材料力學與斷裂力學的案例
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【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。
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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。
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展開 ANSYS知識普及系列24——各種斷裂力學方法的適用材料
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詳見下表：
斷裂應變超過1240%！光固化4D打印超高力學性能形狀記憶高分子材料
近日，南方科技大學機械與能源工程系副教授葛锜團隊和西北工業大學副教授張彪團隊在Advanced Materials合作發表論文，報道一種用于光固化4D打印的超高力學性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態斷裂應變超過1240%，在150%-250%的應變區間可以重復加載超10000次。此外，其優異的光聚合性能使其成為數字光處理（Digital Light Processing - DLP）4D打印的理想材料，最高打印精度2微米，在智能家居、航空航天和軟體機器人領域應用潛力非常大。該項研究被Advanced Materials后內封面重點報道。
4D打印是一種新興的制造技術，它能夠使打印出來的三維結構的形狀在外界環境刺激下隨時間變化。與用于4D打印的其他主動軟材料（Soft Active Materials -SAMs）相比，形狀記憶高分子（Shape Memory Polymers - SMPs）具有更高的剛度，并且能與各種3D打印技術兼容。其中，采用DLP 3D打印技術打印可光固化SMP，可以制造具有復雜幾何形狀和高分辨率的4D打印結構。然而，現有可光固化SMP在力學性能方面具有局限性（伸長率偏低、抗疲勞性能差等），這極大地限制了它們的應用范圍。因此，亟需發展可承受大變形且具備抗疲勞能力的光固化SMP，以滿足工程應用中對4D打印智能材料力學性能的高要求。
圖 1. 超高力學性能的tBA AUD SMP用于基于DLP 3D打印技術的4D打印
聯合研究團隊合作開發出了一種超高力學性能可光固化SMP體系。該材料體系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）組成，故稱為tBA-AUD SMP體系。
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【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）
陳篪－中國斷裂力學的先行者
陳篪1948年畢業于清華大學物理系，1950年去蘇聯進修，1954年參加中國共產黨。1958年夏，陳篪調到冶金部鋼鐵研究院，從事高溫合金研究工作。1965年，揭開鎳高溫強度和范性的秘密，寫成《鎳三鋁的蠕變及持久性能》論文，為強化鎳基高溫合金提供了理論基礎。1971年，他呈報《萬言書》“請戰”，第二年便得到了國務院總理周恩來的指示，從此他領導與組織研究了中、低強度鋼的斷裂分析和斷裂韌性測試工作,是我國斷裂力學研究的開拓者和創始人之一。
在他帶領一個試驗小組開始研究斷裂力學的時候，尚在文化大革命期間，必須頂著所謂“反右傾回潮”的政治風浪。然而，他義無反顧，先后進行了40多項的專題研究，寫了80多篇學術論文，奠定了中國斷裂力學發展的基礎。
1975年，陳篪罹患甲狀腺癌，仍忍著病痛，堅持連續3個月的工作，終于找到解析法分析裂紋擴展的規律，親自執筆撰寫了兩篇論文，并親自整理出版《金屬斷裂研究文集》一書。1978年，陳篪在全國科學大會上被選為主席團成員，同年病故，年僅51歲。
陳篪先生是個有成就的科學家，他勇于在“文革”動亂年代，將斷裂力學引入中國，可謂功不可沒。另一方面，他艱苦樸素，衣著簡樸，近乎不修邊幅，過著清貧的生活。
這位被譽為“鋼鐵科學家”的力學家的情懷將永留人間。
四. 淺談線彈性斷裂力學與彈塑性斷裂力學
由于不同材料的斷裂性能差異很大，斷裂過程也有很大區別。適用于這兩類材料的斷裂力學理論也有很大不同。簡言之，對于線彈性材料而言，在斷裂試驗的加載過程中，載荷與加載點的位移曲線基本呈線性性質（直線狀態）。這時裂紋頂點附近塑性變形區域極小，稱為小塑性變形斷裂。
對于此類斷裂行為，線彈性斷裂力學適用。
展開 彈性力學對材料力學的批判與繼承 附彈性力學教程王敏中下載
相對應的，彈性力學借助于微元體，可以求出彈性體任意點的應力、應變和位移，那么，這些解對應于材料力學的工程目標，應力、應變解可用于分析彈性體的強度問題，應變和位移可以分析彈性體的剛度問題，應力可以分析彈性體的穩定性問題，也就是說彈性力學與材料力學具有相同的工程目標。
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材料力學基礎知識，超全收藏！ 附材料力學劉鴻文下載
材料力學所涉及的內容分屬于兩個學科：
固體力學 (solid mechanics)，即研究物體在外力作用下的應力、變形和能量，統稱為應力分析 (stress analysis)。但是，材料力學又不同于固體力學，材料力學所研究的僅限于桿類物體，例如桿、軸、梁等。
材料科學 (materials science) 中的材料的力學行為 (behaviors of materials)，即研究材料在外力和溫度作用下所表現出的力學性能 (mechanical properties) 和失效 (failures) 行為。但是，材料力學所研究的僅限于材料的宏觀力學行為，不涉及材料的微觀機理。
力學特性是指在外力作用下材料變形與所受外力之間的關系，以及材料抵抗變形和破壞的能力，這些力學特性均需通過材料試驗確定。
以上兩方面的結合，使材料力學成為工程設計 (engineering design) 的重要組成部分，即設計出桿狀構件或零部件的合理形狀和尺寸，以保證它們具有足夠的強度、剛度和穩定性。
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引言
復合材料的定義有多種，大體而言，指的是兩種或多種不同性質的材料用物理和化學方法在宏觀尺度上組成具有新性能的材料。
本系列大體上參考《復合材料力學》，沈觀林等著，清華大學出版社。
文章盡量少地牽涉數學公式，以概念和觀點為主，并在最后增加了一些案例，說明復合材料力學是如何進行分析的。
本人在復合材料力學分析的水平和經驗水平有限，希望大家能一起學習討論。
基本概念
復合材料這個概念并不新鮮，人類很早就開始使用復合材料，如古代使用的土坯磚就是由黏土和稻草（或麥稈）組成；此外，我們熟知的鋼筋混凝土、膠合板等，都是復合材料。
復合材料從應用的角度大致可以分為2類：
功能復合材料，如導電、耐高溫燒蝕、磨阻等；
結構復合材料，作為一種結構件，具有高比強度或比剛度，我們這個系列主要討論的就是這類復合材料。
基本分類
結構復合材料由基體材料和增強材料兩部分組成：
基體材料，主要起到連接、固定、傳遞、保護等作用，通常由樹脂、金屬和非金屬；
增強材料，核心作用，提供材料的剛度和強度。
復合材料相比金屬材料，復雜得多，具有很多特點，并且可設計。
展開 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
斷裂力學的學習資料
斷裂力學的學習資料
斷裂力學學習.part04.rar
斷裂力學學習.part03.rar
斷裂力學應用實例
斷裂力學應用實例.part4.rar
斷裂力學應用實例.part1.rar
斷裂力學應用實例.part2.rar
斷裂力學應用實例.part3.rar
斷裂力學（Fracture Mechanics）
發現一本關于斷裂力學的好書，在此分享給大家。
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）。
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 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。
