断裂失效准则

文摘   2024-10-17 07:09   安徽  
结构在载荷作用下,没有发生明显塑性变形而突然断裂的现象即为断裂失效。

1、断裂失效类型

工程上常见的断裂主要分为以下三种类型,脆性材料的突然断裂、有裂纹或缺陷结构的断裂以及疲劳断裂。

1)脆性材料的突然断裂

由脆性材料制成的结构在大多数受力情况下发生的破坏都是突然断裂,如受拉的铸铁、玻璃、陶瓷和混凝土结构的断裂等。

2)裂纹或缺陷结构的断裂

这类问题不局限于上述的脆性材料,还经常发生在塑性材料制成的含有初始裂纹或缺陷的结构中。当这类结构在低温工作环境下或应力集中时,更容易发生断裂失效。

3)疲劳断裂

结构在循环交变荷载作用下,材料的疲劳强度逐渐下降,发生无明显屈服的低应力水平脆性断裂。在后续的疲劳失效里详细说明。

2、断裂准则

工程上常用的断裂准则主要有最大拉应力准则和最大伸长线应变准则,即第一和第二强度准则。对应于Workbench中的最大主应力准则(Maximum Principal Stress Criterion)和最大主应变准则(Maximum Principal Strain Criterion)。

1)大拉应力准则

当材料的最大主应力达到或超过材料的抗拉强度时,材料将发生断裂。这一准则假设材料的破坏是由拉伸应力引起的。该准则认为,无论材料处于什么应力状态,发生脆性断裂的原因是断裂点的最大拉应力达到了在单向拉伸的极限值。

σmax≥σb

其中,σmax为最大主应力,σb为材料的抗拉强度。适用于脆性材料,如陶瓷、玻璃、铸铁等,这类材料在拉伸应力作用下容易断裂。

该准则没有考虑另外两个主应力的影响,且不能应用于无拉应力的应力状态。

2)最大伸长线应变准则

当材料的最大主应变达到某一临界值时,材料发生断裂。这一准则特别关注材料在变形时的失效行为。该认为,无论材料处于什么应力状态,发生脆性断裂的原因是断裂点的 最大伸长线应变达到了在单向拉伸时的极限值。

σ1−ν(σ23)≥σb

其中,σ1为最大主应力,σ2σ3为第二、三大主应力,ν为材料的泊松比。σb为材料的抗拉强度。适用于一些对应变敏感,应变主导的条件下发生失效的材料,尤其是脆性材料,如花岗岩、混凝土等,又如酚醛树脂、热固性树脂等脆性聚合物。
3)Johnson-Cook断裂准则

Johnson-Cook断裂准则(Johnson-Cook Fracture Criterion)是一种用于描述材料在大变形、高应变速率和高温条件下的损伤积累和断裂行为的经验模型。该准则与Johnson-Cook本构模型密切相关,通常用于描述金属材料在动态冲击、爆炸和穿透等极端条件下的断裂。

该准则综合考虑了应力三轴度、应变速率和温度对失效应变的影响。核心是一个基于塑性应变和应力三轴度的失效应变公式。

其中,
ϵf是失效应变,即材料断裂时的临界塑性应变。
d1到 d5是与材料断裂特性相关的经验常数,通过实验确定。
σm是平均应力(即三轴应力或压力应力,定义为应力张量主应力的平均值)。
σ是等效应力(通常是von Mises等效应力)。
是应变速率,是参考应变速率。
T无量纲温度,定义为,

其中,Tcurrent是当前温度,Troom是环温,Tmelt是材料的熔点。

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