断裂力学在化工机械设备中的应用

在化工厂现代化的机械设备中, 大多采用高强度金属材料, 大型构件在使用某些新工艺的情况下, 有时会在应力低于流动极限或名义流动极限) 时发生低应力断裂的现象, 或在交变应力作用下, 虽然脉冲拉伸的最大应力很低, 但其使用寿命比传统疲劳强度计算的寿命小得多。事故分析表明, 构件的整体断裂是由于其原有宏观裂纹的扩展而造成的。在金属加工工艺中, 裂纹或缺陷是不可避免的, 而传统的材料力学在应力计算中, 认为介质是连续的, 对裂纹导致的断裂缺乏规律性的分析。为了使机械设备的故障诊断更加完善, 人们必须应用断裂力学的有关知识对构件的安全进行分析计算。

下面列举3个应用断裂力学进行安全评定的实例。

实例1:计算压力容器的允许疲劳寿命

解: (1) 计算应力强度因子K1。

该裂纹可近似视为半无限体内的表面半椭圆浅裂纹, 考虑平面应力塑性区, K1的修正表达式为:

解:考虑塑性松驰后等效裂纹的应力强度因子为:

由上式得:

∴该构件有一定量的安全储备, 可继续使用一段时间。

实例3:判断转子轴的安全性。

某电机转子轴内孔表面有一轴向表面裂纹 (裂纹平面穿过转子轴线) , 如图所示, 裂纹长10mm, 深4mm, 转子轴外径为550mm, 内径为300mm。当转子高速旋转时, 转子本身及绕组的离心力使内孔壁产生最大环向应力σθ=320MPa。已知转子钢材的名义流动限=540MPa, 断裂韧度KIC=120NMm-3/2, 若取静载低应力安全系数nK=2, 转子轴是否安全?

摘要：本文根据作者自己多年工作经验, 列举了个实例, 证明了断裂力学在工程实践中的实用性与科学性。

关键词：化工机械故障,疲劳寿命,断裂力学