疲劳与断裂第六章表面裂纹.pptx

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第一页,共五十六页。
第六章表面裂纹
结构中
的裂纹
材料、加工缺陷
疲劳载荷下萌生
表面或埋藏裂纹的形状一般用半椭圆描述。
2t
2W
2c
a
t
(a)埋藏裂纹
t
W
a
(c)角裂纹
c
t
2W
a
2c
(b)表面裂纹
埋藏裂纹
或
表面裂纹
非穿透的表面或埋藏裂纹
飞机轮毂疲劳断口
孔边角裂纹断口
第二页,共五十六页。
2t
2W
t
2R
c
a
(d)孔壁表面裂纹
(e)孔壁角裂纹
t
2W
a
2R
c
表面裂纹是三维问题,其应力强度因子的计算,
对于断裂分析、疲劳裂纹扩展寿命估计十分重要。
由于问题的复杂性,难以得到解析解。
本章主要介绍若干可用的近似、数值解及其应用,
不讨论应力强度因子的具体求解过程。
第三页,共五十六页。


Irwin于1962年给出的精确解为:
4
/
1
2
2
2
2
)
cos
(sin
)
(
q
q
p
s
c
a
k
E
a
K
t
+
=
(6-1)
x
y
z
s
s
x
y
q
0
a
c
t
t
a、c为椭圆裂纹的
短、长半轴;
式中K是K,
1
s为远场拉伸正应力;
t
第四页,共五十六页。
E(k)为第二类完全椭圆积分,即:
q
q
p
d
c
a
c
k
E
2
/
1
2
2
/
0
2
2
2
)
sin
1
(
)
(
ò
-
-
=
对于给定的a、c,积分E(k)为常数。
可见,椭圆裂纹周边的应力强度因子K随而变化
。
为过裂纹周线上任一点的径向线与长轴之夹角。
4
/
1
2
2
2
2
)
cos
(sin
)
(
q
q
p
s
c
a
k
E
a
K
t
+
=
(6-1)
x
y
q
0
a
c
)
(
)
2
/
(
k
E
a
K
t
p
s
p
=
=/2时,在短轴方向裂尖,K最大,且有:
2
2
2
2
)=0
cos
(sin
q
q
c
a
+
d
dq
极值条件:
Sinqcosq=0
=/2;
=0
极值点:
第五页,共五十六页。
c,为长2a的穿透裂纹。(c2-a2)/c21,E(k)=1
故短轴方向(裂纹深度方向)裂尖的K为:
a
K
t
p
s
=
=0时,在长轴方向裂尖,K最小,且:
c
a
k
E
a
K
t
)
(
)
0
(
p
s
=
注意,a<c
正是无限大体中穿透裂纹尖端的应力强度因子解。
若a/c=1,为圆盘形裂纹。此时有E(k)=/2,
故由(6-1)式显然可知:
a
K
t
p
s
p
2
=
q
q
p
d
c
a
c
k
E
2
/
1
2
2
/
0
2
2
2
)
sin
1
(
)
(
ò
-
-
=
第六页,共五十六页。
4
/
1
2
2
2
2
)
cos
(sin
)
(
q
q
p
s
c
a
k
E
a
M
K
t
f
+
=
y
z
s
s
x
x
y
q
a
0
c

将无限大体沿y=0的平面切开。
被切除部分对半椭圆表面裂纹尖端场的影响,用M修正。
由(6-1)式,应力强度因子可写为:
f
M称为前自由表面修正系数。
只要确定了M,就可给出K。
f
f
为估计系数M,先讨论二种极端情况。
f
第七页,共五十六页。
此时,半无限大体中的表面裂纹成为
长度为a的单边穿透裂纹。
其应力强度因子K已知为:
a
K
t
p
s
1215
.
1
=
另一方面,前面讨论了无限大体中
的埋藏椭圆裂纹,考虑表面裂纹的
前表面修正,有:
a
M
K
t
f
p
s
=
情况1:c,a/c0
y
z
s
s
x
x
y
q
a
0
c
t
t
二式相比较,应有:M(/2)=(a/c0时)
f
第八页,共五十六页。

形裂纹最深处(=/2)的应力强度因子为:
a
K
t
p
s
p
2
03
.
1
=
情况2:a=c,a/c=1,半圆形表面裂纹
利用前述无限大体中埋藏裂纹的应力强度因子解,
进行前表面修正,有:
a
K
t
p
s
p
)
/
2
(
=
M
f
二相比较,对半无限体中的半圆形表面裂纹,应有:
M(/2)=(a/c=1时)
f
可知:M与a/c有关。在裂纹最深处(=/2),
a/c从0到1连续变化时,<M<
f
f
第九页,共五十六页。
第一式具有简单的线性形式;与第二式相差不到1%。
基于上述讨论,进一步用各种方法进行数值计算,
给出一些前表面修正系数M表达式,如:
f(=/2)
M







0





a/c
Maddox
Kobayashi
Scott
f(/2)
)
75
.
0
1
(
12
.
0
1
)
2
/
(
c
a
M
f
-
+
=
p
Maddox:
2
)
2
/
(
)
2
1
(
12
.
0
1
c
a
M
f
-
+
=
p
Kobayashi:
2
/
1
)
2
/
(
)
(
07
.
0
13
.
1
c
a
M
f
-
=
p
Scott:
Scott(1981)给出的第三式在预测半椭圆裂纹疲劳扩
展形状改变时,结果更好,与前二者最大相差3%。
第十页,共五十六页。