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1、疲劳与断裂PPT课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望机械、结构等机械、结构等 受力如何？受力如何？如何运动？如何运动？如何变形？破坏？如何变形？破坏？如何控制设计？如何控制设计？其其目的目的是：是：了解工程系统的性态了解工程系统的性态 并为其设计提供合理的规则并为其设计提供合理的规则。工程力学工程力学（或者应用力学）（或者应用力学）是是:将力学原理应用实际工程系统的科学将力学原理应用实际工程系统的科学。性态性态规则规则回顾回顾2受力如何？受力如何？
2、如何运动？如何运动？理论力学、振动理论等，理论力学、振动理论等，研究对象为刚体；研究对象为刚体；基本方程是平衡方程、运动方程等。基本方程是平衡方程、运动方程等。如何变形？破坏？如何变形？破坏？材料力学、弹性力学、塑性力学等，材料力学、弹性力学、塑性力学等，研究对象为变形体；研究对象为变形体；基本方程是平衡方程、物理方程、几何方程等。基本方程是平衡方程、物理方程、几何方程等。3有缺陷怎么办？有缺陷怎么办？研究含缺陷材料的强度研究含缺陷材料的强度 -断裂断裂多次载荷作用下如何破坏？多次载荷作用下如何破坏？研究多次使用载荷作用下的破坏研究多次使用载荷作用下的破坏 -疲劳疲劳缺陷从何而来？缺陷从何而来
3、？材料固有或使用中萌生材料固有或使用中萌生 -疲劳与断裂疲劳与断裂4按静强度设计，满足按静强度设计，满足 ，为什么还发生破坏？，为什么还发生破坏？19世纪世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处 （应力仅为（应力仅为0.4 ys ys）多次发生破坏；）多次发生破坏；19541954年年1 1月月,英国慧星英国慧星(Comet)(Comet)号喷气客机坠入地中号喷气客机坠入地中 海（机身舱门拐角处开裂）；海（机身舱门拐角处开裂）；51967年年12月月15日，美国西弗吉尼亚的日，美国西弗吉尼亚的 Point Pleasant桥倒塌，桥倒塌，46人死亡；人死亡；1
4、980年年3月月27日，英国北海油田日，英国北海油田Kielland 号钻井号钻井 平台倾复；平台倾复；127人落水只救起人落水只救起 89人；人；二次大战期间，二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂。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主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。6 大型汽轮机大型汽轮机 转子转子7 轴轴轴轴 叶轮叶轮叶轮叶轮 疲劳断裂破坏疲劳断裂破坏8 转子轴转子轴转子轴转子轴 疲劳开裂疲劳开裂疲劳开裂疲劳开裂 疲劳断裂破坏疲劳断裂破坏9 叶片击穿厂房叶片击穿厂房叶片击穿厂房叶片击穿厂房10 飞飞 机机 整整 机机 结结 构构 强强 度度 实实 验验 机翼破坏实验机翼
5、破坏实验 11 飞飞 机机 整整 机机 结结 构构 强强 度度 实实 验验 机身破坏实验机身破坏实验 12 上海上海 东方电视塔东方电视塔 高高300m 300m 球径球径45m45m13 抗震模型试验抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）（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？控制疲劳强度、断裂强度的是什么？14第一章第一章 概述概述 introduction1.1 1.1 什么是疲劳？什么是疲劳？什什什什么么么么是是是是应应应应力力力
6、力：应应应应力力力力定定定定义义义义为为为为“单单单单位位位位面面面面积积积积上上上上所所所所承承承承受受受受的的的的附附附附加加加加内内内内力力力力”。内内内内应应应应力力力力1”1”指指指指组组组组成成成成单单单单一一一一构构构构造造造造的的的的不不不不同同同同材材材材质质质质之之之之间间间间，因因因因材材材材质质质质差差差差异异异异而而而而导导导导致致致致变变变变形形形形方方方方式式式式的的的的不不不不同同同同，继继继继而而而而产产产产生生生生的的的的各各各各种种种种应应应应力力力力。应应力力集集中中是指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象 ASTM
7、E206-72 在某点或某些点承受在某点或某些点承受在某点或某些点承受在某点或某些点承受扰动应力扰动应力扰动应力扰动应力，且在足够多的，且在足够多的，且在足够多的，且在足够多的循环扰动作用之后形成循环扰动作用之后形成循环扰动作用之后形成循环扰动作用之后形成裂纹裂纹裂纹裂纹或完全断裂的材料中所或完全断裂的材料中所或完全断裂的材料中所或完全断裂的材料中所发生的发生的发生的发生的局部局部局部局部永久结构变化的永久结构变化的永久结构变化的永久结构变化的发展过程发展过程发展过程发展过程，称为疲劳。，称为疲劳。，称为疲劳。，称为疲劳。15 疲劳疲劳是在某点或某些点承受是在某点或某些点承受扰动应力扰动应力，
8、且在，且在足够多的循环扰动作用之后形成足够多的循环扰动作用之后形成裂纹裂纹或完全断裂的或完全断裂的材料中所发生的材料中所发生的局部局部永久结构变化的永久结构变化的发展过程发展过程。研究目的：预测寿命研究目的：预测寿命。N=Ni i+Np p 裂纹裂纹萌生萌生+扩展扩展疲劳问题的特点与研究目的：疲劳问题的特点与研究目的：扰动应力，高应力局部，扰动应力，高应力局部，裂纹，发展过程。裂纹，发展过程。特点：特点：161.只有在扰动应力作用下，疲劳才会发生。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。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，也可更一般地称为扰动载
9、荷，载荷可以是力、应力、应变、位移等。载荷可以是力、应力、应变、位移等。172.破坏起源于高应力、高应变局部。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。应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。要研究要研究细节处的应力应变细节处的应力应变。静载下的破坏，取决于结构整体；静载下的破坏，取决于结构整体；疲疲劳劳破破坏坏则则由由应应力力或或应应变变较较高高的的局局部部开开始始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。可见，可见，局部性局部性是疲劳的明显特点。是疲劳的明显特点。因此，要注意细节设计，研究细节处的因此，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。应力应变，尽可能减小应力集中。183.疲劳损伤的结果是形成裂纹疲劳损伤的结果是形成裂纹有有裂纹萌生裂纹萌生-扩展扩展-断裂断裂三个阶段。三个阶段。要研究要研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律。19