background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 1 

P

ękanie - uzupełnienie 

 
Metoda Williamsa (1952) 

Rozkład naprężeń dookoła karbu (nacięcia) 

 

( )

( )

1

,

n

n

n

r

r

f

λ

ϑ

ϑ

+

Φ

=

 

Parametr 

(

1)

n

λ

+

 

określa się na podstawie warunków brzegowych 

Funkcja 

n

 - 

będzie określona na podstawie obciążenia 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 2 

Wstawiając funkcje 

( )

,

r

ϑ

Φ

 

do równań  

2

2

2

1

1

r

r

r

r

σ

ϑ

∂Φ

∂ Φ

=

+

 

2

2

r

ϑ

σ

∂ Φ

=

 

2

2

1

1

1

r

r

r r

r r

ϑ

τ

ϑ

ϑ

ϑ

∂Φ

∂ Φ

∂Φ

=

= −

∂ ∂

 

 
Otrzymamy: 
 

( ) (

) ( )

1

1

n

r

n

n

n

n

r

f

f

λ

σ

ϑ

λ

ϑ

′′

=

+

+

 

(

) ( )

1

1

n

n

n

n

n

r

f

λ

ϑ

σ

λ λ

ϑ

=

+

 

( )

1

n

r

n

n

n

r

f

λ

ϑ

τ

λ

ϑ

= −

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 3 

Zapiszemy poszczególne składowe  

(

)

(

)

2

2

3

2

2

1

1

n

IV

r

n

n

n

n

r

f

f

r

λ

ϑ

σ σ

λ

ϑ

′′

+

=

+

+

 

(

)

(

)

(

)

2

3

2

1

1

1

n

r

n

n

n

n

n

r

f

f

r

r

λ

ϑ

σ σ

λ

λ

′′

+

=

+

+

 

(

)

(

)(

)

(

)

2

2

3

2

1

2

1

n

r

n

n

n

n

n

n

r

f

f

r

λ

ϑ

σ σ

λ

λ

λ

′′

+

=

+

+

 

i porządkując wyraazy sprawdzimy, że: 

(

)

(

)

(

)

(

)

{

}

2

2

2

2

3

1

1

1

0

n

r

IV

n

n

n

n

n

n

n

n

r

f

f

f

f

ϑ

λ

σ σ

λ

λ

λ

+

=

 

′′

′′

=

+

+

+

+

+

=

 

 

 

Możemy zapisać, że wyrażenie w nawiasie musi się zerować: 

(

) (

)

(

) (

)

2

2

2

2

1

1

1

1

0

IV

n

n

n

n

n

n

n

f

f

f

λ

λ

λ

λ

′′

+

+

+

+

+

=

 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 4 

Można uzasadnić, że warunek będzie spełniony dla następującej 
funkcji trygonometrycznej  

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

cos

1

cos

1

sin

1

sin

1

n

n

n

n

n

n

n

n

n

f

A

B

C

D

ϑ

λ

ϑ

λ

ϑ

λ

ϑ

λ

ϑ

=

+

+

+

+

+

+

  

gdzie pierwsz

e dwa składniki opisują zniszczenie I typu (Mode I)  

pozostałe dwa składniki zniszczenie II typu (Mode II) 

 

Wyznaczenie stałych  

( )

0

ϑ

σ

α

±

=         

( )

0

r

ϑ

τ

α

±

=            

 
lub 

( )

0

n

f

α

±

=  

( )

0

n

f

α

′ ±

=  

 
 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 5 

(

)

(

)

(

)

(

)

cos

1

cos

1

sin

1

sin

1

0

n

n

n

n

n

n

n

n

A

B

C

D

λ

α

λ

α

λ

α

λ

α

+

+

±

±

+

±

=

 

(

) (

)

(

) (

)

(

) (

)

(

) (

)

1 sin

1

1 sin

1

1 cos

1

1 cos

1

0

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

A

B

C

D

λ

λ

α

λ

λ

α

λ

λ

α

λ

λ

α

±

+

+

±

+

+

+

+

+

=

 

 

Możemy rozdzielić równania: 

(

)

(

)

cos

1

cos

1

0

n

n

n

n

A

B

λ

α

λ

α

+

+

=  

(

) (

)

(

) (

)

1 sin

1

1 sin

1

0

n

n

n

n

n

n

A

B

λ

λ

α

λ

λ

α

+

+

+

=  

(

)

(

)

sin

1

sin

1

0

n

n

n

n

C

D

λ

α

λ

α

+

+

=  

(

) (

)

(

) (

)

1 cos

1

1 cos

1

0

n

n

n

n

n

n

C

D

λ

λ

α

λ

λ

α

+

+

+

=  

 

i wyznaczyć stałe 
 
 
 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 6 

Ogólna postać (Nemitz 1998) 

( )

(

)

( )

( )

2 / 2

(1)

( )

2

2

n

n

n

n

ij

ij

ij

n

K

f

C r

f

r

α

α

α

α

σ

ϑ

ϑ

π

=∞

=

=

+

 

gdzie  

– funkcja 

( )

n

ij

f

α

 

jest uniwersalną funkcja kąta niezależną ani od 

geometrii próbki, ani od zewnętrznego obciążenia,  
– indeksy i

= 1, 2, 3, wskazują na odpowiednią składową 

wielkości tensorowej lub wektorowej w układzie współrzędnych 

{ }

i

x

– indeks 

α

=

 I

II, III oznacza sposób obciążenia próbki, r  jest 

odległością od wierzchołka szczeliny,  
– 

współczynniki 

a

 i 

( )

n

C

α

 

zależą od geometrii próbki oraz od 

zewnętrznego obciążenia. 

W powyższym wyrażeniu pierwszy człon staje się dominującym ze 

względu na swój osobliwy charakter, gdy zbliżamy się do 

wierzchołka szczeliny.  

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 7 

Drugi człon nie zależy od od1egłości, pozostałe zaś maleją do zera, 
gdy 

0

r

→ . Zazwyczaj w me

chanice pękania pozostawia się jedynie 

dwa pierwsze człony w rozwinięciu. 
 

Najczęściej jednak analizę prowadzi się z wykorzystaniem jedynie 

członu pierwszego, zapisując wyrażenie dla określenia naprężeń 

przed wierzchołkiem szczeliny w postaci 
 

( )

( )

0

...

2

ij

ij

K

f

O r

r

α

α

σ

ϑ

π

=

+ +

 

skalarny współczynnik 

a

K

 (

,

,

I

II

III

K

K

K

), jest zwany 

współczynnikiem intensywności naprężeń.  

Jest on funkcją

 

zewnętrznego obciążenia 

σ

długości szczeliny a 

oraz parametrów geometrycznych próbki. 

Obecnie istnieje ponad tysiąc różnych rozwiązań, z których 

większość zamieszczono w odpowiednich katalogach. 
 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 8 

Rozwinięcie dla typu obciążenia I 

( )

( )

( )

{

}

( )

( )

2

3

2

1/ 2

1

1

4

5

6

3/ 2

2

1

1

1

1

1

3

1

5

5 cos

cos

cos

3cos

cos

4

2

2

2

2

2

3

7

cos

3cos 3

cos

3cos

2 cos 4

2

2

I

r

K

C

r C

r

rC

r

C

r C

σ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

π

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

 

( )

( )

( )

{

}

( )

( )

{

}

2

3

2

1/ 2

1

1

4

5

6

3/ 2

2

1

1

1

1

1

3

1

5

3cos

cos

sin

5 cos

cos

4

2

2

2

2

2

3

7

3cos

3cos 3

7 cos

3cos

2 cos 2

cos 4

2

2

I

K

C

r C

r

rC

r

C

r C

ϑ

σ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

π

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

=

+

+

+

+

+

+

+

 

( )

( )

( )

{

}

( )

( )

{

}

2

3

1/ 2

1

1

4

5

6

3/ 2

2

1

1

1

1

1

3

1

1

5

sin

sin

sin 2

sin

sin

4

2

2

2

2

2

2

3

7

sin

3sin 3

5sin

5sin

sin

2 sin 4

2

2

I

r

K

C

r C

r

rC

r

C

r C

ϑ

τ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

π

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

=

+

+

+

+

+

+

 

 
 
 
 
 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 9 

Efekt skali przy przejściu od stanów sprężystych do 
plastycznych 

Związek pomiędzy współczynnikiem intensywności naprężeń a 

granicą plastyczności 

2

0

2

1

IC

P

K

a

π σ

=

      

 

Związek wynika z definicji energii pękania 

 

0

2

1

IC

p

E

a

π σ

= G

  

gdzie widać także związek pomiędzy energią pękania a 

współczynnikiem intensywności naprężeń  

Możemy zapisać  

0

,

gdy

IC

K

a

a

a

σ

π

=

 

0

,

gdy

P

a

a

σ σ

=

<

 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 10 

 

 

Uzależnimy szerokość rysy od szerokości próbki  
 

a

h

ξ

=

  

wtedy  

 

0

,

IC

K

a

dla

h

h

σ

ξ

πξ

=

  

 

0

,

P

a

dla

h

σ σ

ξ

=

<

  

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 11 

Istnieje więc taka wartość 

0

0

/

h

a

ξ

=

 

dla której materiał poniżej 

której uplastycznienie tarczy poprzedza kruche pęknięcie. 
 

Wymiar ten zależy nie tylko od kształtu tarczy i rysy, ale także od 

ciągliwości (ductility) czyli stosunku 

/

IC

P

K

σ

 

materiału, z którego 

wykonana jest tarcza. 

Warunek 

1

P

a

h

σ

σ

= −  oddziela zniszczenie plastyczne od kruchego 

pęknięcia (czarna linia na rysunku). 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 12 

Przykład tarczy z rysą 
 

 

 

Powyżej  

0

0.54

s

s

=

 

nie ma kruchego pękania 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 13 

Przykład belki z karbem 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 14 

Inne porównanie 

dla belki z karbem i różnych wysokości belki i 

karbu 
 

 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 15 

 

 
 
 
 
 
 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 16 

Porównanie współczynnika intensywności naprężeń dla różnych 

materiałów 

Table 20.1 

 

Strength 

2

(

/

)

P

MN m

σ

 

Toughness 

3 / 2

(

/

)

IC

K

MN m

 

Brittlenes 

1/ 2

/

(

)

P

IC

K

m

σ

 

Concrete 

3.57 

1.96 

1.8 

Aluminium 

500 

100 

Plexiglass 

33 

5.5 

Glass 

170 

0.25 

680 

 
 
 
 
 
 
 
 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 17 

Uplastycznienie 

wierzchołka rysy (Irwin, 1960) 

 

 

Naprężenia 

 

1

cos

1 sin

2

2

2

I

K

r

ϑ

ϑ

σ

π

=

+

  

 

2

cos

1 sin

2

2

2

I

K

r

ϑ

ϑ

σ

π

=

  

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 18 

Wstawiamy do kryterium Misesa (H-M-H) 

 

(

) (

) (

)

2

2

2

2

1

2

2

1

3

1

2

p

σ σ

σ σ

σ σ

σ

+

+

=

  

Otrzymamy promień strefy plastycznej 
– dla PSN: 

 

( )

2

2

1

3

sin

1 cos

4

2

I

p

p

K

r

ϑ

ϑ

ϑ

π σ

 

=

+ +

 

 

  

– dla PSO: 

( )

(

) (

)

2

2

2

1

3

sin

1 2

1 cos

4

2

I

p

p

K

r

ϑ

ϑ

ν

ϑ

π σ

 

=

+ −

+

 

 

 

 
 
 
 
 
 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 19 

 

Zasięg strefy wzdłuż rysy wyniesie: 
– dla PSN: 

 

( )

2

1

4

I

p

p

K

r

ϑ

π σ

=

  

– dla PSO: 

 

( )

2

1

18

I

p

p

K

r

ϑ

π σ

=

    dla  

1 / 3

ν

=

  

 
 
 
 
 
 
 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 20 

 

Kształt stref plastycznych 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 21 

 

Materiał zachowuje się inaczej w przypadku PSN i PSO: 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 22 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 23 

 

 
Wyznaczenie 

warunków kruchego pękania: 

 

2

I

y

K

r

σ

π

=

        

2

IC

P

P

K

r

σ

π

=

           

2

2

1

2

IC

PC

P

K

r

π σ

=

  

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG •  Teoria sprężystości i plastyczności  •  Wykład 10 – str. 24 

 

Porównując zakreskowane pola otrzymamy rozmiar uplastycznienia 
w chwili propagacji rysy  

 

2

2

1

IC

PC

P

K

a

π σ

=

  

Kruche pękanie nastąpi gdy 

PC

a

a

   oraz 

PC

a

h

    


Document Outline