Механика лома је нова дисциплина која се развила тек последњих деценија. Углавном проучава услове под којима тело лежаја откаже услед ширења главне пукотине (укључујући експанзију под статичким оптерећењем и оптерећењем од замора). Механика лома се примењује на анализу различитих сложених структура, ау оквиру њене анализе је процес од настанка и ширења прслине до нестабилности. Пошто је директно повезано са питањима безбедности материјала или конструкција, иако је почело касно, и експерименти и теорије су се брзо развијали и широко се користе у инжењерству. Метода истраживања механике лома је: почевши од једначине еластичне механике или једначине еластичне-механичке механике, узимање пукотине као гранични услов, испитивање поља напона, поља деформације и поља померања на врху пукотине и покушај да се успостави однос између ових поља и локалних физичких параметара лома који контролишу услове лома у близини пукотине.
Тренутни статус сродних истраживања у земљи и иностранству
Тренутно, општи тренд истраживања механике лома је: од линеарне еластичности до еластичне{0}}пластичности; од статичког прелома до динамичког лома; од макроскопског и микроскопског раздвајања до макроскопске и микроскопске комбинације; од детерминистичких метода до пробабилистичких и статистичких метода. Дакле, што се саме механике лома тиче, она се према специфичном садржају и обиму истраживања дели на макроскопску механику лома (инжењерска механика лома) и микроскопску механику лома (која припада категорији физике метала). Макроскопска механика лома може се поделити на механику еластичног лома (која укључује линеарну еластичну механику лома и нелинеарну механику еластичног лома) и еластопластичну механику лома (укључујући механику лома малог-приноса и механику лома великог{4}}механичког приноса и механику приноса лома). Инжењерска механика лома такође укључује важне аспекте инжењеринга као што су лом услед замора, лом пузања, лом од корозије, лом од замора од корозије и лом услед замора пузања. Данас се у истраживачке методе механике лома уводи теорија поузданости, која се назива пробабилистичка механика лома, обогаћујући истраживачки садржај механике лома, и даље развијајући и унапређујући теорију механике лома, и играјући све значајнију усмеравајућу улогу у инжењерској пракси.
1. Грифитова теорија
Да би проучавао утицај пукотина унутар материјала на чврстоћу материјала, Гриффитх је 1920-их први пут проучавао чврстоћу стакла које садржи пукотине и извео однос енергије лома:
Ово је чувени Грифитов критеријум лома, у коме је Г брзина ослобађања енергије на врху прслине, а с површина слободне енергије (енергија потребна да материјал формира јединичну површину пукотине). Из овог односа може се добити однос између Грифитовог напона на пукотини и величине прслине:
In the formula, a is the crack length. If G>2 с, пукотина ће се проширити; ако Г<2γs, the crack will not expand; if G=2γs, it is a limit state. In addition, if the crack expands and dG/da>0, може се одредити као нестабилна експанзија; ако се пукотина прошири и дГ/да<0, the crack stops.
2. Фактор интензитета напрезања К
Скраћеница фактора интензитета поља еластичног напона у области врха прслине је механички параметар у линеарној еластичној механици који одражава јачину поља еластичног напона у области врха прслине, представљен симболом КИ. Из проучавања поља напона у близини врха пукотине знамо да напон у близини врха пукотине на неки начин тежи бесконачности, односно да има сингуларност. Стога се напон овде не може користити за мерење његове снаге. Вредност КИ може одражавати јачину поља еластичног напрезања у области врха прслине. Његова вредност је повезана са оптерећењем, величином пукотине и геометријом. Математички израз Гриффитх крека је:
Где је σ напрезање, а је дужина прслине, а постоје три облика проширења прслине: КИ, КИИ и КИИИ, који представљају факторе интензитета напона пукотина типа И, типа ИИ и ИИИ. Међу њима, за тип И црацк:
Где је Е раван напон.
Напомена: Фактор интензитета напона је применљив на пластичну зону на врху прслине која је неколико пута мања од зоне К поља и неколико пута мања од дужине пукотине, као што су дуктилни материјали.
3. Ј интеграл
Предложио Рајс (ЈРРице) 1968. Одражава концентрацију напона и деформације на врху пукотине услед велике-попуштања. Дефиниција Ј интеграла је:
Користи се за проучавање равних проблема и представља енергију која се односи на проширење пукотине. Први члан на десној страни формуле је енергија повезана са енергијом деформације, где је В густина енергије деформације (тј. енергија деформације по јединици запремине). У случају еластичне-пластичности, то је радна густина напона-деформације (укључујући енергију еластичне деформације и рад пластичне деформације) коју прима сваки елемент запремине узорка током монотоног оптерећења. Други члан је компонента силе на дс; дс је елемент лука на путањи Γ.
Ј интеграл има следећа својства:
Ј интеграл је независан од путање;
Ј интеграл може да одреди еластично -пластично напрезање-поље деформације на врху прслине;
Ј интеграл има следећу везу са радном снагом деформације:
Где је Б дебљина узорка, У је рад деформације узорка, а ▽ је дата позиција. Горња формула је основа за експериментално одређивање Ј интеграла.
4. Крива отпора
У механици лома, крива која представља стабилно експанзионо понашање пукотине у материјалу (као што је приказано на слици испод). Ордината је отпор проширењу прслине, изражен Ј интегралом, δ ЦТОД или фактором интензитета напона К, а апсциса је износ проширења прслине △а. Када се пукотина не протеже, крива се поклапа са ординатом. Једном проширена, △а=0, крива одступа од ординате, а тачка прегиба је тачка иницијације пукотине. Следеће представља процес стабилног проширења. Када тангента тачке на кривој може проћи кроз тачку на хоризонталној негативној оси која представља дужину прслине, то значи да ће доћи до нестабилног продужења. Када дође до нестабилности, покретачка сила проширења прслине и отпор проширења прслине имају исту стопу промене са величином прслине. Пукотина ће се брзо проширити и сломити без оптерећења. Крива отпора се може тестирати са узорком, који се може користити за одређивање вредности иницијације прслине (δи или ЈИЦ) или условне вредности иницијације прслине (δ0,005 или Ј0,005, итд.), а такође се може користити за предвиђање процеса подкритичног проширења прслине у компоненти.
5. Методе нумеричког прорачуна
Са продубљивањем истраживања механике лома, проблеми које треба решити постају све сложенији и разноврснији, због чега је начин на који се успостављају ефикасне и високо{0}}прецизне методе прорачуна врућа тема за научнике. Због континуираног развоја дисциплина као што су рачунарство, рачунарска математика и механика, методе нумеричког прорачуна за решавање проблема механике лома настављају да се појављују, од ране методе коначних разлика, методе коначних елемената, методе граничних елемената до садашње методе без мреже, метода нумеричке многострукости, таласне нумеричке методе, дисконтинуираних алата за развој деформација који су важни за анализу механике, итд.
Метод коначних елемената:
У случају решења коначних елемената, за извођење решења коначних елемената користе се опоравак напона, процена грешке и аутоматско дељење нових мрежа и овај процес се понавља док се не добије задовољавајуће решење коначних елемената. Поред тога, стохастичка анализа је важан правац за развој механике лома и основа за процену поузданости конструкције. На основу методе коначних елемената, стохастичка метода коначних елемената користи насумичне параметре за описивање практичних инжењерских проблема. Основни садржаји истраживања обухватају принцип случајне варијације, успостављање случајних контролних једначина коначних елемената и њихова решења.
Метод граничних елемената:
Ово је нумеричка метода за решавање механичких проблема развијена по методи коначних елемената. Његов састав укључује следећа три главна дела:
Карактеристике основног решења и његова примена;
Избор дискретних и граничних елемената;
Метода суперпозиције и технологија решења.
Предност ове методе је у томе што се Гуассова теорема користи за смањење редоследа проблема, претварање тродимензионалног проблема у дводимензионални-проблем и претварање дводимензионалног проблема у једнодимензионални проблем, што у великој мери поједностављује припрему података, чини згоднијим читање и подешавање величине мреже у коначној величини. група једначина је много мања.
Метода без мреже:
Такође се зове метода без елемената. Овај метод дискретизује цео домен решења у независне чворове без повезивања чворова у јединице. Нема потребе за дељењем мреже, чиме се превазилази недостатак методе коначних елемената да се мрежа мора континуирано ажурирати током процеса прорачуна. Током процеса прорачуна, површина врха пукотине може се пратити у реалном времену ради локалног пречишћавања, а континуирани процес проширења прслине се сматра вишеструким линеарним повећањем. Угао проширења прслине у сваком кораку одређује се према фактору интензитета напона. Тачност прорачуна је побољшана увођењем екстерних базних функција на чвору за пречишћавање врха пукотине.
Метода нумеричке многострукости:
Основна идеја ове методе је да се у анализу материјала уведе вишеструки принцип диференцијалне геометрије, заснован на тополошким многострукостима и диференцијалним многострукостима, уз апсорбовање предности методе конструкције интерполационе функције у коначним елементима и теорије блок кинематике у анализи дисконтинуалне деформације, обједињујући проблеме механике континуалне и дисконтинуалне деформације.
Нумеричка метода таласа:
Овај метод користи предности добрих карактеристика локализације таласа, апроксимира поље померања таласним функцијама, успоставља нумерички формат таласа за прорачун, симулира проблем сингуларности на врху прслине и решава фактор интензитета напона на врху прслине.
Постојећи проблеми и технички кључ
Горе наведене методе или теорије су све изведене из Гриффитхове теорије лома и засноване су на сингуларности, то јест, све су засноване на моделу где су напон и деформација на врху прслине бесконачни. Објашњење еластичне механике теорије лома Инглисовог математичког модела прслине врха је основа математичког модела прслине врха. Растојање између горње и доње површине је нула, а полупречник закривљености врха пукотине је такође нула. Према томе, компонента напона добијена еластичном механиком је бесконачна на врху прслине. Ова појава се назива сингуларност.
Теорија сингуларитета је настављена до данас, али механика лома сингуларитета има суштинске недостатке у физици, који се углавном манифестују у два аспекта:
Прво, горњи и доњи размак површине и полупречник закривљености врха пукотине који се налази у пракси су коначне вредности и нису једнаке нули;
Друго, у стварним пукотинама, чак и на врху прслине, напон и деформација су коначне вредности, и не постоји такозвана{0}}сингуларност напона и деформације.
На овај начин, физичке величине засноване на математичким пукотинама врха и сингуларностима напона немају чврсту физичку основу. Да би се побољшала теорија и приказала не-сингуларност, може се користити модел тупе пукотине (или усека) са полукружним врхом који је више у складу са стварном ситуацијом, али је мерење радијуса закривљености тупе прслине потребно мерити металографским методама, што захтева развој металографске механике лома.
Будући трендови развоја
Иако је постигнут одређени напредак у механици еластичног{0}}пластичног лома, још увек постоје многа питања која треба детаљно проучити. То је тренутно један од главних истраживачких праваца механике лома. Динамику лома, за линеарне материјале, треба побољшати; за нелинеарне материјале, још увек је у раној фази истраживања и представља још један главни истраживачки правац механике лома. Уз-дубинско проучавање проблема лома и згодну употребу математичких алата, теорија механике лома ће постати све зрелија, а апликације механике лома ће постати све раширеније.
За нумеричке методе прорачуна, будући развојни трендови су: механика лома унакрсне скале, нумеричке методе прорачуна, методе паралелног нумеричког прорачуна, комбинација аналитичких метода и нумеричких метода, органска комбинација и фузија вишеструких метода прорачуна и аутоматизација обраде података.
