现代力学丛书 高等断裂力学 Advanced Fracture Mechanics 王自强陈少华著 辩学出版社 www.sciencep.com PDG
现代力学丛书 Advanced Fracture Mechanics 高等断裂力学 王自强陈少华著 科学出版社 北京 PDG
内容简介 本书系统论述断裂力学的基本概念、理论基础、力学原理、分析方法 以及断裂力学的实验测定和工程应用.深人阐明了断裂力学各个重要发展 阶段的新颖学术思想和原创性工作，同时融会贯通地介绍了国内学者在作 者熟悉的若干领域内的创造性贡献. 全书共14章.第1章介绍断裂力学的历史背景和发展脉络：第2~5章 介绍线弹性断裂力学：第6~8章论述弹塑性断裂力学；第9及第10章分别 介绍疲劳裂纹扩展和界面裂纹：第11~14章闲述裂纹体弹性动力学和裂纹 动态扩展」 本书适合从事断裂力学研究和应用的科技工作者及工程师使用和参考 也可供力学专业的高年级本科生和研究生阅读参考。 图书在版编目(C1P)数据 高等断裂力学=Advanced Fracture Mechanics/王自强，陈少华著.一北京： 科学出版社，2009 (现代力学丛书) ISBN978-7-03-023035-5 L.高…L.①王…②陈…Ⅲ.断裂力学-研究V.0346.1 中国版本图书馆CIP数据核字(2008)第145638号 责任编辑：王飞龙那德平/责任校对：李夹萱 责任印制：钱玉芬/封面设计：王浩 辞华典发让出版 比京东黄威根北街16号 献政编码：100717 http://www.sciencep.com 叔青印剩了印刷 科学出版社发行各地新华书店经销 2009年3月第 一版 开本：B5720×1000 2009年3月第一次印刷 印张：24 印数：1一2500 字数：466000 定价：68.00元 (如有印装质量问愿，我社负责调换（双青）) PDG
《现代力学从书》编委会 主编：郑哲敏 副主编：白以龙 编委：（按拼音排序） 白以龙樊菁洪友士 胡文瑞李家春 王自强 吴承康 俞鸿儒郑哲敏
丛书序 “现代力学丛书”是出中国科学院力学研究所编著的一套丛书，中科学出 版社出版发行.从书的作者为本所的科研人员，客座研究人员及其他相关人员 出版从书的目的是为了总结利提高我们近年来的科学研究成果并促进相关学科 领域的开拓.中国科学院力学研究所白成立以米，跳从事基础研究也以基础研 究为于段，参与和承担了国家和部门委托的许多任务，取得了一系列重要的成 果.我认为将这些成果分类整理，系统化并加以提高，在此基础上山版专著， 是一件很有价值的事，既有益于中国科学院力学研究所科研工作的进一步提高 也有利于为广大读者获取新的知识，共同促进力学学科的繁荣发展 本丛书可供相关专业的科研人员和研究生参考 《高等断裂力学》是本丛书的第·卷。 郑哲秋 2p0九年二月于址京
序言 断裂力学作为工程科学的阆苑奇葩，不仅在固体力学界大放异彩，而且在工程 结构可靠性分析和损伤容限设计，材料力学性能表征，固体缺陷和强度，应用数学 地震和地壳断裂以及地质力学等领域星光闪烁，引起了广泛的关注 断裂力学的历史渊源可以追溯到Griffith在1921年和1924年的开创性工作. 而现代断裂力学的发展源于Irwin和Orowan在1948年的著名工作.因此，断裂力 学作为一门工程科学已经有了80多年的发展历史。其基本原理已经日臻成熟，而 它的应用正在向广度和深度发展 国内已有几十种断裂力学的著作，这些著作大体分为三类：第一类作为高等院 校的教材.主要介绍断裂力学的理论基础和分析方法；第二类偏重断裂力学的工程 应用，主要介绍断裂力学的基本原理，断裂机理和断裂准则等一般知识；第三类是 断裂力学某个领域的专著、主要介绍该领域的原创性研究成果 本书介绍了断裂力学的历史背景和发展脉络，对断裂力学的基本概念和理论基 础、力学原理、分析方法以及断裂参量实验测定方法和工程应用作了系统论述、本 书还对裂纹体的弹性动力学和裂纹动态扩展作了系统介绍.书中既关注了国外学 者的重要工作也关注了国内学者的创造性贡献 国内学者对断裂力学的创造性贡献是多方面的。限于篇幅，本书只介绍了作者 熟悉的若干领域内国内学者的创造性贡献.关于国内学者在断裂力学其他领域的 创造性贡献，感兴趣的读者可以参阅国内诸多断裂力学专著 本书的第1~9章由王自强撰写，第10章由王自强和陈少华共同撰写，第11~14 章由陈少华撰写 本书出版得到中国科学院力学研究所《现代力学丛书》出版基金资助，在此表 示深切的谢意 本书出版还得到美国加州大学Riverside 分校机械系的徐冠水教授的帮助和中 国科学院力学研究所吴永礼研究员的帮助，徐冠水教授向我们提供了Griffith的经 典文献，吴永礼研究员对本书进行了校核，在此一并表示深切的谢意. 本书的第一作者还要感谢冯秀艳博士采集和汇总了前9章的电子版插图. 王自强陈少华 2008年9月8日于北京
目 录 丛书序 序言 第1章 引论 1.1历史背景 1.2工程意义 1.3脆性破坏特征 ……3 1.4断裂力学起源与发展 …………………3 参考文献………………… …9 第2章线弹性断裂力学 2.1 裂纹尖端弹性应力场· …14 22应力强度因子理论. 24 2.3裂纹扩展能量原理 ………26 2.4裂纹尖端塑性区 ……30 2.5厚度对Kg的影响… ……36 2.6裂纹扩展阻力曲线 ……………………39 参考文献… …………41 第3章应力强度因子分析方法 …4…43 3.1 Williars级数展开与边界配置法 ………43 3.2复变函数方法 ………47 33权函数法…… ………54 3.4积分变换法 35奇异积分方程.. ………………64 3.6有限单元法…… ………69 参考文献 …76 第4章平面应变断裂韧性 …………78 41标准试样.…… …………78 4.2试样取向与制备 …80 4.3测试仪器和有效性分析 ……82 4.4Ka曲线测试 ………85 参考文献… ……4…87
·vi. 目 录 第5章复合型裂纹的脆断理论 ……88 51复合型裂纹变形特征…… 88 5.2应力参数准则.· *……90 5.3分支裂纹应力强度因子 ………99 5.4能量释放率准则…………103 55复合型裂纹脆断试验……105 5.6理论与实验比较…· ………………108 5.7塑性变形对金属材料复合型裂纹脆性断裂的影响……114 参考文献……… …………118 第6章弹塑性断裂力学 ……………120 6.1J积分原理 …120 6.2HRR奇性场 …125 6.3J积分准则… ………131 6.4J控制扩展 …132 6.5断裂韧性Jc测试…… ………136 6.6 Dugdale模型 .……143 67带状颈缩区模型.· …145 6.8裂纹张开位移准则 …………148 参考文献 ………152 第7章裂纹顶端弹塑性高阶场… …155 7.1高阶场基本方程 ……156 7.2“阶场和二阶场 ………159 7.3高阶场前5项完整结果 …162 7.4J-Q双参数方法 …167 75J-k断裂准则.... ……171 7.6平面应力裂端弹塑性场 173 参考文献…… …………180 第8章理想弹塑性介质扩展裂纹尖端场…………182 8.1v=0.5时的裂尖渐近场·… ………182 8.2v<0.5时的裂尖场 ………………188 8.3理想弹塑性介质Ⅱ1型扩展裂纹 .…194 8.4扩展裂纹与J积分…………198 参考文献……… 202 第9章疲劳裂纹扩展…………… 204 91等幅载荷下裂纹扩展…… ……204
目录 .vii· 92影响疲劳裂纹扩展的因素…………208 93裂纹闭合效应………… 209 9.4疲劳裂纹扩展门槛值确定………211 9.5等幅载荷下疲劳裂纹寿命预测 214 9.6变幅载荷下疲劳寿命预测 215 9.7缺口根部的疲劳袭纹… …219 参考文献……… ………………………222 第10章界面裂纹….....… …………224 10.1弹性界面力学.… ……224 10.2界面裂纹弹性断裂力学 227 10.3典型的界面断裂问题… 10.4界面断裂试验…… ……261 参考文献…… 267 第11章弹性动力学基本概念及方法 …271 11.1动态惯性效应 ……271 11.2线弹性动力学基本方程 271 11.3复变解析函数……… ……………274 11.4 Laplace变换 276 11.5 Wiener-Hopf分解. 277 11.6动态断裂的能量概念 ……………………279 参考文献………………286 第12章静止裂纹的弹性动力学基本解……288 121突加反平面剪切载荷………………288 12.2突加裂纹面正压力…………… …289 12.3突加平面内剪切应力情况 295 12.4有限长裂纹面突加载荷情祝……296 12.5动态载荷裂纹的起始扩展… 298 参考文献…… 302 第13章均匀材料中动态扩展裂纹 304 131动态裂纹定常扩展…………………304 13.2裂纹面上集中剪切力…………………30G 13.3黏结区模型… …307 13.4 Broberg问题.…308 135对称扩展剪切裂纹…………313 13.6时间无关载荷作用下裂纹扩展…315
·viii 目录 13.7时间相关载荷作用下裂纹扩展 ……………………321 13.8型超剪切波扩展裂纹……325 13.9裂纹尖端超弹性区对1、Ⅱ型裂纹速度的影响……335 参考文献…………………………340 第14章双材料界面动态裂纹扩展 ………343 14.1准静态动态裂纹扩展 ……344 14.2双材料界面裂纹含接触区跨音速扩展…………………350 14.3界面裂纹的超音速扩展……361 参考文献… ……366 索引 368