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關于可靠性方面專科畢業(yè)論文范文,與斷裂力學的工程應用相關論文范例
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摘 要 零件失效形式之一是脆性破壞,傳統(tǒng)防脆斷的方法不僅很保守,而且脆性破壞沒有得到有效的控制.本文就斷裂力學在實際工程的應用進行分析,探討帶裂紋零部件受到外加載荷、內應力的作用是否出現脆性斷裂,以及不斷裂的情況下的使用壽命等,一直是人們非常關注的重要問題.
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關 鍵 詞 斷裂力學；工程；應用
中圖分類號TM591 文獻標識碼A 文章編號 1674—6708（2012）76—0127—02
0 引言
斷裂力學是主要研究含裂紋的構件斷裂強度的學科,被廣泛的應用在航空航天、橋梁、鐵路、船舶、建筑等工程領域,解決了很多生產問題.尤其是在設計抗斷、對構件疲勞壽命進行預測、合理選材、制定科學質量驗收的標準及檢測制度,在預防發(fā)生斷裂事故等方面起到非常關鍵的作用,是現代強有力的設計工具.采取斷裂力學的理論設計與分析工程結構,涉及到廣泛的領域知識、方法、經驗,同時還需要通過復雜的運算與細微的分析,才能判斷出可靠真實的結論.所以,采用斷裂力學的理論構建工程構件的設計、分析及評估的系統(tǒng),能夠給工程技術提供快速且實用的工具,不僅可以節(jié)省大量的設計評估時間及人力,還可以在很大程度上提高了分析計算的真實可靠性[1].
1金屬斷裂的定義
金屬斷裂是指金屬在受到外加載荷以及內應力的作用下出現破碎,整個斷裂的過程是裂紋產生與裂紋擴展的過程.
1.1裂紋產生原因
裂紋產生主要是發(fā)生在構件制造的過程中,比如在進行焊接缺陷、機加工刀痕和在熱處理時的淬火裂紋等；材料在冶煉和鑄造的過程中形成疏松
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1.2裂紋擴展經過
裂紋只要一形成,在應力和環(huán)境的作用下,裂紋就會慢慢擴展,其擴展方式主要有張開型、滑開型以及撕開型三種.裂紋的這三種擴展方式最危險的是張開型,特別容易發(fā)生脆性斷裂,所以在裂紋體脆性斷裂的問題研究中,都是把張開型當作研究的對象.張開型裂紋擴展有以下3種情況：
1）對于韌性材料,低碳鋼與材料在韌性到脆性的轉變溫度之上,在應力超過了σs的時候,原先已經出現的微裂紋就不在作不穩(wěn)定的擴展,而是在裂紋頂端形成新的微裂紋.是由于塑性撕裂導致微裂紋長大并且相互連接,當到達臨界裂紋的尺寸ac的時候就會進行不穩(wěn)定的快速的擴展,這種斷裂是因為裂紋發(fā)生擴展,進而導致材料能夠承受載荷有效的面積被減少,當有效面積小到某個臨界值的時候,使材料無法承受原來的載荷所造成的,如上圖所示.
2）對于脆性材料,高強鋼和超高強鋼以及材料在韌性到脆性的轉變溫度之下,在材料具有的長度初始裂紋a0的時候,應力只要達到了斷裂的應力σc,裂紋就會快速的傳播并且不需要繼續(xù)加大應力就可以導致材料發(fā)生斷裂,也就是說在裂紋的前端應力場的強度因子KI已經達到了材料斷裂的韌度KIC,使裂紋進行快速的擴展而造成材料出現斷裂,如下圖所示.
3）在恒定載荷以及疲勞載荷的作用下,裂紋的擴展相對緩慢.當在恒定和疲勞載荷下受到腐蝕環(huán)境的作用時,通過一定的孕育期之后,裂紋就會長大到達臨界裂紋的尺寸ac的時候,就會快速的發(fā)生擴展,從而導致材料出現斷裂,如下圖所示.
2.裂紋前端的應力場強度因子和斷裂的韌度
2.1 應力場的強度因子KI
通常KI的表達式是： KI等于Yσ,KI表示外加的應力σ和裂紋的長度a以及裂紋形狀的系數Y這三者間的函數,是在裂紋尖端的附近各個應力分量公因子.只要明確在裂紋尖端的附近某個點的坐標,就能夠求得出這個點全部的應力分量,而且其應力分量的大小是由KI所決定的,所以說KI是能夠反映出裂紋尖端的附近應力場的強弱程度參量.不同試樣,不同類型和不同零部件的裂紋,其裂紋形狀的系數Y也是不相同的,所以在實踐應用中要特別注意.
2.2 斷裂的判據
按照應力場的強度因子KI與斷裂的韌度KIC相對大小,能夠對裂紋失穩(wěn)的擴展脆斷進行判據,就是當KI≥KIC,裂紋體在受力的時候,只要能夠滿足上述的條件就會出現脆性斷裂；反之就算是存在裂紋,但是只要KI
2.3 斷裂的韌度KIC
帶裂紋的材料由于KI不斷變大導致裂紋逐漸的張開,一直張到裂紋的尖端開裂,這時候的KI值就是材料斷裂的韌度KIC.材料在臨界的狀態(tài)下與對應平均的應力是稱作斷裂強度,記為σc.對應裂紋的尺寸被稱作臨界裂紋的尺寸,記為ac.三者之間的關系是KIC等于Yσcπac .這就和拉伸中的σ相似,在σ逐漸變大到材料能夠產生屈服的時候σ的值就可以記作σs,σs 是材料能夠抵抗屈服變形的指標,因此,KIC是材料能夠抵抗裂紋臨界的開裂指標.通過以上的分析可以知道,KI 與σ都是力學的參量,只和載荷、試樣的尺寸有關,但是和材料無關；而KIC 和σs 均是力學性能的指標,只與材料的成分和組織結構有關,但不和載荷、試樣的尺寸無關.
3.斷裂力學的工程應用
采用斷裂力學的原理可以進行防斷設計有幾個方面：1）通過斷裂力學進行安全設計的指導工作；2）對含有裂紋的構件安全性與壽命進行估算,在工作的條件下,確定構件的裂紋容限；3）對各種斷裂的事故進行綜合的分析,提出科學的改進措施；4）合理的選擇材料與工藝,發(fā)展新的材料和新的工藝,尋找能夠代用的材料.
3.1 通過斷裂力學的方法進行安全分析
由于斷裂力學得到不斷的發(fā)展,美國的CE與WH、瑞士的BBC、法國的AA、日本三菱以及日立、捷克SKODA 等都建立起了企業(yè)缺陷的容限標準.中小型的電站使用汽輪發(fā)電機組不僅利用熱套配合軸,還通過軸向鍵和軸進行聯(lián)結.最近幾年來,不斷的發(fā)現葉輪經常在鍵槽的根部產生裂紋,裂紋發(fā)生在鍵槽圓角的應力相對集中的地方,并且還會沿徑向的發(fā)展.在工作的時候,葉輪會受到葉片的離心力和其自身所產生的離心力,還有溫差的熱應力作用.為了明確帶裂紋的葉輪進行安全儲備,應該計算離心力與熱應力的作用下應力的強度因子,確定葉輪的材料具有的斷裂韌性,從而可以準確的計算出葉輪臨界裂紋的長度,還可以通過超聲檢驗等不損失葉輪的檢驗方法進行檢驗,明確葉輪的原始裂紋,并且和臨界裂紋比較.斷裂力學理論和方法要以安全設計和缺陷驗收的標準以及設計手冊等形式為工程界提供有利的數據,以便工程界使用及執(zhí)行.這是非常科學和重要的做法,是值得在工程中推廣與應用.
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3.2 利用斷裂力學的方法進行失效分析
失效分析指事故、故障發(fā)生之后必須進行的檢側與分析,主要是為找到失效部位、原因及機理,最終掌握產品的改進方向和修復方法,避免類似問題再次出現,促進技術的不斷發(fā)展.所以,失效分析的技術受到社會各界的廣泛重視,同時,新技術的發(fā)展也帶來新問題也要加以分析才能更好的解決.失效的模式主要有：疲勞、斷裂、腐蝕、蠕變、磨損等,這些模式都能夠利用斷裂力學的方法和斷口分析的技術解決,斷裂力學方法是最有效的失效分析工具[3].
3.3 可靠性設計中概率斷裂力學的應用
在可靠性設計中采用概率斷裂力學,能夠促進可靠性設計的發(fā)展.因為安全余度對應力與強度二階矩進行充分考慮,準確的表現了結構的可靠度實質,不僅考慮到變異特性,還考慮到平均值,所以和失效的分布有直接關系,能夠使安全設計更加可靠,積累大量的數據,是設計發(fā)展的方向.國外已經能夠比較完整的把概率斷裂力學應用在飛機結構上,如容限分析、結構可靠性、耐久性及事故的分析等方面.此外,在反應堆壓力容器的研究中概率斷裂力學也得到廣泛的應用.
參考文獻
[1]陳慶豐,黨華.斷裂力學的形成發(fā)展與應用[J].內蒙古石油化工,2011（22）：68—69.
[2]李鋒,馬紅艷.斷裂力學在冰工程中的應用[J].冰川凍土,2010（1）：54—55.
[3]方秀榮.基于斷裂力學理論的含裂紋大型鍛件的分析研究[J].熱加工工藝,2010（11）：89—90.
免費論文參考文獻：
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