NASGRO理论手册.pdf
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NASGRO理论理论手册手册腾越飞扬腾越飞扬2015年年1月月NASGRO是根据美国是根据美国NASA约翰逊航天中心（约翰逊航天中心（JSC）与美国西南研究院（）与美国西南研究院（SwRI）签署的太空法案协议（签署的太空法案协议（SpaceActAgreement）进行开发和推广的）进行开发和推广的。
开发和支持队伍开发和支持队伍NASGRO是根据美国NASA约翰逊航天中心（JSC）与美国西南研究院（SwRI）签署的太空法案协议（SpaceActAgreement）进行开发和推广的；并得到NASGRO工业用户联盟（NASGROIndustrialConsortium）、美国航空管理局（FAA，FederalAviationAdministration）和欧洲航天局（ESA，EuropeanSpaceAgency）的支持。
NASAJohnsonSpaceCenterTeamJoachimM.BeekRoyceG.FormanVenkataramanShivakumar*RandallC.Christian*YajunGuo*MichaelBaldauf*JETSGroupSouthwestResearchInstituteTeamR.CraigMcClungJosephW.CardinalYi-DerLeeVikramBhamidipati其他技术贡献者其他技术贡献者SambiR.MettuLeonardC.WilliamsSusanM.PiotrowskiClydeA.SappVictorB.LawrenceBenNguyenFengYehBrianM.GardnerJamesC.Newman,Jr.MarkE.MearChungchuChangArijU.deKoningHenkJantenHoeveTorbenK.HenriksenWilliamFujimotoMehmetI.BasciG.GrahamChellNASGRO联盟成员（第联盟成员（第5期）期）AirbusAgustaWestlandAlcoaBoeingBombardierAerospaceEmbraerGKNAerospaceEngineSystemsHondaAircraftEnginesHoneywellIHICorporationIsraelAerospaceIndustriesLockheedMartinMitsubishiAircraftCorporationMitsubishiHeavyIndustriesSiemensEnergySierraNevadaCorporationSikorskySpaceXUnitedLaunchAllianceUTCAerospaceSystems其他技术监督机构其他技术监督机构NASAFractureControlMethodologyPanelNASGROInteragencyWorkingGroupMichaelReyer,FAASmallAirplaneDirectorate目录目录符号说明.错误错误!
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缩写说明.错误错误!
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前言.1第一章简介.4第二章疲劳裂纹扩展分析.72.1理论基础.72.1.1裂纹扩展公式.72.1.2疲劳裂纹闭合.92.1.3应力强度因子幅值的阈值.112.1.4断裂韧度.142.1.5失效准则.162.1.6屈服检查.172.1.7载荷交互作用下的裂纹扩展.182.2裂纹扩展分析详述.错误错误!
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2.2.1选择裂纹几何形式.错误错误!
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2.2.2裂纹形式的转换.错误错误!
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2.2.3输入初始裂纹尺寸.错误错误!
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2.2.4选择材料物性参数.错误错误!
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2.2.5输入载荷谱.错误错误!
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2.2.6载荷谱生成、浏览和编辑.错误错误!
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2.2.7高级载荷谱编辑功能.错误错误!
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2.2.8输出选项.错误错误!
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2.2.9计算和后处理输出.错误错误!
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第三章临界裂纹尺寸计算.错误错误!
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3.1临界裂纹尺寸.错误错误!
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3.2阈值裂纹尺寸.错误错误!
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3.3迭代过程.错误错误!
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3.3.1迭代的弦位法.错误错误!
未定未定义书签。
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3.3.2迭代的切线法.错误错误!
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3.4如何运行NASCCS.错误错误!
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第四章应力强度因子计算.错误错误!
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4.1理论背景.错误错误!
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4.2如何进行应力强度因子计算.错误错误!
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4.2.1线性分布应力下的SIF计算.错误错误!
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4.2.2非线性分布应力下的SIF计算.错误错误!
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4.2.3应力强度因子修正功能.错误错误!
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第五章持续应力裂纹扩展分析.错误错误!
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5.1理论背景.错误错误!
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5.2如何进行持续应力计算.错误错误!
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5.2.1材料属性.错误错误!
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5.2.2输入持续载荷谱表.错误错误!
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NASGRO中文手册iv5.2.3输出设置和求解输出.错误错误!
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第六章裂纹扩展数据分析.错误错误!
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6.1为曲线拟合输入裂纹扩展数据.错误错误!
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6.2获取参数.错误错误!
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6.3输入和处理断裂韧性数据.错误错误!
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6.4NASMAT生成的文件.错误错误!
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第七章边界元分析模块.错误错误!
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7.1数据输入界面.错误错误!
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7.2生成NASBEM模型的方法.错误错误!
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7.2.1点.错误错误!
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7.2.2边界线段.错误错误!
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7.2.3边界.错误错误!
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7.2.4域.错误错误!
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7.2.5裂纹线段和裂纹.错误错误!
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7.2.6边界条件和集中载荷.错误错误!
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7.2.7特殊几何形式.错误错误!
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7.2.8材料.错误错误!
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7.2.9应力分析.错误错误!
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7.3画图工具.错误错误!
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7.3.1文件操作按钮.错误错误!
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7.3.2线段绘图工具和网格助手.错误错误!
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7.3.3边界条件和点载荷按钮.错误错误!
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7.3.4裂纹定义按钮.错误错误!
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7.4绘图工具上的其它按钮.错误错误!
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7.4.1组合按钮.错误错误!
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7.4.2实用工具.错误错误!
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7.4.3绘图区信息窗口和设置.错误错误!
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7.5信息表.错误错误!
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7.6计算窗口.错误错误!
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7.7操作事宜.错误错误!
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7.7.1输入项的极限值模型可用有多大.错误错误!
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7.7.2程序运行中生成的文件.错误错误!
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7.8应力分析理论（略）.错误错误!
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参考文献.57NASGRO中文参考手册北京腾越飞扬科技有限公司1前言前言本手册是NASGRO软件的理论和操作参考手册；由NASGRO中国代理商北京腾越飞扬科技有限公司根据NASGROVersion7.11（2015年版本）的英文主手册MainReferenceManual为主线而编译的。
根据各附录手册、原厂商提供给代理商的其它原文资料和代理商的操作经验和切身体会，本手册的个别文字和图片与原文略有差异。
原文部分内容尤其是插图是基于更早的版本制作的，用户在用最新版本时会与本手册展示的内容略有不同，尤其是软件的部分屏幕截图。
请以您在使用的版本为准。
本书详细介绍了描述疲劳裂纹扩展现象的理论，以及本软件主要模块用到的经验公式；还介绍了各种裂纹类型、材料数据库操作方法、边界元模块的操作方法等。
除主手册外，软件还自带PDF格式的30本左右英文手册或文件，分别是Elastic-PlasticAnalysis（弹塑性分析）、FatigueCrackInitiationAnalysis（疲劳裂纹萌生分析）、AppendixA-Z（附录A-Z）等。
它们介绍不同专题的细节，如：
净截面应力计算、应力强度因子计算、弹塑性裂纹扩展原理、裂纹萌生模块介绍等。
具体文件清单请见本章结尾部分。
本手册与传统计算机软件手册稍有不同，因为其更多地介绍了NASGRO算法所基于的理论。
具体操作仅在部分章节略微提及。
这样编写手册的原因是：
NASGRO软件图形化的操作界面让用户一目了然，软件界面本身的许多功能按钮也提供了在线帮助，因此毋需在此赘述。
尽管如此，为了便于中国用户能较快地掌握此软件，北京腾越飞扬科技有限公司结合原厂商提供的部分资料编写了中文版的NASGRO操作手册一书，较详细地介绍操作步骤及选用各参数的注意事项。
其中操作手册中的注意事项尤其重要，部分是基于开发者的经验、而理论手册或其它手册未涉及的。
建议用户、特别是初级用户精读此两本手册，并对照进行上机操作，这样利于掌握此软件、并能对具体工程问题做出正确的断裂力学分析。
NASGRO软件包由多个模块组成。
它们分别是NASFLA、NASCCS、NASSIF、NASGLS、NASBEM、NASMAT和NASFORM等。
所有模块皆是在完全交互的图形界面下运行。
NASFLA模块模块基于断裂力学理论进行疲劳载荷下裂纹扩展分析，是NASGRO的核心模块。
NASCCS模块模块用于计算给定裂纹结构、载荷和材料断裂韧度等情况下的临界裂纹尺寸计算。
主要用于对缺陷尺寸进行安全性验证。
NASSIF模块模块用于各种裂纹结构的应力强度因子计算。
NASGLS模块模块用于分析持续载荷下的裂纹扩展问题，如玻璃类材料中的裂纹扩展。
NASFLA模块中裂纹扩展分析所用的材料参数从程序内置的材料数据库中获取。
当参数从数据库调出后，用户还可自行修改。
当然，用户也可以按照一维或二维的表格方式自行输入材料的裂纹扩展速率参数。
疲劳载荷谱可以方便地由标准载NASGRO中文参考手册北京腾越飞扬科技有限公司2荷谱文件或其它文件输入。
用户自定义的材料和载荷谱皆可保存以便以后调用。
NASBEM模块模块边界元应力强度因子计算模块，用边界元方法求解复杂二维结构的应力强度因子或应力。
NASMAT模块模块数据库模块，用于输入、编辑和拟合由疲劳和断裂试验得到的材料的疲劳裂纹扩展数据和断裂韧度。
NASFORM模块模块裂纹萌生计算模块。
请参考本模块理论手册FatigueCrackInitiationAnalysis（疲劳裂纹萌生分析）。
本软件曾内置了NASA内部使用的另外一个断裂力学分析软件，即J.C.Newman开发的FASTRAN程序；NASGRO当前版本V7.1暂时关闭FASTRAN软件的调用，但未来版本还会重新加上。
其手册请见AppendixYEXECUTINGFASTRANTHROUGHNASGRO（附录Y：
通过NASGRO调用FASTRAN）。
本手册是主参考手册。
配套的英文资料清单如下。
代理商会陆续将部分资料编译为中文，具体情况请咨询北京腾越飞扬科技公司：
infoty-，010-68469359，13501157545。
1.TableofContents（英文手册清单）2.EPFM：
Elastic-PlasticAnalysis（弹塑性分析方法）3.Form-Manual：
FatigueCrackInitiationAnalysis（疲劳裂纹萌生分析）4.UserDataFilesMigrationManual（用户老版本数据转移到新版本的操作手册）5.ReleaseNotes（新版本信息）6.AppendixA:
CrackGrowthCalculationUsingTabularda/dNData（用da/dN的表格数据进行裂纹扩展分析）7.AppendixB:
NetSectionStressComputation（净截面应力计算）8.AppendixC:
StressIntensityFactorEquationsandTables（各种裂纹应力强度因子的计算方法）9.AppendixD:
CrackTransitionAnalysis（裂纹转换分析）10.AppendixE:
NASFLADataFilesandMaterialFileStructure（NASFLA数据文件和数据文件结构）11.AppendixF:
InterpolationRoutines（插值方法）12.AppendixG:
ListofNASFLAMaterials（NASFLA模块中的材料清单）13.AppendixH:
AcceptanceVibrationTesting（验收振动试验）14.AppendixI:
InstallingNASGRO,SystemRequirements,andUserDataMigrationNASGRO中文参考手册北京腾越飞扬科技有限公司3（安装方法、系统要求）15.AppendixJ:
UnitConversionFactors（USSI）（美制及国际单位制转换）16.AppendixK:
StressQuantitiesinFatigueLoadingSpectra（疲劳载荷谱中的应力分量）17.AppendixL:
ListofMaterialswithWalkerEquationConstants（Walker公式参数的材料列表）18.AppendixM:
CyclicShakedownMethodology（循环安定方法）19.AppendixN:
PreloadComputationforCrackCaseSC08（裂纹SC08的预载荷计算）20.AppendixO:
ResidualStrengthandNASGRO（NASGRO中的剩余强度）21.AppendixP:
TemperatureInterpolationofCrackGrowth（裂纹扩展中的温度插值）22.AppendixQ:
HistoryofMaterialsFileChanges（NASGRO软件中材料文件的变迁）23.AppendixR:
RevisionsandHistory（历次修正列表）24.AppendixS:
AdvancedSpectrumEditing（高级载荷谱编辑）25.AppendixT:
NASBEMExampleProblems（NASBEM练习题）26.AppendixU:
RulesforFractureToughness（Kcr）（选取断裂韧度的规则）27.AppendixV:
RulesforConstraintCoefficient（）（确定约束因子的规则）28.AppendixW:
UsingNASGROforSequentialor“Batch”Computations（NASGRO中的批处理运行方式）29.AppendixX:
AlternativeFailureCriteria（可选取的各种失效准则）30.AppendixY:
ExecutingFASTRANThroughNASGRO（通过NASGRO调用FASTRAN程序）31.AppendixZ:
LinkingExcelToNASFLA（在Excel中启动NASFLA模块）NASGRO中文手册4第一章第一章简介简介NASGRO软件最初是NASA为航天飞行器及发射设备的断裂控制分析而开发的一款易用分析工具。
它也可用于航空飞行器或者其它需要进行断裂控制的断裂力学分析。
对各工程领域，当然它也学习和研究断裂控制理论的极有用工具。
它被NASA及其合同商（SupportContractors）、FAA及其指定工程代表（DER）、以及全球诸多著名国际大公司如LockheedMartin、Boeing、Airbus等广泛使用。
这个软件的最初功能是为了对包含初始缺陷疑似裂纹的结构进行循环或者静止载荷下的疲劳裂纹扩展和裂纹失稳分析。
NASGRO最初版本是NASA于1986年8月发布的NASGRO（NASA/FLAGRO），1989年3月份又做了修改。
本程序的推广是由COSMIC于1990年开始进行的；COSMIC是推广NASA开发的计算机软件的专职机构。
1994年5月推出版本V2.0，1995年推出稍作修改的版本V2.03。
1998年9月通过网站向公众发布了版本V3.0。
从那时起，每个版本更新后都会在相关网站上公开，直至2001年公开的最后版本V3.0.18为止。
因此，科研和工程领域的很多用户有NASGROV3.xx的版本。
此后，根据NASA约翰逊航天中心（JSC）和美国西南研究院（SouthwestResearchInstitute，SwRI）签署的太空法案协议（SpaceActAgreement），NASA和美国西南研究院联合进行后续版本的开发，西南研究院负责组织和管理NASGRO工业用户联盟（NASGROConsortium）并负责软件销售和技术支持。
NASGRO工业用户联盟成员为NASGRO的持续开发提供额外的技术和经费支持，每三年一轮换；当前是第五轮。
NASGRO软件在欧美之外业务推广和技术服务由当地代理商负责；中国代理商是北京腾越飞扬科技公司（infoty-，13501157545）。
为了保持系统的连续性和可移植性，本软件采用模块化开发方式。
包括裂纹扩展参数的材料数据库文件以加密形式保存，用户不能直接浏览和修改数据库文件。
但可以调入材料参数并修改后使用。
用户可以将自己的材料数据加入到数据库，也可以将软件数据库中参数进行修改后保存到用户指定的文件。
这方面的更多信息请参见附录E。
在Windows环境下启动NASGRO程序后，它会出现如图1的按钮选项。
NASGRO中文手册5图图1NASGRO启动后的模块选择主界面启动后的模块选择主界面界面上部“NASGROanalysismodules”区域内有四个主模块选项，用户可以选择其中之一。
默认的是第1个选项“CrackPropagationandFractureMechanicsAnalysis”，同时界面下部会出现其对应的4个分项。
这4个分项分别是裂纹扩展分析模块NASFLA、临界裂纹计算模块NASCCS、应力强度因子计算模块NASSIF、玻璃类材料的裂纹扩展计算模块NASGLS。
第2个选项是基于应力疲劳或应变疲劳计算裂纹萌生寿命的NASFORM模块；第3和4选项则是其它2个模块NASMAT和NASBEM。
界面左下角有启动这些模块的按钮，用鼠标左键点击即可启动相应模块。
本界面上还有多个其它按钮，主要是“Manual”按钮（打开NASGRO的PDF格式英文手册）、“MigrateUserData”按钮（将用户老版本生成的数据按照新版本要求移植到对应目录，当前中国用户基本用不到此功能）、“Disclaimer”按钮（版权声明）等。
以上总共7个模块都可以在相应程序安装目录里通过双击执行文件而直接启动，如双击flagui71.exe启动NASFLA模块。
本手册的第二、三、四章分别是NASFLA、NASCCS和NASSIF三个模块的理论和基本操作说明；持续应力裂纹扩展分析模块NASGLS的说明见第五章；材料数据库NASMAT模块的操作介绍见第六章；边界元分析模块NASBEM见第七章；裂纹萌生分析模块NASFORM的说明请见单独的一本册子，英文名为FatigueCrackFormationAnalysisNASFORMModule。
程序本身的帮助菜单也可以提供部分有用信息。
当光标停留在某些字段上一段时间，会出现相关提示；用鼠标右键点击某些字段，会显示相关可选项。
建议用户在使用本手册时，结合代理商提供的NASGRO基础&高级培训手册。
与培训手册相配套的练习题有几十个，可以引导用户尽快熟悉软件的操作。
各主要专题的英文手册即各附录手册建议用户细致阅读。
NASGRO理论手册7第第二二章章疲劳裂纹扩展分析疲劳裂纹扩展分析2.1理论基础理论基础本节介绍NASGRO所用的各种公式的理论背景。
我们通常假定用户已经具备了断裂力学和裂纹扩展的基本知识。
断裂力学工程应用的情况及其主要理论也可参见参考文献【1】【4】。
2.1.1裂纹扩展公式裂纹扩展公式NASGRO用到的裂纹扩展公式被业界称作NASGRO公式。
本公式综合了美国航空航天局（NASA）的Forman、Newman，洛克希德马丁公司（LockheedMartin）的Shivakumar、荷兰国家航空航天实验室（NLR）的deKoning及欧洲航天局（ESA）的Henriksen等人的开发成果，并由Forman和Mettu在文献【5】发表。
它的表达式为：
dadN=C（1-f1-R）Kn（1-KthK）p（1-KmaxKc）q（2.1）其中N是疲劳载荷的循环次数，a是裂纹长度，R是应力比，K是应力强度因子幅值（或幅度、范围），C、n、p和q是与材料相关的经验参数。
裂纹张开公式f、应力强度因子阈值Kth和临界应力强度因子Kc将在小节2.1.2至2.1.4中介绍。
通过公式（2.1）可以得到da/dN-K曲线，这与1989年NASGRO最初版本的曲线类似；但应力比R的作用会更加明显。
通过选择一个合适的Kmax，会使得Kc和Kth变化对曲线的线性区的影响效果减弱，这与试验值吻合得更好。
图2显示了钛合金Ti-6Al-4V的裂纹扩展速率数据（da/dN-K）测试数据以及按公式（2.1）绘制出的曲线。
可见除了应力比R=0.33的曲线稍微保守外，其它应力比的曲线与试验值吻合得非常好。
对于受组合载荷作用下的裂纹问题，应力强度因子计算公式如下：
K=S0F0+S1F1+S2F2+S3F3+S4F4a（2.2）应力分量S0、S1、S2、和S3分别指拉伸导致的拉/压应力、厚度方向弯曲导致的
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