鲁龙坤 庄茁 柳占立

摘要：本文回顾了裂纹尖端张开角（Crack Tip Opening Angle，CTOA）在飞机金属薄壁结构中的应用。主要回答了“为什么CTOA是一个有效的断裂参数”和“CTOA怎样估算工程结构的断裂过程”这两个问题。韧性断裂的微观机理为空洞的形核、扩展及合并过程，断裂过程区（Fracture Process Zone，FPZ）包含了上述过程。CTOA实际上是FPZ的整体表征，因此CTOA是一个有效的断裂参数。此外，CTOA准则是一个局部断裂准则，它并不关心FPZ以外区域的状态，这使得它能够估算金属薄壁结构的裂纹扩展过程。

关键词：CTOA；断裂过程区；薄壁结构；局部断裂准则；韧性断裂

中图分类号：V215.6文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.04.004

基金项目：清华大学“水木学者”计划（2019SM077）

为了保证飞机服役期间的安全，必须对飞机结构进行完整性分析，而剩余强度分析是结构完整性分析[1-3]的重要组成部分。此外，机翼、机身等飞机结构通常归属于金属薄壁结构，因此金属薄壁结构的剩余强度分析在飞机结构分析中占据十分重要的地位。

剩余强度分析的本质就是裂纹扩展过程的分析。金属薄壁结构通常由低强度、高韧性材料组成，并且结构整体处于平面应力状态（厚度较小）。因此，这类结构的裂纹扩展过程具有以下特点[4]：（1）裂纹尖端的塑性区比较大，小范围屈服条件不再满足；（2）裂纹在结构失效之前发生了较大范围的扩展。由于塑性区比较大，基于线弹性断裂力学的评估方法不再适用，必须采用弹塑性断裂参数对结构进行评估。

常用的弹塑性断裂参数主要有J积分与裂纹尖端张开位移（Crack Tip Opening Displacement，CTOD）两种[5-6]。……