管道斷裂力學的案例
科技名詞之斷裂力學 附斷裂力學下載
【科技名詞】：斷裂力學 fracture mechanics
【定義】：利用線彈性力學和彈塑性理論的分析方法，從宏觀角度定量研究含裂紋物體裂紋擴展規律的一門學科。
【學科】：材料科學技術_材料科學技術基礎 _材料科學基礎 _材料物理及化學基礎
【相關名詞】：線彈性斷裂力學 彈塑性斷裂力學 巖石斷裂力學
圖片來源：視覺中國
【延伸閱讀】
固體材料的破壞過程，一個非常基礎的問題，卻和湍流模型并列為固體力學和流體力學的兩大難題。自伽利略時代開始，無數力學人在這個問題上孜孜以求，從破壞結果到破壞過程，從宏觀破壞到微觀損傷，從簡單的拉斷、壓潰到引入疲勞、腐蝕、磨損，這一問題的答案在不斷被擴充。
斷裂力學狹義上一般指借助連續介質力學中的線彈性和彈塑性理論，從宏觀角度來研究固體材料破壞過程的所謂宏觀斷裂力學。它上承以屈服強度等材料指標為主的強度理論，下啟以研究原子位錯等晶體尺度內的斷裂過程為主的微觀斷裂力學。盡管1920年這一學科才宣告確立，但百年的發展已使其成為解決固體材料破壞過程這一問題的重要工具。
宏觀斷裂力學根據材料的類型分為線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學，前者針對脆性材料和小范圍屈服假設下的塑性材料，后者則關注大范圍屈服下的塑性斷裂問題。
線彈性斷裂力學由英國科學家格里菲斯首創，他在1920年提出基于能量平衡的斷裂準則并用以描述理想脆性材料（如玻璃）的斷裂過程。隨后美國科學家歐文在此基礎上提出了能量釋放率，它是裂紋擴展單位面積所需要消耗的能量，并將應用對象擴展到工程準脆性材料（如鑄鐵）。同時，歐文還證明了裂紋尖端的應力場和位移場可以用一個與能量釋放率有關的單參量表征，這就是后來著名的應力強度因子（一種對應力大小的度量）。如今，近10厘米厚的應力強度因子手冊已是工程師的必備之物。
展開 CAE工程師必學：斷裂力學的一些知識點 附斷裂力學中的數值計算方法及工程應用下載
斷裂力學是近幾十年才發展起來了的一門新興學科，主要研究承載體由于含有一條主裂紋發生擴展（包括靜載及疲勞載荷下的擴展）而產生失效的條件。斷裂力學應用于各種復雜結構的分析，并從裂紋起裂、擴展到失穩過程都在其分析范圍內。由于它與材料或結構的安全問題直接相關，因此它雖然起步晚，但實驗與理論均發展迅速，并在工程上得到了廣泛應用。斷裂力學研究的方法是：從彈性力學方程或彈塑性力學方程出發，把裂紋作為一種邊界條件，考察裂紋頂端的應力場、應變場和位移場，設法建立這些場與控制斷裂的物理參量的關系和裂紋尖端附近的局部斷裂條件。
國內外相關研究現狀
目前，斷裂力學總的研究趨勢是：從線彈性到彈塑性；從靜態斷裂到動態斷裂；從宏觀微觀分離到宏觀與微觀結合；從確定性方法到概率統計性方法。所以就斷裂力學本身而言，根據研究的具體內容和范圍，它又被分為宏觀斷裂力學（工程斷裂力學）和微觀斷裂力學（屬金屬物理范疇）。宏觀斷裂力學又可分為彈性斷裂力學（它包括線性彈性斷裂力學和非線性彈性斷裂力學）和彈塑性斷裂力學（包括小范圍屈服斷裂力學和大范圍屈服斷裂力學及全面屈服斷裂力學）。工程斷裂力學還包括疲勞斷裂、蠕變斷裂、腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂及蠕變疲勞斷裂等工程中重要方面。如今在斷裂力學研究方法中，又引入可靠性理論，稱為概率斷裂力學，使斷裂力學的研究內容更加豐富，也使斷裂力學的理論得到進一步的發展和完善，并在工程實際中發揮出越來越大的指導作用。
1.
展開 核電站疏水管道斷裂泄漏原因分析及失效機理研究
2006年04月25日廣東省科技廳在大亞灣核電基地公關中心組織召開了“核電站疏水管道斷裂泄漏原因分析及失效機理研究”科技成果鑒定會。北京科技大學陳國良院士、廣核集團高級顧問徐大懋院士，以及來自核工業和電力行業高校、研究、設計、運行、試驗等單位的9位專家參加了鑒定會。
鑒定委員會聽取了項目完成單位的研究總結等有關報告，考察了運行現場，并對相關的技術資料進行了審查和質疑。經認真審議，鑒定委員會給出如下鑒定意見：該項目通過對管道不同部位斷裂泄漏特征的分析研究，在國內外首次提出沖蝕和疲勞交互作用的失效模型，指出GSS/AHP疏水管道斷裂泄漏并非應力腐蝕或腐蝕疲勞失效、而是一種與沖蝕和疲勞相關的新的失效模式，并且不合理的管道設計加劇了沖蝕和疲勞的交互作用。最后鑒定委員會專家一致認為該科研成果處于國內領先水平，達到國際先進水平，同意通過成果鑒定。
展開 斷裂力學（Fracture Mechanics）
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作者非常貼心的制作了該書的電子版網站（可能需要翻墻才能訪問）。
【11月7-8日 北京】基于斷裂力學與損傷力學的失效仿真分析研修班
各有關單位：
隨著工業界對產品研發中提高質量和控制成本的需求日益增加，人們對力學仿真，特別是有限元方法的認識和需求不斷深入，面臨的工程和科學問題也愈加復雜。在科學研究和產品研發過程中，產品可靠性問題日益凸現出來。結構在使用過程中的磨損、斷裂、腐蝕、疲勞、損傷等因素都會影響產品可靠性和壽命。為了幫助廣大工程師和科研人員掌握和理解可靠性的原理、斷裂力學和損傷力學基本理論以及與之相關的力學仿真分析技術，針對各類斷裂損傷問題能夠進行準確、高效的力學建模，并能夠熟練使用通用的有限元軟件，提高工程師和科研人員解決實際非線性力學問題的能力，經中國力學學會產學研工作委員會、中國數字仿真聯盟研究，決定今年11月7—8日在北京舉辦“基于斷裂力學與損傷力學的失效仿真分析研修班”。歡迎廣大有限元愛好者踴躍報名，現將有關事項通知如下：
一、組織機構
主辦單位：中國力學學會產學研工作委員會 中國數字仿真聯盟
會務服務：北京諾維特機械科學技術發展中心
二、主要教學內容
通過系統的理論方法講解、應用經驗分享和技術交流，教授斷裂力學和損傷力學的基本理論和應用背景，基于ABAQUS軟件，講解計算斷裂力學和計算損傷力學的基本方法和技術，培養相關失效仿真分析的專業應用人才，為企業產品可靠性方面的研發和科研院所相關研究工作的深入提供有力的技術支撐。
三、參加對象
1) 對斷裂力學和損傷力學以及ABAQUS軟件有應用需求的各類工程科研人員，包括但不限于企業中從事仿真分析的工程師、設計師，科研院所的力學科研人員，高等院校計算力學研究生和本科生。
2) 對學員知識要求：要有基本的彈性力學、塑性力學、有限元、線性代數的基礎知識，其知識水平應相當于機械類高年級本科生水平，否則會影響培訓效果。
展開 力學趣談：斷裂力學是破解結構低應力破壞的金鑰匙（轉載自正脈CAE技術平臺）
斷裂力學是固體力學的一個分支，人們說“斷裂力學是破解結構低應力破壞的金鑰匙”。這里，我們就來談談斷裂力學發展過程中的一些趣事吧。
一. “彗星號”大型客機失事慘劇促發斷裂力學的誕生
1954年1月10日，一架英國海外航空公司（BOAC）的一架“彗星”1型客機（航班編號781號）從意大利羅馬起飛，飛往目的地是英國倫敦。飛機起飛后26分鐘，機身在空中解體，墜入地中海，機上所有乘客和機組人員全部遇難。這次事故震驚了全世界，英國成立了專門的調查組調查事故。該型客機停飛兩個月。
就在英國海外航空公司總裁保證該機型不會再出事并復飛后不久，另一架“彗星”型客機也發生了同樣的空中解體事故，墜毀在意大利那不勒斯附近海中。在此一年的時間里，共有3架“彗星”型客機在空中先后解體墜毀。此慘劇令當時英國為之驕傲的“彗星號”大型客機（參見圖1）壽終正寢，也促發了科學家研究低應力斷裂的“裂紋力學”，此即斷裂力學誕生的由來。
圖1 “彗星號”大型民航客機
對事故的調查發現，“彗星”客機采用的是方形舷窗。經多次起降后，在方形舷窗拐角（直角）處會出現金屬疲勞導致的裂紋（裂隙）。正是這個小小的裂紋引起了災難事故。后來，所有客機舷窗均采用圓形或設計有很大的圓角，以減小應力集中，提高金屬疲勞強度；延緩疲勞裂紋的發生，此系后話。
進一步研究證明，裂紋的存在，引起飛機結構發生低應力破壞，通行的設計準則遇到極大挑戰。這個研究孕育了斷裂力學的誕生，并促進了其快速發展。到1957年，美國科學家歐文（G.R.Irwin）提出應力強度因子的概念，從此線彈性斷裂力學基本建立起來。斷裂力學誕生并用于結構設計后，源于裂紋引發的災難事故大大減少，可見斷裂力學是破解結構低應力破壞的金鑰匙。
二.
展開 斷裂力學應用實例
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斷裂力學論文
鋼結構吊車梁疲勞動態可靠度研究.pdf
裂紋幾何特征對壓剪復合斷裂的影響分析.pdf
重慶菜園壩長江大橋主拱靜力穩定性分析.pdf
斷裂力學簡介及案例分析
因此需要研究結構疲勞裂紋擴展規律及斷裂失效控制理論和方法，即斷裂力學。
2.分類
根據裂紋尖端屈服區域大小不同，斷裂力學可分為線彈性斷裂力學與彈塑性斷裂力學。前者適用于裂紋尖端附近小范圍屈服的情況；而后者適用于裂紋尖端附近大范圍屈服的情況。
應力在裂紋尖端有奇異性，因此引入應力強度因子（其在裂紋尖端為有限值），它控制裂紋尖端場附近的應力場和位移場。
應力強度因子通常用于線彈性斷裂問題及小范圍屈服條件下裂紋擴展斷裂問題。對大范圍屈服條件下裂紋擴展斷裂問題，與之對應的可使用J積分來描述，線彈性情況下其與應力強度因子等價。
對于不考慮裂紋（缺陷）的物體，當結構的應力水平超過其材料的屈服應力（通常作為彈性設計中的失效判據）時，認為結構發生失效；與之類似，對于考慮裂紋（缺陷）的物體，當裂紋尖端的應力強度因子達到一定臨界值（斷裂韌性）時，裂紋萌生；隨后發生穩定擴展；最后失穩擴展直至斷裂。
3.案例
2022年1月18日，重慶市鵝公巖軌道橋（其主要供重慶軌道環線列車運行）一吊索叉耳螺桿發生斷裂。
結合斷裂力學理論和螺桿失效斷面圖，該螺桿的失效過程可分為下列三個階段：
階段
可能原因
裂紋萌生階段
螺桿制造環節產生的難以避免的劃痕的等缺陷。
展開 ABAQUS的斷裂力學工程應用
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斷裂力學介紹
斷裂力學所說的裂紋是指宏觀的、肉眼可見的裂紋，工程材料中的各種缺陷可近似地看作裂紋。基本研究內容包括：
a) 裂紋的起裂條件；
b) 裂紋在外部載荷和（或）其他因素作用下的擴展過程；
c) 裂紋擴展到什么程度物體會發生斷裂。
根據工程方面的需要，可知斷裂力學研究問題分為三個方面：
① 含裂紋的結構在什么條件下破壞？
② 結構在給定載荷下可允許含有的裂紋大小？
③ 在裂紋和載荷條件確定時，結構的壽命是多少？
斷裂力學是研究含裂紋構件強度與壽命的一門固體力學新分枝，是結構損傷容限設計的理論基礎。從材料特定來看，包括兩類斷裂力學：
a) 線彈性斷裂力學：適用于裂紋尖端附近小范圍屈服的情況；
b) 彈塑性斷裂力學：適用于裂紋尖端附近大范圍屈服的情況。
展開 斷裂力學中的素質教育
來源：力學酒吧
作者：張偉偉
引言：“墻之崩隤(tui，二聲，倒塌之意)，必因其隙；劍之毀折，皆由于璺（wen，四聲，裂紋之意）”是北齊劉晝在《劉子新說》中第三十三篇《慎隙》中的語句。兩句話都強調了裂縫對結構強度的影響，不過劉晝并不是在講斷裂力學，而是通過對事物現象的觀察進行悟道，獲得人生的成長之道。
在材料力學中，我們假定材料為連續體、不含有裂紋等缺陷（連續性、均勻性基本假設），因此在利用強度理論時只需要求得工作應力，然后和許用應力進行對比即可。然而，材料中出現缺陷是難以避免的，也很難制造出理想的、沒有任何缺陷的材料。這些缺陷的存在將會引起嚴重的應力集中，因此忽視缺陷的材料力學設計理念實際上給結構設計埋下了巨大的安全隱患。
在斷裂力學中，則首先假定材料中存在一定的缺陷——裂紋，進而對含裂紋構件的斷裂強度進行專門和深入的研究，討論含裂紋構件的起裂、擴展和止裂規律，定量分析工程應用中各種裂紋對結構強度影響的具體影響。這就彌補了材料中不考慮構件缺陷而進行強度分析的不足。
我們知道，當結構中存在裂紋或者缺陷時，在裂紋或缺陷周邊將會引起應力集中，為了描述應力集中的程度，引入了應力集中系數，即用裂紋或缺陷周邊局部最大應力值除以材料均勻處的名義應力（也稱工作應力）。1898年齊爾西（Kirsch.G）推導了結構中存在圓孔時，圓孔周邊的應力集中系數為3，這是在構件中開孔時，應力集中系數最小的一種。
圓孔應力集中，應力集中系數為3（孔邊最大應力除以遠端平均應力）
1919年，穆斯赫利什維利（N. I.
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斷裂力學小筆記 學一點總結一點
20世紀20年代，Griffith[1]通過對飛機玻璃中破裂和流動現象的研究，提出裂紋是否擴展可由一個熱力學條件決定，奠定了斷裂力學的基礎。根據Griffith的表述，裂紋的擴展釋放了表面牽引力，造成了狀態的不平衡，根據最小勢能原理，勢能會減少以及表面能增加，勢能的變化與內能的釋放和外部載荷做功有關。
圖1-1 包含貫穿裂紋的平板
Fig.1-1 Through-thickness crack in a large plate
以圖1-1所示模型為例，Griffith給出的裂紋體總勢能表達式如(1-1)所示：
式中：U為裂紋體勢能，U0為無裂紋體勢能，Ue為由于裂紋存在而產生的彈性能，Uγ為由于新裂紋表面的出現而產生的彈性表面能，a為裂紋半長，σ為應力，B為裂紋體厚度，γs為形成單位新裂紋面所需能量。對于平面應力條件：β=1，對于平面應變條件：β=1-ν2
當dU/da=0時，裂紋尺寸和總表面能分別為：
等式(1-3)中：左邊出現的系數“2”是指在裂紋擴展過程中形成的上下2個新表面。因此，當施加遠端的應力和裂紋所在的平面垂直，裂紋沿垂直于應力方向擴展所需能量，即Ι型裂紋擴展產生新平面所需要的能量，
如式(1-4)所示，對于線性或非線性彈性材料，勢能變化率?Ue/?A的負值表示用于裂紋擴展的能量，A為裂紋面積，因此，G1通常被稱為彈性應變能釋放率。由此可見：裂紋擴展過程中在裂尖的彈性應變能大于周圍其他區域，裂紋長度的增加需要額外的能量，或者說，裂紋前段有線張力T，這個張力就是裂紋尖端每增加一個單位長度所需增加的單位能量。
[1]Griffith, A. A. The phenomena of rupture and flow in solids[C].
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斷裂力學的學習資料
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斷裂力學應用實例
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準靜態力學的斷裂失效仿真 ￥100
對于結構件受拉壓彎扭后發生的斷裂失效，如果采用靜力學分析方法，會得到應力分布，但無論外力多大都無法觀察到斷裂效果。雖然采用動力學分析方法可以實現斷裂效果，但時間步長較小而求解時間長導致求解效率低。所以提出一種基于準靜態力學的斷裂失效的仿真方法。
