斷裂力學(xué)在機(jī)械工程中的應(yīng)用
斷裂力學(xué),是固體力學(xué)的一門新分支,主要研究含裂紋構(gòu)件的強(qiáng)度與壽命,是結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。斷裂力學(xué)主要可分為線彈性斷裂力學(xué)與彈塑性斷裂力學(xué)兩大類,前者適用于裂紋尖端附近小范圍屈服的情況;而后者適用于裂紋尖端附近大范圍屈服的情況。斷裂力學(xué)發(fā)展迅速,在機(jī)械工程中應(yīng)用廣泛,并占據(jù)重要地位。斷裂力學(xué)在機(jī)械工程中的有效應(yīng)用,不僅可以提高機(jī)械的性能與功效,更能防止工程設(shè)備發(fā)生災(zāi)難性的斷裂事故,以確保機(jī)械、設(shè)備的安全可靠與良好運(yùn)行。
首先,我國在采用斷裂力學(xué)方法制訂結(jié)構(gòu)缺陷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及安全設(shè)計(jì)規(guī)范方面已取得了較好的成績(jī),如壓力容器、小型但用量大的液化石油氣鋼瓶及汽輪一發(fā)電機(jī)組等。
其次,概率斷裂力學(xué)在可靠性設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多。概率斷裂力學(xué)在可靠性設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了可靠性設(shè)計(jì)的快速發(fā)展。運(yùn)用參量的分布及安全余度來反映常規(guī)設(shè)計(jì)中不能準(zhǔn)確反映的客觀實(shí)際和常規(guī)設(shè)計(jì)安全評(píng)定中用安全系數(shù)不能準(zhǔn)確反映的真實(shí)安全性。由于安全余度考慮了應(yīng)力和強(qiáng)度的二階矩,較好地反映了結(jié)構(gòu)可靠度的實(shí)質(zhì),既考慮了變異特性又考慮了平均值,因而與失效分布有較直接的關(guān)系,使安全設(shè)計(jì)更可靠。國外已較完整地應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu),如概率損傷容限分析、飛機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性和事故分析、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的耐久性分析等方面。我國在這方面開展的典型性研究則是海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架焊接管節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度分析。
再者,可用斷裂力學(xué)方法進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的失效分析。失效分析是指事故或故障發(fā)生后所進(jìn)行的檢側(cè)和分析,目的在于找到失效的部位、失效原因和機(jī)理,從而掌握產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)改進(jìn)的方向及修復(fù)的方法,防止同類問題再次發(fā)生,以推進(jìn)技術(shù)不斷前進(jìn)。因此,失效分析技術(shù)受到了社會(huì)各界的重視。斷裂力學(xué)在機(jī)械產(chǎn)品失效分析中具有著重要作用。機(jī)械產(chǎn)品的主要失效模式有: 斷裂、蠕變、疲勞、腐蝕、磨損及熱損傷等,它們都可以借助斷裂力學(xué)方法及斷裂分析技術(shù)予以解決,斷裂力學(xué)方法是失效分析的有力工具。
最后,運(yùn)用斷裂力學(xué)可以指導(dǎo)改進(jìn)工藝及合理選材,如模具、焊接工藝等方面,可以減少工人的勞動(dòng)量。
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