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拉伸断裂的应变能及其对结构强度的影响

时间:2023-11-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:然而,断弓只是各种断裂现象的一个特例。因此,现代断裂力学对外力和应力的关注程度要低于应变能如何、为何、在何处及何时能转化为断裂能。从新近理论得出的结论是,外力突变或负载稳定的结构是否发生拉伸断裂主要取决于以下三个因素:1.为了产生新裂缝必须付出的能量代价。韧度即指破坏给定材料截面所需的能量值,现在常被称作断裂能或断裂功。材料的韧度或断裂功对于一个结构的实际强度有非常重大的影响,尤其是对大型结构而言。

拉伸断裂的应变能及其对结构强度的影响

像一张断弓那样跳开。

——《圣经·旧约全书·诗篇》(Psalm 78)

合理的回弹性是任意结构的一个基本必备性质,否则,它就无法吸收突变作用的能量。在一定程度上,回弹性越好,结构越优良。维京战船和美式单驾马车等高度复杂的设备确实非常柔韧且回弹性好。只要没有严重超负荷,这类结构在卸下载荷后就会恢复原状且一切良好。但是,如果我们使其超负荷,它们迟早会被损坏。

现在要想破坏任何受拉伸作用的材料,一定要有条裂缝正好穿过它。但是,要生成新的裂缝需要能量的补充(我们马上就会看到),而且该能量必须来自别处。就像前文所说,在不搭箭的情况下“射击”,很可能会损坏一张弓。原因是,存储在弓中的应变能不再会安全地转化为箭矢的动能,以致其中一些作用在弓的材料内形成了裂缝。换句话说,弓用自己的应变能破坏了自身。然而,断弓只是各种断裂现象的一个特例。

所有负载的弹性材质都或多或少包含一些应变能,这种潜在的应变能总是可用于“断裂”这个自毁过程。换言之,存储的应变能或回弹性可被用来偿付能量的代价,以扩展出贯通并损坏结构的裂缝。在具有回弹性的结构中,可能遍布很多应变能,罗马人用来摧毁迦太基巨大城墙的那种能量同样可被用来将一艘超级油轮断成两截。

根据这门学问的现代观点,当用拉伸负载破坏结构时,我们不应该将断裂视为外加载荷作用于拉伸材料中的原子间化学键直接造成的,即它不是拉应力简单作用的后果,那是经典教科书的解释。[10]事实上,增加结构负载的直接后果只是让更多的应变能存储于材料中。真正价值64000美元[11]的问题是,结构是否真的会在任一特定时刻断裂,这取决于应变能是否可以转化为断裂能并产生新的裂缝。(www.xing528.com)

因此,现代断裂力学对外力和应力的关注程度要低于应变能如何、为何、在何处及何时能转化为断裂能。当然,在绳和杆这样的简单情境中,临界断裂应力的经典概念通常可以作为一种合适的指导,但在桥梁船舶压力容器这样巨大或复杂的结构中,如我们所见,它被证实是一种危险的过度简化的方法。从新近理论得出的结论是,外力突变或负载稳定的结构是否发生拉伸断裂主要取决于以下三个因素:

1.为了产生新裂缝必须付出的能量代价。

2.有可能付出该代价的应变能值。

3.结构中最严重的孔洞、裂缝或缺陷的尺寸与形状。

对于不同的固体,破坏给定材料截面所需的能量值的差别很大,这个事实很容易得到确认,比如,用榔头先敲打一个玻璃瓶,再击打一个锡罐,结果差别就很大。韧度即指破坏给定材料截面所需的能量值,现在常被称作断裂能或断裂功。这种特性同材料的抗拉强度存在很大的差异和区别,其中抗拉强度是指破坏固体所需的应力(不是能量)。材料的韧度或断裂功对于一个结构的实际强度有非常重大的影响,尤其是对大型结构而言。为此,我们必须花点儿时间来谈谈各种固体的断裂功。

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