工程断裂力学课程论文

工程断裂力学发展概述

0. 引言

断裂是与力学、材料和工程应用等有关的问题，主要起源于有缺陷处。 断裂力学是近几十年才发展起来的一门新兴学科,它从宏观的连续介质力学角度出发,研究含缺陷或裂纹的物体在外界条件(荷载、温度、介质腐蚀、中子辐射等) 作用下宏观裂纹的扩展、失稳开裂、传播和止裂规律,断裂力学应用力学成就研究含缺陷材料和结构的破坏问题,由于它与材料或结构的安全问题直接相关,因此它虽然起步晚,但实验与理论均发展迅速,并在工程上得到了广泛应用。混凝土断裂力学主要研究含裂缝体的混凝土材料和混凝土构件的破坏过程以及裂缝传播规律，建立断裂准则，探讨如何控制和防止混凝土结构断裂破坏的措施，混凝土断裂力学是基于金属断裂力学的基本理论基础发展起来的固体力学的一个分支。

1．断裂力学的产生和发展

常规的疲劳设计方法，假设材料开始时是无裂纹的连续介质，经过一定的应力循环后，由于疲劳积累损伤而形成裂纹，再经裂纹扩展阶段直至断裂。断裂力学认为裂纹的存在是不可避免的（不连续现象）。断裂力学着眼于从裂纹尖端局部区域的应力场、位移场来研究带裂纹的构件所能承受的载荷和断裂韧度及裂纹尺寸见定量关系，研究裂纹的扩展规律，考察裂纹对结构强度和使用寿命的影响，建立断裂准则，提出容许裂纹的设计方法，探讨如何控制和防止混凝土结构破坏的措施。

断裂力学按研究体系可分为：宏观断裂力学和微观断裂力学；宏观断裂力学是以各向同性、均质的变形固体为研究对象,工程中的断裂问题都在此研究范畴,根据宏观断裂力学所研究的材料性质不同,又可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。

1.1.50年代中期以前的经典断裂理论

断裂力学先导Griffith提出了脆性材料裂纹扩展的能量准则，说明了实际强度与最大裂纹尺寸间的关系。20世纪50年代由G.R.Irwin和I.Orowan加以修正并应用与金属的脆性断裂，形成了断裂韧度概念的基础；他们认为Griffith能量平衡中，裂纹扩展时释放的能量同时用于形成新裂纹表面和裂纹尖端附近产生塑性变形。

1.2.线弹性断裂力学

1955年，G.R.Irwin提出应力强度场理论，当表示裂纹尖端应力强度的应力强度因子到达临界值（断裂韧度）时，就发生断裂，即为应力强度因子断裂准则。该准则与Griffith能量准则构成了线弹性断裂力学的核心内容。应力强度因子的计算方法包括：解析法（应力函数法、积分变换法、契合问题解法）、数值法（有限元法、边界元法、边界配置法）和实验法。随后，又提出了最大周向拉应力强度因子理论、最大伸长应变理论，混合型裂纹的应变能密度理论。

1.3.弹塑性断裂力学

G.R.Irwin和I.Orowan认为，对于塑性材料，抵抗表面张力所作的功要比抵抗塑性变形作的功小得多，从而提出了塑性材料裂纹扩展的能量判据。先后有D-M模型、裂纹张开位移准则（COD）、从位错概念出发提出的研究裂纹尖端塑性区（BCS模型）、J.R.Rice提出用围绕裂纹尖端且与路径无关的线积分（J积分）来研究裂纹尖端的变形及J积分准则。裂纹稳定扩展准则的建立是当前这一领域的主要研究方向。

1.4.断裂动力学

20世纪60年代中期以前，只提出一些简化力学模型进行裂纹扩展速度、分叉及止裂的

分析；70年代后期才建立起该学科的主要基本概念、较系统的分析方法和较成熟的定量计算。断裂动力学实际上尚处于初创阶段，除了线性材料的稳定裂纹动态起始扩展问题和弹性波的散射问题有较系统的直接解法做定量分析外，线性材料的裂纹快速传播与止裂问题、非线性材料的动态裂纹问题以及分叉问题都是当前研究的重点。

2.混凝土断裂力学的产生和发展

混凝土是含较多裂缝的固体，裂缝大致可分为两大类：随机分布的微裂缝，它在一定程度上控制着混凝土的抗拉、抗压等宏观强度；方向一定的宏观裂缝，它的稳定性影响着结构物的安全。混凝土断裂力学既吸收了适合混凝土的那部分金属断裂力学方法，也创作力量专门分析混凝土裂缝稳定性的方法。

2.1.混凝土线弹性断裂力学

应变强度因子和能量释放率是线弹性断裂理论的基础，它们通过一定关系可以相互转化；线弹性断裂力学的任务是，通过计算和模型试验求KI，通过材料试验求KIC，并根据断裂判据判断裂缝的稳定性。混凝土线弹性断裂力学求KI的方法与金属完全相同。由于金属和混凝土的差异性，有如下不同点：意识混凝土裂缝端部没有屈服区，但存在较大的微裂缝区，混凝土裂缝端部的稳定扩展长度较大；而是混凝土是非均匀材料，材料的骨料、施工工艺和养护条件对断裂韧度有较大影响；三式混凝土断裂韧度有较大的尺寸效应，即试件越大测出的KIC越大。

2.2.混凝土非线性断裂力学

1976年提出的虚拟裂缝模型基本摆脱了金属断裂力学的影响，开创了混凝土非线性断裂力学的新路子；该理论认为，可将混凝土裂缝端部的微裂缝区视为一虚构的可传递拉应力的裂缝，缝上格点传递拉应力的大小根据该点的变形值而定，而不像Dugdale模型那样——当应力超过屈服强度后应力均为屈服强度，即与变形值无关。随后提出了钝裂缝带模型。20世纪80年代以来，以虚拟列分模型和钝裂缝带模型为基础的混凝土弹塑性断裂力学获得了迅速发展。

2.3.混凝土断裂力学的应用和前景

当前混凝土断裂力学主要应用于：（1）分析大体积混凝土中严重裂缝的稳定性，确定其危害性，判断工程价格的必要性及加固效果；（2）研究梁板壳等有限尺寸建筑构件中严重裂缝的稳定性；（3）采用虚拟裂缝模型和钝裂缝带模型为基础的混凝土非线性断裂力学来完善混凝土和钢筋混凝土拉应力区应力的分析方法；（4）应用混凝土断裂力学研究带裂缝坝体的安全性等方面。

断裂力学作为一门应用力学学科，在理论深化、理论与工程应用更密切等方面仍存在大量问题待进一步研究。

参考文献

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