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损伤和断裂力学医学知识断裂发生时在裂纹端点要释放出多余的能量，因此，裂端区的应力场和应变场必然与此裂端的能量释放率有关。若裂端应力应变场的强度（intensity）足够大，断裂即可发生，反之则不发生。因此，得到裂端区应力应变场的解析解是个关键。近代断裂力学是用弹性力学的解析方法来完成

这一工作的，而这些解析法需要用高深的数学工具，这对于初次接触断裂力学的读者来说，是比较困难的。因此，本章只给出一些主要的概念和结果，并介绍一些工程近似方法。损伤和断裂力学医学知识23-1裂纹的基本型一般将裂纹问题分为三种基本型，如图所示张开型滑移型撕裂型损伤和断裂力学医学知识3裂纹

基本型第一种称为张开型（openingmode）或拉伸型（tensionmode），简称I型。其裂纹面的位移方向是在使裂纹张开的裂纹面法线方向(y方向)。它通常发生在载荷和几何形状对称于裂纹平面的情形，例如Griffith裂

纹是I型裂纹，其裂纹的扩展方向是正前方（x方向）。若物体是均匀厚度的平板，裂纹贯穿板厚，则问题是二维的（平面问题）；若物体不是平板或者裂纹没有贯穿板厚，则是三维问题。许多工程上常见的断裂都是I型裂纹的断裂，这也是最危险的裂纹类

型。损伤和断裂力学医学知识4裂纹基本型第二种裂纹型称为同平面剪切型（in—planeshearmode）或者滑移型（slidingmode），简称II型。裂纹上下表面的位移方向刚好相反，一个向正x方向，另一个向负x方向。在板厚均匀和裂纹贯穿板厚的情况下，此裂纹问题也是二维的，属弹性力学平面问

题。损伤和断裂力学医学知识5裂纹基本型第三种裂纹型称为反平面剪切型（anti—planeshearmode），简称III型。裂纹面上下表面的位移方向也是刚好相反，但一个向正z方向，另一个向负z方向。这里的z方向是板厚方向，属弹性力学空间问题。除了这三种基本型外，尚有复合型裂纹（mi

xedmodecrack），它是两种以上基本型的组合。损伤和断裂力学医学知识63-2裂端的应力场和位移场下面考虑二维的I型裂纹问题。图给出一个以裂纹端点为原点的坐标系，此坐标系x方向是裂纹正前方，y方向是裂纹面的法线方向，z方向则是

离开纸面的方向。考虑一个离裂端很近，位置在极坐标(r，θ）的单元，其应力状态可以用σx、σy和τxy三个应力分量来表示。裂纹前沿的应力应变场究竟是怎样的？损伤和断裂力学医学知识7I型裂纹的应力场由弹性力学（椭圆孔口问题）的解析解，得裂端的应力场恒为＋高次项

在裂端区，即r足够小的情形下，式中r的高次项比首项小得多，因而可以忽略。23cos2cos2sin223sin2sin12cos223sin2sin12cos2rKrKrKIxyIyIx=+=−=损伤和断

裂力学医学知识8I型裂纹的应变场从上式可见，裂端区应力场的形式恒定，其强度完全由KI值的大小来决定，因此就称KI为I型裂纹的应力强度因子。裂端区的应变场可以由弹性力学公式求得为：我们的兴趣不在于得到精确的应变场形式，而在于知道应变分

量也只由应力强度因子来确定。yxjifrKijIij,,),(2==损伤和断裂力学医学知识9I型裂纹的位移场通过应变一位移关系，经过复杂的计算，可以得到裂端区的位移场为：这里u和v分别为x和y方向的位移分量，μ是剪切模量，κ与泊松比ν的关系为：平面应力平面应变

2sin2cos2)1(222cos2sin2)1(2222/122/1−+=+−=rKvrKuII+−−=1343损伤

和断裂力学医学知识10II型和III型裂纹对于II型和III型裂纹，裂端区的应力场和位移场的形式也是恒定的，而且其表达式与I型裂纹相似。II型和III型裂纹的应力强度因子分别用KII和KIII表示。由于II型裂纹也是平面问题，可采用上面的坐标系来描述，而且只有应力

分量σx、σy和τxy存在。III型裂纹问题是反平面剪切问题，位移分量仅有z方向的w，应力分量仅有τxz和τyz。损伤和断裂力学医学知识11II型裂纹的应力场和位移场−==+=23sin2sin12cos223cos2cos2sin223cos2cos22

sin2rKrKrKIIxyIIyIIx2cos2sin2)1(222sin2cos2)1(2222/122/1+−−=++=rKvrKuIIII损伤和断裂力学医学知识12III型

裂纹的应力场和位移场2cos22sin2rKrKIIIzyIIIxz=−=2sin222/1=rKwIII损伤和断裂力学医学知识13思考题如图所示的坐标系，I型和II型裂纹的裂端区应力场在裂纹表面有何特点？在裂纹正前方又分别有何特点？裂端区位移分量在裂纹表面和正

前方又有何特点？损伤和断裂力学医学知识143-3应力奇异性和应力强度因子三种基本裂纹型的裂端区应力场给出的裂端区应力场有一个共同的特点，即r→0时，即在裂纹端点，应力分量均趋于无限大。这种特性称为应力奇异性（stress

singularity）。为何会出现应力奇异性呢？这是因为裂纹端点是几何上的不连续点的缘故。损伤和断裂力学医学知识15应力奇异性图示带有圆孔、椭圆孔和裂纹的无限大平板。它们分别受到无穷远处y方向的均匀拉应力

的作用。对于圆孔，此时A和B两点有应力集中现象，其应力集中系数(stressconcentrationfactor)已广为人知。对于椭圆孔，应力集中仍发生A点和B点，其应力集中系数为：a为椭圆的长半轴，ρ为椭圆长轴端点

的曲率半径。aKt21+=损伤和断裂力学医学知识16应力奇异性由于a大于ρ，所以Kt恒大于3，即椭圆应力集中的程度比圆孔问题严重。若是短轴长趋于零，则ρ也将趋于零，此时应力集中系数Kt将趋于无限大。在没有特别说明的情况

下，断裂力学所指的裂纹，其裂端的曲率半径是为零的；在不受力的情况下，上下两个裂纹面是互相接触的。因此，裂纹即裂端曲率半径趋于零时的椭圆孔，其裂端有无限大应力。损伤和断裂力学医学知识17应力是看不见的，它是个抽象的概念，

然而位移过程是可以看到的。物体上个别点（无限远处除外）具有无限大的应力并不会使该点的位移趋于无限。因此，裂端具有无限大应力是允许的。同时可以证明，这并不影响裂端区应变能的有界。损伤和断裂力学医学知识18三种基本裂纹型裂端区某点的应力值、应变值、位移值和应变能密度值

都由应力强度因子及其位置来决定。因此，只要知道应力强度因子，裂端区的应力、应变、位移和应变能密度就都能求得。由于有这一特点，应力强度因子可以作为表征裂端应力应变场强度的参量。近代断裂力学，就是Irwin在五十年代中期提出了应力强度因子的概念，

认识到它的意义后才开始发展起来的。损伤和断裂力学医学知识19习题当应力奇异性是由r-n来决定时，n就称为应力奇异性的指数。当线弹性体的裂纹端点具有指数n为1/2的应力奇异性时，试由量纲分析着手，证明裂端区的应变能将是有界的。若要裂端区的应变能有界，能否反过来从数学上证明应力奇异性指

数不得大于或等于1？损伤和断裂力学医学知识203-4常见裂纹的应力强度因子应力强度因子可以用来表征裂纹端点区应力应变场强度的参量，因此，在工程应用前，首先要计算应力强度因子。计算应力强度因子有解析法和数值法两种，前者包括应力

函数法、积分变换法、契合问题解法等等；后者包括有限单元法、边界元法、边界配置法等。从五十年代中期以来，已建立了许多的计算应力强度因子的方法，对很多常见裂纹问题的应力强度因子已汇集成手册。因此，可以根据手册的结果，作一定的简化和近似后，来解决

工程问题。损伤和断裂力学医学知识21裂纹的应力强度因子应力强度因子的值由载荷、裂纹数目、长度和位置以及物体的几何形状等共同决定。它的单位是[力]•[长度]-3/2。常用单位为制的百万牛顿•米-3/2(MN/m3/2)或用公制的公斤力•毫米-3/2。由于I型裂纹是最主要的裂纹型，下面介绍一些标准裂

纹问题，给出实验室常用试件和工程零构件最常见I型裂纹的应力强度因子（用K表示）。损伤和断裂力学医学知识22Griffith裂纹的应力强度因子aK=损伤和断裂力学医学知识23无限大平板有中心裂纹，裂纹

表面某处受到一对集中拉力P（单位厚度集中力）作用的应力强度因子babaaPKbabaaPKBA+−=−+=损伤和断裂力学医学知识25有限宽的长条板有中心裂纹，受到无穷远处的均匀拉伸的应力强度因子=haaKsec损伤和断裂力学医学知识26有限宽的长条板有单边裂纹，受到无穷

远处的均匀拉伸的应力强度因子aKhahahahahahafhafaK12.138.3071.216.1023.012.1432=+−+−==损伤和断裂力学医学知识27有限宽的长条板有单边裂纹，受到无

穷远处的纯弯曲的应力强度因子设则2/6hM==hafaKaKhahahahahahaf12.10.1408.1333.740.112.1432=+−

+−=损伤和断裂力学医学知识28圆孔萌生的单边裂纹—工程近似解的应力强度因子无限大平板的圆孔萌生了一条穿透板厚的裂纹，裂长为L。若平板受到无穷远处的均匀拉伸，当L<<R时，应力强度因子

的上限为:若裂纹较长，则下限用:LK)3(12.1=)2/(LRK+=损伤和断裂力学医学知识29圆孔萌生的双边裂纹—工程近似解的应力强度因子)2/)((21LLRK++=损伤和断裂力学医学知识3

0圆裂纹的应力强度因子又称为钱币裂纹（penny-shapedcrack），是三维的I型裂纹问题，裂纹表面呈圆形。假设受到垂直裂纹表面的拉伸应力，当弹性体的体积远大于圆裂纹尺寸，且拉伸应力为均布时，圆

周上每一点的应力强度因子（精确解）为：aK2=损伤和断裂力学医学知识31椭圆裂纹的应力强度因子Φ为第二类椭圆积分：在短轴的端点，K有最大值。在长轴的端点，K有最小值。4/12222cossin+=

caaK−−=dcac2/12/02222sin1损伤和断裂力学医学知识32半椭圆形表面裂纹=aFKA=+−+−+=+0)(38.30)(71.21)(6.10)(23.012.10)()5

.0(2.510.14328.1/5caBaBaBaBacaBaFcaca当当损伤和断裂力学医学知识33形状因子从上述例子可见，强度因子总是与载荷成正比（这里指单向加载的拉伸应力或集中力），而且在均匀拉伸下，恒有的形式。这里Y是与载荷无关，而与几何变数（裂纹长度或位置、物体形状等）有关的量，

故称为几何因子或形状因子（geometricfactor）。aYK=损伤和断裂力学医学知识343-5叠加原理及其应用线弹性力学的本构关系是线性的，因此，裂纹问题的应力强度因子可以利用叠加原理来求得。下面举例介绍叠加原理在求应力强度因子方面的几种应用。损伤和断裂力学医学知识351

.同型裂纹的叠加两个以上的外载荷同时作用于一个带裂纹的物体，若此时的裂纹问题与每个载荷单独作用时是同一型裂纹，则应力强度因子为每个载荷单独作用时应力强度因子之和。aPaK+=损伤和断裂力学医学知识362.

复合型裂纹的分解如果几种载荷或是特殊载荷的作用，产生了复合型裂纹，则复合型裂纹的各型应力强度因子是把载荷分解后各型裂纹问题的应力强度因子。aKaKaKIIIIII',,===损伤和断裂力学医学知识373.把裂纹问题化为同型的另一个裂纹问题当一个裂纹问题的应力

强度因子很大易求得时，有时可以通过叠加原理，改求另一个较简单裂纹型的应力强度因子，而此两裂纹问题的应力强度因子是相等的。损伤和断裂力学医学知识384.Green函数的应用集中力的解可作为格林函数，然后用积分来得到分布力的解。babaaPKbabaaPKBA+−=−+=babaadbdK

−+=dbbabaaKaa−−+=损伤和断裂力学医学知识39练习1．如图（3—17）所示，宽为h的无限长条板有长为a的单边裂纹，无穷远处的拉伸应力分布是由σ1线性降低到σ2,试求其应力强度因子。2．如图（3—18）所示的无限大平板，无穷远

处拉伸应力的方向与裂纹表面法线方向成夹角β。试求其应力强度因子。损伤和断裂力学医学知识40总结本章应力强度因子的概念是根据裂纹问题线弹性解析解提出的，它只是表征带有裂纹的线弹性体裂端应力应变场强度的参量。若由线弹性解所给出的裂端区应力值超过屈服应力，则此区域已进入塑性状

态，而塑性区内的应力应变场显然不同于本章所给出的结果。只有当塑性区尺寸远小于裂纹长度时，塑性区外的应力应变场才能近似地用本章所给出的结果表示。损伤和断裂力学医学知识41