– проверка условий прочности ЭК с трещиной под воздействием внешней нагрузки;
– оценка величины предельной нагрузки для ЭК с трещиной;
– оценка предельного и допускаемого размеров трещины для ЭК под воздействием внешней нагрузки;
– оценка долговечности ЭК с учетом развития трещины при циклическом нагружении;
– оценка критического размера усталостной трещины для заданных уровней нагружения и сроков эксплуатации (количество циклов нагружения);
– обоснование выбора материалов с учетом сопротивления развитию трещин;
– поверочные расчеты на прочность ЭК с трещинами при проведении обследований металлоконструкций с целью определения возможностей дальнейшей эксплуатации.
8.3. Задача Гриффитса. Концепция квазихрупкого разрушения
Современные
представления о процессе разрушения берут начало от работ Гриффитса (1920 – 1924
г.г.), который путем сопоставления свободной упругой энергии и поверхностной
энергии тела, установил критерий разрушения для идеально-хрупкого материала. Была
рассмотрена задача о растяжении плоскости с трещиной длиной , расположенной перпендикулярно
направлению растяжения (рис. 8.1).
Трещина
будет распространяться при напряжениях без
дополнительного подвода энергии, если уменьшение энергии упругой деформации
не превышает скорость увеличения
поверхностной энергии
, затрачиваемой на
образование четырех дополнительных поверхностей трещины при плотности
поверхностной энергии
,
. (8.1)
Лавинообразное распространение трещины произойдет в том случае, если скорость освобождения энергии упругой деформации превысит прирост поверхностной энергии трещины, т.е.:
. (8.2)
Рис. 8.1. Схема задачи Гриффитса
Рис. 8.2.
Распределение напряжений в пластине с эллиптическим отверстием
В
соответствии с этим критическое напряжение начала распространения трещины
будет:
. (8.3)
Данный
критерий справедлив для идеально упругих тел и описывает механизм хрупкого
разрушения. Однако моменту, предшествующему распространению трещины, всегда
сопутствует возникновение пластической области в её вершине до некоторого предельного
размера, затем происходит разрушение в локальном объеме материала с последующим
продвижением трещины. Учет этих особенностей привел к формулировке концепции
квазихрупкого разрушения конструкционных сталей (1950-е годы, Орован, Ирвин).
Энергия образования пластических деформаций значительно
превышает удельную поверхностную энергию
,
что позволяет произвести соответствующую замену в уравнении (8.3)
. (8.4)
Энергия , необходимая для продвижения трещины
на единицу длины, оценивается энергией упругих деформаций, но затраты энергии
на разрушение относятся к работе пластических деформаций. Предполагается, что
размеры пластически деформируемых объемов значительно меньше длины трещины.
Тогда условие распространения трещины для пластины единичной толщины будет:
, (8.5)
где – изменение энергии упругих
деформаций.
С
учетом выражения для из (8.5) получим
. (8.6)
8.4. Напряжения и деформации в вершине трещины
Работам
Гриффитса предшествовали исследования Колосова Г. В., Инглиса, Мусхелишвили Н.
И. (1910-1920 гг.) в результате которых была решена задача о равновесии
бесконечного тела с эллиптической полостью в однородном поле напряжений (рис. 8.2).
Наибольшие напряжения возникают в вершине отверстия на большой полуоси
, (8.7)
где – номинальные напряжения;
– теоретический коэффициент
концентрации напряжений
. (8.8)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.