第二章宏微观破坏力学基础_材料的宏微观力学性能.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * (4) 动态损伤 2.2.1损伤的基本概念及损伤的分类 损伤类型: 裂纹 在动态载荷如冲击载荷作用下，材料内部会有大量的微裂纹形成并扩展。这些微裂纹的数目非常多，但一般得不到很大的扩展(因为载荷时间非常短，常常是几个微秒)。但当某一截面上布满微裂纹时，断裂就发生了 2.2.2 例：一维蠕变损伤 为了加深对损伤概念的理解，作为一个例题，我们分析Kachanov提出的一维蠕变损伤模型 下面分三种情况讨论金属材料的蠕变断裂 断裂时间 有损伤无变形的脆性断裂 同时考虑损伤和变形 无损延性断裂 2.2.3 各向同性损伤 在许多问题中，损伤的分布及其对材料性能的影响在各个方向上的差异不大，对于这类问题就可以假设损伤在各个方向的影响都相同，这类问题就是各向同性损伤问题。在这类问题中，损伤变量可以用一个标量来描述，一般用变量来D表示 。 损伤变量定义示意图 表示微团中一个截面面积 表示所考虑的截面上已经受损(缺陷)的面积 2.2.3 各向同性损伤 应变等效假设或者称为应变等效原理。应变等效原理可以这样来表述：损伤材料( )的变形行为可以只通过有效应力来体现，换言之，受损材料( )的本构关系可以采用无损材料( )的本构关系，只用损伤后的有效应力 来取代无损材料本构关系中的名义应力即通常所谓的Cauchy应力 即可。 用有效应力代替柯西应力 2.2.3 各向同性损伤 有效应力概念的推广 在一维问题中，有效应力可修正为 是裂纹闭合系数，一般地 很多实验显示出，受拉和受压时的损伤往往有很大差别．在循环载荷作用下，材料往往表现出不同的拉、压弹性模量等等．这些现象都是和裂纹的闭合效应有关．当垂直于裂纹的应力是压应力时，裂纹面仍然有一定的承载能力．考虑到这些，应当对有效应力作一些修正，使得它对于拉伸和压缩有不同的性能． 对于三维问题可以类似处理，请自己查阅资料！ 2.2.3 各向同性损伤 有效应力概念的推广 在一维问题中，有效 应力可修正为 很多实验显示出，受拉和受压时的损伤往往有很大区别。在循环载荷作用下，材料往往表现出不同的拉、压弹性模量等等。这些现象都是和裂纹的闭合效应有关。当垂直于裂纹的应力是压应力时，裂纹面仍然有一定的承载能力。考虑到这些，应当对有效应力作一些修正，使得它对于拉伸和压缩有不同的性能。 是裂纹闭合系数，一般地 对于三维问题可以类似处理，参看讲义！ 2.2.3 各向同性损伤 韧性损伤的测量: 测量塑性损伤的方法是间接测量受损后的弹性模量。因为受损伤后材料的弹性模量下降，用不断卸载的方法来测量卸载模量，再计算得到损伤变量 2.2.4各向异性损伤（自己查阅资料） 损伤的物理机制主要是微空洞和微裂纹，而这些微空洞和微裂纹都是有方向性的，描述这些各向异性损伤性能，有必要引入向量或张量来作为损伤变量。 Murakami定义损伤变量为一个二阶张量 2.2.4各向异性损伤 损伤张量的几何解释：(a)即时损伤构形，(b)虚拟无损构形 2.2.4 各向异性损伤 上述方程其实分别就是经典Kachanov-Rabotnov理论中三维有效应力描述 2.2.5 损伤与断裂的交互作用 宏观裂纹的断裂过程中，必嵌含着一个细观损伤区，在该区内的损伤发展和物质分离过程分别受损伤演化方程和临界损伤条件控制。细观损伤力学用连续介质力学的方法研究具有细观损伤结构的固体材料，并运用均匀化的方法提炼出含损伤宏观本构方程与损伤演化方程。 断裂区的损伤 可在断裂过程区中引入一损伤场变量来刻画材料单元对应力承载能力的丧失，的变化范围从0(无损伤)至1(完全损伤)。对微孔洞损伤的情况，可将 取为孔洞体积百分比。在许多实际情况下，材料损伤失稳可在 时发生。 损伤的演化 可以利用上述损伤模型对裂尖的损伤过程进行数值模拟，在计算中加入可容纳损伤演化的修正，并按单元平均的显示格式来模拟损伤演化 图2.25损伤引致裂尖形貌的数值模拟 (a) 超钝化，(b) 宽分叉，(c) 钝劈，(d) 三分叉，(e) 尖劈 2.2.6 纳观断裂力学 对固体断裂过程的本质理解必须在细观力学与纳观力学的结合角度上才能实现。 从宏观到细观再到纳观的层次深入导致从唯象认识学到损伤机制再到断裂物理学的概念突破。 近年来，由于对细观力学认识的深入、连续介质/粒子嵌套构形概念的提出、大规模计算手段