula di atas adalah asas untuk penentuan eksperimen J integral.
4. Kurva rintangan
Dalam mekanik patah, lengkung yang mewakili tingkah laku pengembangan stabil retak dalam bahan (seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah). Ordinat adalah rintangan untuk lanjutan retak, yang dinyatakan oleh J integral, δ ctod atau faktor intensiti tekanan k, dan abscissa adalah jumlah pelanjutan retak △ a. Apabila retak tidak dilanjutkan, lengkungnya bertepatan dengan ordinat. Setelah dilanjutkan, △ a ≠ 0, lengkung menyimpang dari ordinat, dan titik infleksi adalah titik permulaan retak. Berikut ini mewakili proses lanjutan yang stabil. Apabila tangen titik pada lengkung dapat melewati titik pada paksi negatif mendatar yang mewakili panjang retak, itu bermakna lanjutan yang tidak stabil akan terjadi. Apabila ketidakstabilan berlaku, daya penggerak lanjutan retak dan rintangan lanjutan retak mempunyai kadar perubahan yang sama dengan saiz retak. Retak akan berkembang pesat dan pecah tanpa memuatkan. Kurva rintangan boleh diuji dengan spesimen, yang boleh digunakan untuk menentukan nilai permulaan retak (ΔI atau JIC) atau nilai permulaan retak bersyarat (Δ0.005 atau J0.005, dan lain -lain), dan juga boleh digunakan untuk meramalkan proses pelanjutan retak subkritikal dalam komponen.
5. Kaedah pengiraan berangka
Dengan mendalamkan penyelidikan mekanik patah, masalah yang perlu diselesaikan menjadi lebih kompleks dan pelbagai, menjadikan cara untuk mewujudkan kaedah pengiraan ketepatan yang cekap dan tinggi - sebagai topik hangat untuk para ulama. Oleh kerana perkembangan disiplin yang berterusan seperti sains komputer, matematik dan mekanik pengiraan, kaedah pengiraan berangka untuk menyelesaikan masalah mekanik fraktur terus muncul, dari kaedah perbezaan terhingga awal, kaedah unsur terhingga, kaedah unsur sempadan untuk kaedah yang berkebun.
Kaedah elemen terhingga:
Dalam kes penyelesaian elemen terhingga, pemulihan tekanan, anggaran ralat dan pembahagian automatik grid baru digunakan untuk melakukan penyelesaian elemen terhingga, dan proses ini diulang sehingga penyelesaian elemen terhingga yang memuaskan diperolehi. Di samping itu, analisis stokastik adalah arah penting bagi pembangunan mekanik patah dan asas untuk penilaian kebolehpercayaan struktur. Berdasarkan kaedah elemen terhingga, kaedah unsur terhingga stokastik menggunakan parameter rawak untuk menggambarkan masalah kejuruteraan praktikal. Kandungan penyelidikan utama termasuk prinsip variasi rawak, penubuhan persamaan kawalan unsur terhingga rawak dan penyelesaiannya.
Kaedah Elemen Sempadan:
Ini adalah kaedah berangka untuk menyelesaikan masalah mekanikal yang dibangunkan selepas kaedah elemen terhingga. Komposisinya termasuk tiga bahagian utama berikut:
Ciri -ciri penyelesaian asas dan aplikasinya;
Pemilihan discretization dan elemen sempadan;
Kaedah superposisi dan teknologi penyelesaian.
Kelebihan kaedah ini adalah bahawa teorem GUASS digunakan untuk mengurangkan urutan masalah, menukar masalah dimensi tiga - ke dalam masalah dimensi dua {{1} Saiz kumpulan persamaan algebra akhir jauh lebih kecil.
Kaedah tanpa mesh:
Juga dipanggil kaedah tanpa elemen. Kaedah ini membezakan keseluruhan domain penyelesaian ke dalam nod bebas tanpa menyambungkan nod ke unit. Ia tidak perlu membahagikan grid, dengan itu mengatasi kecacatan kaedah elemen terhingga yang grid mesti dikemas kini secara berterusan semasa proses pengiraan. Semasa proses pengiraan, kawasan hujung retak boleh dikesan dalam masa nyata untuk penghalusan tempatan, dan proses lanjutan retak berterusan dianggap sebagai peningkatan linear berganda. Sudut lanjutan retak dalam setiap kenaikan ditentukan mengikut faktor intensiti tekanan. Ketepatan pengiraan diperbaiki dengan memperkenalkan fungsi asas luaran pada nod penghalusan hujung retak.
Kaedah manifold berangka:
Idea asas kaedah ini adalah untuk memperkenalkan prinsip manifold geometri pembezaan ke dalam analisis bahan, berdasarkan manifold topologi dan manifolds pembezaan, sambil menyerap kelebihan kaedah pembinaan fungsi interpolasi dalam unsur -unsur terhingga dan teori kinematik blok dalam analisis deformasi yang tidak berfungsi.
Kaedah Berangka Wavelet:
Kaedah ini mengambil kesempatan daripada ciri -ciri penyetempatan yang baik dari wavelet, menghampiri medan anjakan dengan fungsi wavelet, mewujudkan format pengiraan berangka wavelet, mensimulasikan masalah singulariti di hujung retak dan menyelesaikan faktor intensiti tekanan pada hujung retak.
Masalah yang ada dan kunci teknikal
Kaedah atau teori di atas semuanya berasal dari teori patah Griffith dan berdasarkan kepada keistimewaan, iaitu, mereka semua berdasarkan model di mana tekanan dan ketegangan di hujung retak tidak terhingga. Penjelasan mekanik elastik mengenai teori patah model retak tip matematik Inglis adalah asas model retak tip matematik. Jarak antara permukaan atas dan bawah adalah sifar, dan jejari kelengkungan hujung retak juga sifar. Oleh itu, komponen tekanan yang diperolehi oleh mekanik elastik tidak terhingga pada hujung retak. Fenomena ini dipanggil Singularity.
Teori Singularity telah diteruskan hingga ke hari ini, tetapi mekanik fraktur singulariti mempunyai kecacatan penting dalam fizik, yang terutama ditunjukkan dalam dua aspek:
Pertama, jarak permukaan atas dan bawah dan jejari kelengkungan hujung retak yang terdapat dalam amalan adalah nilai terhingga dan tidak sama dengan sifar;
Kedua, dalam retak sebenar, walaupun pada hujung retak, tekanan dan ketegangan adalah nilai terhingga, dan tidak ada - yang dipanggil singularity stres dan ketegangan.
Dengan cara ini, kuantiti fizikal berdasarkan keretakan tip matematik dan singulariti tekanan tidak mempunyai asas fizikal yang kukuh. Untuk memperbaiki teori dan sekarang bukan - keistimewaan, model retak tumpul (atau potong) dengan hujung separuh bulatan yang lebih sesuai dengan keadaan sebenar boleh digunakan, tetapi pengukuran radius kelengkungan retak tumpul perlu diukur dengan kaedah metallographic, yang memerlukan pembangunan metallographic fracure mekanik.
Trend Pembangunan Masa Depan
Walaupun beberapa kemajuan telah dibuat dalam mekanik patah plastik -, masih terdapat banyak isu yang perlu dikaji secara mendalam. Ia adalah salah satu arahan penyelidikan utama mekanik patah pada masa ini. Dinamik patah, untuk bahan linear, perlu diperbaiki; Untuk bahan tak linear, ia masih dalam peringkat awal penyelidikan dan merupakan satu lagi arah penyelidikan utama mekanik patah. Dengan kajian kedalaman - mengenai masalah patah dan penggunaan alat matematik yang mudah, teori mekanik patah akan menjadi aplikasi mekanik yang semakin matang dan patah akan menjadi semakin meluas.
Untuk kaedah pengiraan berangka, trend pembangunan masa depan adalah: Cross - Skala fraktur mekanik pengiraan numerik, kaedah pengiraan berangka selari, gabungan kaedah analisis dan kaedah berangka, gabungan organik dan gabungan kaedah pengiraan berganda, dan automasi pemprosesan data.
