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1、1 理 論 性 強(qiáng) 本課程以工程斷裂力學(xué)的有關(guān)概念和有關(guān)理論為基礎(chǔ)，在基本掌握了工程斷裂力學(xué)的基本理論的基礎(chǔ)上，才可能理解壓力容器安全評(píng)定的有關(guān)概念和規(guī)范。 2 綜 合 性 強(qiáng) 它要求學(xué)習(xí)者要全面、綜合考慮壓力容器在設(shè)計(jì)、制造、使用過程中所遇到的有關(guān)問題。考慮材料、制造工藝、設(shè)計(jì)理論對(duì)壓力容器安全運(yùn)行的影響，只有這樣，才能靈活地、有效地學(xué)好這門課程。 3 是 一 門 理 論 聯(lián) 系 實(shí) 際 的 、 發(fā) 展中 的 科 學(xué) 1 實(shí)例 2 工程斷裂力學(xué)應(yīng)用簡(jiǎn)介 o斷裂失效的實(shí)例o傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足：o按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的構(gòu)件在工作時(shí)發(fā)生破壞。o 1979年5月，DC-10寬體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)脫落。o 20
2、世紀(jì)40年代后期，145艘自由輪號(hào)萬噸輪斷成兩截，700艘左右嚴(yán)重破壞（共生產(chǎn)2500艘，破壞率33.8%）。 Titanic慘劇的原因：三要素1 材 料 因 素 ： 采用含硫高的鋼板 韌性差，特別是低溫呈脆性2 力 學(xué) 因 素： 冰山?jīng)_擊 沖擊載荷3 環(huán) 境 因 素： 冰海 低溫 發(fā) 生 斷 裂 失 效 的 船 體 為 什 么 ？ 傳 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 理 論 的 局 限分析： 1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法認(rèn)為材料是均質(zhì)，無缺陷的，各向同性的。 2 在這個(gè)假設(shè)的前提下，對(duì)于塑性材料破壞之前必須先發(fā)生較大的塑性變形。 斷 裂 力 學(xué) 的 產(chǎn) 生 實(shí) 際 情 況 是：對(duì)于較高強(qiáng)度的具有一定缺陷的構(gòu)件，往往發(fā)生了脆
3、斷，即斷裂前沒有發(fā)生較大的塑性變形。通過觀察分析可知，這些斷裂是從局部裂紋擴(kuò)展而成的。 判據(jù)： 不適用于 評(píng)判帶有裂紋的構(gòu)件，為了解決這個(gè)問題，斷裂力學(xué)(fracture mechanics)產(chǎn)生了。 斷裂力學(xué)理論在安全評(píng)定中的應(yīng)用：o應(yīng)用于宇航、機(jī)械、化工、地質(zhì)諸方面o主要解決：1.裂紋尺寸多大時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂（破壞）？2.從小裂紋發(fā)展到臨界裂紋需要多長(zhǎng)時(shí)間？3.對(duì)裂紋的應(yīng)對(duì)措施。4.對(duì)材料性能的全面認(rèn)識(shí)，注意到韌性的作用 2 工程斷裂力學(xué)簡(jiǎn)介o斷裂力學(xué)的主要任務(wù)o韌性斷裂與脆性斷裂o脆性與韌性o韌度o大韌性破壞o裂紋的擴(kuò)展o線彈性斷裂力學(xué)與彈塑性斷裂力學(xué) 斷 裂 力 學(xué) 的 主 要 任 務(wù) 為
4、解決斷裂力學(xué)應(yīng)用上述問題，需要找到一個(gè)參量，該參量能表征裂紋尖端欲擴(kuò)展的強(qiáng)度。對(duì)該參量的觀察與限制能判斷裂紋是否擴(kuò)展或控制裂紋的擴(kuò)展。這就是斷裂力學(xué)的主要任務(wù)之一。 o脆性斷裂與韌性斷裂 o脆性：韌度低（brittle）o韌性：韌度高（ductile） o脆性斷裂：斷裂前無明顯塑性變形（無頸縮）o韌性斷裂：斷裂前有明顯塑性變形（有頸縮） 韌 性 斷 裂 ： 斷 裂 前 有 明 顯 塑 性 變 形 韌 度 （ toughness） 材料在斷裂前的變形中吸收能量的能力 脆 性 斷 裂 斷 裂 前 沒 有 明 顯 的 塑 性 變形 脆 性 斷 裂 與 韌 性 斷 裂 脆 性 斷 裂 與 韌 性 斷
5、裂o脆性斷裂發(fā)生突然。o韌性斷裂從啟裂到失穩(wěn)擴(kuò)展有一段進(jìn)程。o低溫、截面積增大、裂紋長(zhǎng)度增大等會(huì)增大脆性斷裂的可能性。 大 塑 性 破 壞 ： 破 壞 前 頸 縮 至 一 根 線 那 么細(xì) 。 裂 紋 的 擴(kuò) 展 o靜止的裂紋o亞臨界裂紋擴(kuò)展，卸載后裂紋擴(kuò)展停止o失穩(wěn)擴(kuò)展，100m/s，立即卸載也不一定停止 線彈性斷裂力學(xué)與彈塑性斷裂力學(xué)根 據(jù) 裂 紋 裂 端 區(qū) 的 彈 塑 性 情 況 可 分 為 ：1 線彈性斷裂力學(xué) linear elastic fracture mechanics（LEFM)2 彈塑性斷裂力學(xué) elastic plastic fracture mechanics (EP
6、FM) 了解了這些斷裂實(shí)例和基本概念后，我們知道，壓力容器以及其他機(jī)械構(gòu)件存在著大量的非常規(guī)設(shè)計(jì)所“描述”的 所限制的整體失效方式。壓力容器失效評(píng)定的理論和方法正是在探討這些“意外”失效的機(jī)理和防治方法的過程中發(fā)展起來的。 1.3 本 課 程 有 關(guān) 內(nèi) 容 對(duì) 經(jīng) 濟(jì) 社 會(huì) 的 意 義本節(jié)內(nèi)容：o使“安全性和經(jīng)濟(jì)性問題”達(dá)到更高層次的一致。o可以對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。 1 使 “ 安 全 性 和 經(jīng) 濟(jì) 性 問 題 ” 達(dá) 到 更 高層 次 的 一 致 實(shí)踐證明，理想的、無缺陷的（設(shè)計(jì)時(shí)所理想）狀態(tài)是沒有的。實(shí)際工程中總是存在著缺陷，但這些缺陷對(duì)壓力容器安全性的影響究竟有多大是需要
7、評(píng)定的。這種評(píng)定使我們可以在更經(jīng)濟(jì)的條件下保證壓力容器的安全使用。 2 可 以 對(duì) 經(jīng) 濟(jì) 社 會(huì) 帶 來 更 大 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益因?yàn)閴毫θ萜鲀r(jià)格昂貴，安裝要求嚴(yán)格，體積較大，正確評(píng)定缺陷的影響，確定合理的檢修、更換方案，無疑會(huì)帶來巨大的效益 因很多設(shè)備用于長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)，正確評(píng)價(jià)缺陷的作用將會(huì)帶來相關(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。 1.4 結(jié) 構(gòu) 安 全 評(píng) 定 的 過 程 、 方 法 及 發(fā) 展趨 勢(shì)評(píng) 定 過 程 ： 無損檢測(cè)，確定缺陷 應(yīng)力分析，總體應(yīng)力分析和缺陷部位的應(yīng)力分析 確定力學(xué)性能 斷裂力學(xué)參數(shù)分析(應(yīng)力強(qiáng)度因子,J積分,COD)，判定危險(xiǎn)程度 b s IcK 評(píng) 定 方 法 確定性評(píng)定方法 概率安全評(píng)定方法 壓力容器安全評(píng)定的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)一步完善確定性方法發(fā)展概率完全評(píng)定方法
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