[理学]014--损伤力学与断裂力学.ppt

力学发展的三个阶段及损伤力学定义 破坏力学发展的三个阶段 古典强度理论： 以强度为指标 断裂力学： 以韧度为指标 损伤力学： 以渐进衰坏为指标 损伤力学定义 细(微)结构 不可逆劣化(衰坏)过程 引起的 材料(构件)性能变化 变形破坏的力学规律 传统材料力学的强度问题 两大假设：均匀、连续 断裂力学的韧度问题 均匀性假设仍成立，但且仅在缺陷处不连续 损伤力学的评定方法 均匀和连续假设均不成立 损伤力学所研究缺陷的分类 损伤力学中涉及的损伤主要有四种： 微裂纹 (micro-crack) 微空洞 (micro-void) 剪切带 (shear bond) 界面 (interface) 损伤力学以处理方法的不同分为两类： 连续损伤力学 (Continuum Damage Mechanics, CDM) 细观损伤力学 (Meso- Damage Mechanics, MDM) 损伤力学与断裂力学的关系 损伤力学分析材料从变形到破坏，损伤逐渐积累的整个过程；断裂力学分析裂纹扩展的过程。 连续力学与力学模型之近代发展——力学分析范围之拓广 损伤的种类 弹脆性损伤：岩石、混凝土、复合材料、低温金属 弹塑性损伤：金属、复合材料、聚合物的基体，滑移界面(裂纹、 缺口、孔洞附近细观微空间)，颗粒的脱胶，颗粒微裂纹引起微空洞形核、扩展 剥落(散裂)损伤：冲击载荷引起弹塑性损伤；细观孔洞、微裂纹－均匀分布孔洞扩展与应力波耦合 疲劳损伤：重复载荷引起穿晶细观表面裂纹；低周疲劳－分布裂纹 蠕变损伤：由蠕变的细观晶界孔洞形核、扩展，主要由于晶界滑移、扩散 蠕变－疲劳损伤：高温、重复载荷引起损伤，晶间孔洞与穿晶裂纹的非线性耦合 腐蚀损伤：点蚀、晶间腐蚀、晶间孔洞与穿晶裂纹的非线性耦合 辐照损伤：中子、射线的辐射，原子撞击引起的损伤，孔洞形核、成泡、肿胀 损伤分类及损伤力学在工程中的应用 损伤也可分为两大类： 脆性损伤： 韧性损伤： 在工程问题中的应用 材料的断裂破坏过程，局部损伤：启裂、扩展和分叉 材料的力学与物理性能 材料元的寿命预计(非线性积累) 与无损检测的发展的关系 CDM的边值问题 材料的韧化机理与预计，韧脆转变 连续介质力学观点－分布孔洞与损伤材料性能 不同力学理论的研究路线 损伤力学(CDM)的研究方法 CDM是描写材料破坏过程的有力工具。它主要包括： 损伤演化方程的描写～损伤变量 基于细观的、唯象的连续损伤理论 损伤的实验测定 从应用入手，研究与发展连续损伤力学 损伤理论体系 损伤力学的应用 破坏分析过程 耦合的 应变损伤分析 损伤力学--概要 材料内部存在的分布缺陷，如位错、夹杂、微裂纹和微孔洞等统称为损伤 损伤力学可以分为连续损伤力学与细观损伤力学 细观损伤力学根据材料细观成分的单独的力学行为，如基体、夹杂、微裂纹、微孔洞和剪切带等，采用某种均匀化方法，将非均质的细观组织性能转化为材料的宏观性能，建立分析计算理论 连续损伤力学将具有离散结构的损伤材料模拟为连续介质模型，引入损伤变量（场变量），描述从材料内部损伤到出现宏观裂纹的过程，唯像地导出材料的损伤本构方程，形成损伤力学的初、边值问题，然后采用连续介质力学的方法求解 损伤变量 “代表性体积单元” 它比工程构件的尺寸小得多，但又不是微结构，而是包含足够多的微结构,在这个单元内研究非均匀连续的物理量平均行为和响应 Lemaitre（1971）建议某些典型材料代表体元的尺寸为： 金属材料 0.1mm×0.1mm×0.1mm 高分子及复合材料 1mm×1mm×1mm 木材 10mm×10mm×10mm 混凝土材料 100mm×100mm×100mm 连续损伤力学中的代表性体积单元 Kachanov（1958）材料劣化的主要机制是由于缺陷导致有效承载面积的减少，提出用连续度来描述材料的损伤 讨论 在各向同性损伤的情形,退化为双标量损伤模型 连续损伤力学用不可逆过程热力学内变量来描述材料内部结构的劣化，不一定要细致考虑这种变化的机制。损伤变量仅是材料性能劣化的相对度量的表征 损伤本构方程 可以利用等效性假设 也可以根据不可逆热力学理论 基于等效性假设