background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  1   

Pękanie – zastosowanie funkcji Airy 

Historia (przykłady):  
 

 

Statki „Liberty” wybudowane w okresie 2. Wojny Światowej. Z 5000 jednostek zniszczeniu uległo 1/5.  

 

 
Point Pleasant Bridge West Virginia, 1967.  
 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  2   

Materiał plastyczny i kruchy – rozciąganie i udarność  

   

 

 

 

 

Wpływ temperatury na energię pękania 

  

 

 
                       

Zwykła stal                                        Szkło  

 
 
 
 
 
 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  3   

 

 
Efekt skali:
 
1 – Zachowanie kruche 
2 – Zachowanie plastyczno –  kruche 
3 – plastyczne  

 

Rozciąganie – materiał kruchy – osłabienie  

   

 

 
 
 
 
 
 

     

 

Energia pękania – wielkość obiektywna 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  4   

 

Mechanika pękania  

– 

rozwój (propagacja) istniejącej rysy 

 

  

  

 

 

            Kirsch (1898)          Inglis (1913)  
 

 
 
 

Griffith, A.A. (1921) ‘The phenomena of rupture and flow in solids’, Philosophical Transactions oft/se Royal 
Society of London A221, 163 – 198  

 

“If the strength of this glass, as ordinarily interpreted, is not constant, on what does it depend? What is the greatest 
possible strength, and can this strength be made for technical purposes by appropriate treatment of the material?”  

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  5   

 

2

2

e

W

a

E

σ

π

=

                

4

s

W

a

γ

=

       

 

e

s

dW

dW

da

da

 

2

2

4

a

E

σ

π

γ

               

E

a

γ

σ

π

 

E

a

γ

σ

π

                

IC

E

a

σ

π

≥ G

 

 

 

 

0

2

1

IC

p

E

a

π σ

= G

 

 

Pękanie – rozwój istniejącej rysy 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  6   

 

 
Rodzaje rys:  
I  typ otwarcia (opening mode)  
II typ 

ścinania (sliding mode)  

III typ rozrywania     (tearing mode)  

Pojęcia: 
– 

wytrzymałość materiału, 

– 

plastyczność,  

– 

kruchość, 

– energia 

pękania. 

Czy plastyczność może być własnością materiału skoro zależy od wymiarów próbki ? 

Zasadnicze pytania mechaniki pękania 

• 

Jaka jest nośność konstrukcji po ujawnieniu rysy danej wielkości? 

• 

Jaka maksymalna wielkość rysy jest dopuszczalna poddanym obciążeniem? 

• Jaka liczba cykli jest konieczna do wzrostu rysy od 

wielkości początkowej (np. minimalnej wykrywalnej) do 

wielkości końcowej (krytycznej)? 

• 

Jaki jest maksymalny dopuszczalny przedział czasowy pomiędzy inspekcjami zapewniający, że maksymalna nie 

wykryta rysa nie wzrośnie do wartości krytycznej?  

Wzory mechaniki pękania 

Westergaard (1939) 
Muskhelishvili (1933)  
 

Metoda Westergaarda (1939) 

 

 

Funkcja Airy      

1

2

3

U

xU

yU

Φ =

+

+

 

Musi spełniać równanie              

4

0

∇ Φ =

 

Poszczególne składniki: 

Dla kolejnych składników:  

(

)

( )

4

2

2

2

1

1

0

0

U

U

= ∇ ∇

= ∇

=

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  7   

 

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

xU

xU

x

y

=

+

 

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

U

U

U

xU

xU

U

x

x

x

x

x

x

x

x

x

∂ ∂

=

=

+

=

+

∂ ∂

 

(

)

2

2

2

2

2

2

U

xU

x

y

y

=

 

(

)

2

2

2

2

2

2

2

U

xU

x

U

x

=

+ ∇

 

Funkcja 

2

 jest fun

kcją harmoniczną, a więc 

(

)

2

2

2

2

2

U

xU

x

=

 

Wykorzystując operator Laplaca: 

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

0

U

xU

U

x

x

= ∇

=

=

 

W podobny sposób można wykazać, że 

(

)

4

3

0

yU

=  

 

Wprowadzamy fun

kcję 

( )

Z z

 

o następujących własnościach  

(oryginalne oznaczenia Westergaarda) 

,

,

dZ

dZ

dZ

Z

Z

Z

dz

dz

dz

=

=

=

 

dZ

dZ z

Z

dx

dz

x

=

=

 

 
Na tej podstawie definiujemy odpowiednio 

części rzeczywiste  

i urojone funkcji 

dZ

dZ z

iZ

dy

dz

y

=

=

 

Re

Re

Re

Z

Z

Z

dx

x

=

=

 

Re

Re

Im

Z

Z

Z

dy

y

=

= −

 

Im

Im

Im

Z

Z

Z

dx

x

=

=

 

Im

Im

Re

Z

Z

Z

dy

y

=

=

 

Ostatecznie zdefinujemy 

następującą funcję Airy (pierwsza hipoteza Westergaarda): 

(

)

2

2

1

Re

Im

2

I

I

I

Z

y

Z

B y

x

Φ =

+

+

 

Oznaczenie I – 

rozwiązanie jest symetryczne względem osi x, wszystkie składniki są hormoniczne  

 
Kolejno wyznaczymy: 

Re

Im

I

I

I

Z

y

Z

Bx

x

∂Φ

=

+

 

Re

I

I

y

Z

By

y

∂Φ

=

+

 

 
Wtedy n

aprężenia: 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  8   

2

Re

Im

I

x

I

I

Z

y

Z

B

y

σ

∂ Φ

=

=

+

 

2

2

Re

Im

I

y

I

I

Z

y

Z

B

x

σ

∂ Φ

=

=

+

 

2

Re

I

xy

I

y

Z

x y

τ

∂ Φ

= −

= −

∂ ∂

 

Przypadek szczególny: 

 

 
Warunki brzegowe: 

( )

( )

,0

,0

0

for

y

xy

x

x

a

x

a

σ

τ

=

=

− < <

 

 
 
 
 
Przyjmujemy nast

ępującą postać funkcji (druga hipoteza Westergaarda):  

( )

(

)(

)

1 2

,

I

g z

Z

B

z

z

a

z

a

=

+

∀ ∈

+

 

Na narożach nacięcia będziemy mieli: 
 

( )

,0

2

for

x

x

B

a

x

a

σ

=

− < <

 

 

Wprowadzamy zmienną 
 

z

a

ς

= +

 

i otrzymamy 

(

) (

)

1 2

1 2

2

I

g

a

a

Z

B

ς

ς

ς

+

+

=

+

 

 

W otoczeniu wierzchołka nacięcia możemy przyjąć: 

( )

1 2

2

I

g a

a

Z

B

ς

=

+

 

Wprowadzając oznaczenie  

( )

I

g a

K

a

π

=

 

I

 stress-intensity factor – 

współczynnik intensywności naprężeń 

Otrzymamy 

2

I

I

K

Z

B

πς

=

+  

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  9   

Wprowadzamy układ biegunowy: 

(

)

cos

sin

i

re

r

i

ϑ

ς

ϑ

ϑ

=

=

+

 

1

1

1

1

2

2

2

2

cos

sin

2

2

i

r e

r

i

ϑ

ϑ

ϑ

ς

=

=

 

3

3

3

3

2

2

2

2

3

3

cos

sin

2

2

i

r e

r

i

ϑ

ς

ϑ

ϑ

=

=

 

sin

2 sin

cos

2

2

y

r

r

ϑ

ϑ

ϑ

=

=

 

 
otrzymamy 

cos

sin

2

2

2

I

I

K

Z

i

B

r

ϑ

ϑ

π

=

+

+

 

3

2

3 2

1

3

3

cos

sin

2

2

2

2

2

I

I

I

K

K

Z

i

r

ς

ϑ

ϑ

π

π

′ =

=

 

 

Naprężenia: 

( )

3 2

3

cos

2 sin

cos

sin

2

2

2

2

2

2

2 2

I

I

x

K

K

r

B

r

r

ϑ

ϑ

ϑ

σ

ϑ

π

π

=

+

 

( )

3 2

3

cos

2 sin

cos

sin

2

2

2

2

2

2 2

I

I

y

K

K

r

r

r

ϑ

ϑ

ϑ

σ

ϑ

π

π

=

+

 

3 2

3

2 sin

cos

cos

2

2

2

2 2

I

xy

K

r

r

ϑ

ϑ

τ

ϑ

π

= −

 

 

Porządkując składniki: 

3

cos

1 sin

sin

2

2

2

2

2

I

x

K

B

r

ϑ

ϑ

σ

ϑ

π

=

+

 

3

cos

1 sin

sin

2

2

2

2

I

y

K

r

ϑ

ϑ

σ

ϑ

π

=

+

 

3

sin

cos

cos

2

2

2

2

I

xy

K

r

ϑ

ϑ

τ

ϑ

π

=

 

Wnioski: 

• 

 

w mianowniku oznacza nienoszone naprężenia w wierzchołku rysy bez względu na warunki 

brzegowe, 

• 

Przebieg naprężeń zależy jedynie od kształtu rysy, a nie warunków naprężeń na brzegach (w 

nieskończoności), 

• 

Naprężenia w otoczeniu rysy zależą jedynie od współczynnika intensywności naprężeń 

I

, który 

zależy wyłącznie od warunków naprężeń na brzegach, 

• 

Jednostką współczynnika intensywności jest 

3/2

[ ][ ]

F L

  

Współczynnik intensywności naprężeń decyduje o efekcie skali zarówno w przypadku pękania jak i klasycznych 
warunków 

wytrzymałościowych. 

 
Okre

ślenie współczynnika intensywności naprężeń. 

Trzecia hipoteza Westergaarda: funkcja 

( )

g z

 

zależy od warunków naprężenia w niskończoności, 

 
W naszym przypadku                     

( )

g z

z

σ

=

 

(

)(

)

1 2

,

I

z

Z

B

z

z

a

z

a

σ

=

+

∀ ∈

+

lim

2

x

z

B

σ

σ

→∞

= +

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  10   

lim

y

z

σ

σ

→∞

=

 

lim

0

xy

z

τ

→∞

=

 

(

)

1 / 2

B

k

σ

=

 

Ostatecznie otrzymamy: 
 

I

K

a

σ π

=

 

 

Współczynnik zależy od naprężeń w nieskończoności prostopadłych do pęknięcia w połowie długości pęknięcia. 
 

Wprowadzając  

( )

(

)

,0

1

for

x

x

k

a

x

a

σ

σ

=

− < <

 

Uzyskamy bardziej ogólną postać współczynnika: 

1 2

sec

2

I

a

K

a

h

π

σ π 

=

 

Informacje o warukach brzegowych wystepują wyłącznie we współczynniku intensywności naprężenia. 
 
Pr

zykładowo dla rozciąganego pręta: 

 

3 2

I

Pl

a

K

f

th

h

 

=

 

 

 

     

 

A dla belki z nacieciem: 

1 2

3 2

5 2

7 2

9 2

2.9

4.6

21.8

37.6

38.7

a

a

a

a

a

a

f

h

h

h

h

h

h

 

 

 

 

 

 

=

+

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Crack opening displacement COD (szerokość rozwarcia rysy) 
 

(

)

1

y

y

x

y

E

υ

ε

σ

νσ

=

=

 

(

)

(

)

1

Re

Im

Re

Im

y

I

I

I

I

dy

Z

y

Z

B dy

Z

y

Z

B dy

E

E

ν

υ

ε

=

=

+

+

 

2

1

1

Im

Re

I

I

Z

y

Z

By

E

E

E

ν

ν

υ

+

+

=

 

1 2

2

2

I

I

K

Z

B

C

ς

ς

π

=

+

+  

(

)

1 2

2

cos

sin

cos

sin

2

2

2

I

I

K

Z

r

i

Br

i

C

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

π

=

+

+

+

+

 

(

)

1 2

1 2

2

2

I

K

r

E

υ ϑ π

π

 

=

=  

 

 

background image

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann • WILiŚ PG • Teoria sprężystości i plastyczności • Wykład 08 •  11   

(

)

1 2

1 2

2

2

I

K

r

E

υ ϑ

π

π

 

= −

= −  

 

 

( ) ( )

1 2

1 2

2

COD

4

I

K

r

E

υ π

υ π

π

 

=

=  

 

 

 

 

Rozwarcie rysy jest proporcjonalne do obciążenia i warunków brzegowych, a odwrotnie proporcjonalne do 

współczynnika E
Na brzegu rysy jest równe zero. 


Document Outline