损伤断裂力学概述.pptVIP

损伤力学 损伤的概念 由于细观结构(微裂纹、微孔洞、位错等)引起的材料或结构的劣化过程称为损伤。 研究内容 研究含损伤的变形固体在载荷、温度、腐蚀等外在因素的作用下，损伤场的演化规律及其对材料的力学性能的影响。 研究方法 连续损伤力学 细观损伤力学 断裂力学 断裂过程 由弥散分布的微裂纹串接为宏观裂纹，再由宏观裂纹演化至灾难性失稳裂纹，这一过程称之为断裂过程。 研究方法 断裂物理（细微观） 线弹性断裂力学（宏观）（1920~1973） 弹塑性断裂力学（宏观）（1960~1991） 宏微观断裂力学 固体力学基本问题 材料和构件由变形、损伤直至破坏的力学过程 线弹性断裂力学（一） 断裂概念及分类 材料的理论断裂强度 Griffith能量平衡理论 应力强度因子 断裂问题 据美国和欧共体的权威专业机构统计：世界上由于机件、构件及电子元件的断裂、疲劳、腐蚀、磨损破坏造成的经济损失高达各国国民生产总值的6%~8%。 包括压力管道破裂、铁轨断裂，轮毂破裂、飞机、船体破裂等。 断裂问题 基本概念 一个物体在力的作用下分成两个独立的部分、这一过程称之为断裂，或称之为完全断裂。 如果一个物体在力的作用下其内部局部区域内材料发生了分离，即其连续性发生了破坏，则称物体中产生了裂纹。大尺度裂纹也称为不完全断裂。 断裂过程包括裂纹的形成和裂纹的扩展。 断裂分类 按断裂前材料发生塑性变形的程度分类 脆性断裂（如陶瓷、玻璃等） 延性断裂（如有色金属、钢等） 断面收缩率5%；延伸率10% 按裂纹扩展路径分类 穿晶断裂 沿晶断裂 混合断裂 断裂分类 按断裂机制分类 解理断裂（如陶瓷、玻璃等） 剪切断裂（如有色金属、钢等） 按断裂原因分类 疲劳断裂（90%） 腐蚀断裂 氢脆断裂 蠕变断裂 过载断裂及混合断裂 上述理论局限于完全脆性材料； 对于塑性材料，裂纹扩展时材料释放的应变能除了转化为裂纹面的表面能外，还要转化为裂纹尖端区域的塑性变性能； 塑性变形能远大于裂纹表面能； 上述理论的能量思想可以推广至弹塑性断裂，得到相应的裂纹扩展条件。 椭圆孔弹性力学解答 应力强度因子 断裂力学研究表明：裂纹尖端的应力应变场可用物理量应力强度因子Ｋ来表征。 应力强度因子 Ｙ: 几何形状因子； σ: 工作应力； a : 裂纹半长度。 应力强度因子表示应力场和位移场 应力场特点 裂纹尖端，即r=0处，应力趋于无穷大，为-1/2次奇异点； 应力强度因子K1,K2,K3在裂纹尖端是有限量； 裂尖附近区域的应力分布是半径和角度的函数，与无穷远处的应力和裂纹长无关。 断裂的K判据 断裂的K判据 断裂的K判据 研究表明：当KI较小时，裂纹不会扩展，零件是安全的；当KI达到一个临界值时，裂纹才会扩展，这个临界值KIC是材料的性质。 断裂的K判据 应用 已知应力，材料，确定结构安全的最大裂纹长度 已知应力，裂纹长度，确定结构安全的材料 应力强度因子 Ｙ: 几何形状因子； σ: 工作应力； a : 裂纹半长度。 塑性区的形状和尺寸 塑性区的形状和尺寸 塑性区的形状和尺寸 塑性区的形状和尺寸 塑性区的形状和尺寸 复合型最大准则 应力强度因子表示应力场和位移场 复合型最大准则 复合型最大准则 复合型最大准则 复合型最大准则 复合型最大应力准则 复合型能量准则 复合型能量准则 复合型断裂的工程经验公式 复合型断裂的工程经验公式 应力强度因子的各种求法 复变函数法（普适性，需确定一个解析函数） 积分变换法 权函数法 应力集中系数法 位错连续分步法 边界配置法（确定一应力函数） 有限元法（J积分法） 边界元法 叠加原理 弹塑性断裂力学 D-M模型 裂纹尖端张开位移及COD准则 J积分 HRR理论 J积分准则 平面应力断裂的R阻力曲线 弹塑性断裂力学分析的有限元法 弹性与弹塑性断裂力学 线弹性断裂力学方法 适用于线弹性物体，其裂纹尖端附近的某一区域内的应力场主要由应力强度因子决定，该区域称为应力强度因子（K）主导区； 也适用于小范围屈服，其裂尖附近的塑性区尺寸小于应力强度因子主导区尺寸。 弹塑性断裂力学方法 大范围屈服问题，其裂纹尖端发生大范围屈服或全面屈服，其塑性区尺寸与裂纹长度相比，已达到同数量级。 D-M模型(1960) 无限大板中D-M模型的描述 无限大板包含长为2a+2R的穿透裂纹，在与裂纹垂直的方向远端作用均布拉应力，裂纹在2a范围内不受力，在a+R范围内受均布拉应力（屈服应力）。 裂纹尖端没有奇异性，裂纹外是广大的线弹性区域，为一线弹性力学问题。 无限大板中D-M模型的解 由于为线弹性力学问题，D-M模型可用叠加原理求解（应力场叠加），可分为下面三种情形： 无裂纹无限大板远端受均布拉应力 ； 应力强度因