关于断裂动力学介绍

[拼音]：duanlie donglixue

[外文]：fracture dynamics

断裂力学的一个分支，又称动态断裂力学，它在考虑受载物体各处惯性的基础上，用连续介质力学的方法研究固体在高速加载或裂纹高速扩展条件下的裂纹扩展和断裂规律。脆性材料在加工、碰撞和冲击下的破坏，地震和地震对结构的影响，天然气管道的破裂都属于断裂动力学研究的范围。军事工程中许多爆裂和防爆问题都涉及断裂动力学。

19世纪末至20世纪初，英国的J.霍普金森和B.霍普金森父子对应力波引起的动态破裂问题进行了系统的实验观察和研究。第二次世界大战后，工业特别是军事工业的发展，极大地促进了在有应力波或高速加载的条件下，材料和结构断裂规律的研究。1921年英国的A.A.格里菲思从能量平衡的观点出发，提出了裂纹扩展引起脆性材料断裂的理论。1948年，英国的N.F.莫脱在格里菲思的能量平衡关系中考虑了动能的影响，研究了断裂过程中裂纹快速扩展的问题，并引出了裂纹扩展的极限速度的概念。20世纪50年代以后，线d性断裂力学的发展和完善，以及d塑性断裂力学的兴起，为断裂动力学提供了新的理论分析方法。例如，应力强度因子、裂纹扩展力、应变能密度因子、裂纹张开位移(见COD法)、J积分等参量以及与它们有关的理论，在考虑相应的动态效应之后，都被用来讨论裂纹的动态扩展问题，从而促进了断裂动力学的发展。

断裂动力学研究的内容包括：

（1）动态断裂判据，它是判定某一动态断裂现象是否出现的依据，包括：在动载条件下裂纹的起始和失稳扩展判据，快速扩展裂纹的分岔判据，快速扩展裂纹的停止（止裂）判据等；

（2）裂纹快速扩展的极限速度；

（3）裂纹快速扩展中的能量转换；

（4）快速扩展裂纹顶端附近的应力场和应变场；

（5）应力波和扩展裂纹的相互影响；

（6）高应变率条件下的材料特性及其对高速扩展裂纹的阻力的影响；

（7）动态断裂力学参量和固体微观机制的联系。另外，许多学者还对具体的工程构件的断裂动力特性开展了研究。

动态断裂现象往往发生在短暂的瞬间，因而给问题的研究带来了很多困难。随着研究方法的进步，动态断裂的研究已从机械冲击（毫秒级）向高速冲击(微秒级)范围发展。当前，断裂动力学的研究大致有两个方面：

（1）理论分析。建立描述动态断裂现象的连续体基本方程和表示具体材料的力学性质的本构方程，根据所给的边界条件，通过一定的数学方法找到问题的解答。由于动态断裂问题的复杂性，建立和求解上述方程有较大的困难。目前只有一些简单的问题找到了完全的或近似的解析解。电子计算机技术的发展和广泛应用弥补了解析方法的不足。近年来发展的动态数值分析方法在计算方法上扩大了解决问题的范围，其中动态有限元法、动态有限差分方法和动态边界元方法都已被用于动态断裂问题的分析，并取得了较好的结果。

（2）动态实验。主要采用动态光d性法、全息照相和焦散线法以及一些电磁学方面的测试技术。它们为动态断裂分析积累数据并提供分析依据。在断裂动力学的研究中上述两方面相互结合，互为补充，使得研究日益深化。

虽然断裂动力学的一些概念和理论、经验或半经验性的成果已在冶金学、地震学、合成化学以及水坝工程、飞机和船舶设计、核动力装置和武器装备等方面得到了一些实际应用，但断裂动力学作为一门学科还处于进行大量实验观察和积累数据的初创阶段。建立完整的断裂动力学体系还需进行大量的研究工作，它有赖于应用数学、应用物理学及其他相关学科的进展。

参考书目

1. G. C. Sih，ed.， Elastodynamic Crack Problem，Mechanics of Fracture，4，1977.
2. G.T.Hahn and M.F. Kanninon， ed.， Fast Fracture and Crack Arrest， ASTM STP 627forTesting and Materials，1977.