014--損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)@@@.ppt

力學(xué)發(fā)展的三個(gè)階段及損傷力學(xué)定義 破壞力學(xué)發(fā)展的三個(gè)階段古典強(qiáng)度理論 以強(qiáng)度為指標(biāo)斷裂力學(xué) 以韌度為指標(biāo)損傷力學(xué) 以漸進(jìn)衰壞為指標(biāo)損傷力學(xué)定義細(xì) 微 結(jié)構(gòu)不可逆劣化 衰壞 過(guò)程引起的材料 構(gòu)件 性能變化變形破壞的力學(xué)規(guī)律 傳統(tǒng)材料力學(xué)的強(qiáng)度問(wèn)題 兩大假設(shè) 均勻 連續(xù) 斷裂力學(xué)的韌度問(wèn)題 均勻性假設(shè)仍成立 但且僅在缺陷處不連續(xù) 損傷力學(xué)的評(píng)定方法 均勻和連續(xù)假設(shè)均不成立 損傷力學(xué)所研究缺陷的分類(lèi) 損傷力學(xué)中涉及的損傷主要有四種 微裂紋 micro crack 微空洞 micro void 剪切帶 shearbond 界面 interface 損傷力學(xué)以處理方法的不同分為兩類(lèi) 連續(xù)損傷力學(xué) ContinuumDamageMechanics CDM 細(xì)觀損傷力學(xué) Meso DamageMechanics MDM 損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)的關(guān)系 損傷力學(xué)分析材料從變形到破壞 損傷逐漸積累的整個(gè)過(guò)程 斷裂力學(xué)分析裂紋擴(kuò)展的過(guò)程 連續(xù)力學(xué)與力學(xué)模型之近代發(fā)展 力學(xué)分析范圍之拓廣 損傷的種類(lèi) 彈脆性損傷 巖石 混凝土 復(fù)合材料 低溫金屬?gòu)椝苄該p傷 金屬 復(fù)合材料 聚合物的基體 滑移界面 裂紋 缺口 孔洞附近細(xì)觀微空間 顆粒的脫膠 顆粒微裂紋引起微空洞形核 擴(kuò)展剝落 散裂 損傷 沖擊載荷引起彈塑性損傷 細(xì)觀孔洞 微裂紋 均勻分布孔洞擴(kuò)展與應(yīng)力波耦合疲勞損傷 重復(fù)載荷引起穿晶細(xì)觀表面裂紋 低周疲勞 分布裂紋蠕變損傷 由蠕變的細(xì)觀晶界孔洞形核 擴(kuò)展 主要由于晶界滑移 擴(kuò)散蠕變 疲勞損傷 高溫 重復(fù)載荷引起損傷 晶間孔洞與穿晶裂紋的非線性耦合腐蝕損傷 點(diǎn)蝕 晶間腐蝕 晶間孔洞與穿晶裂紋的非線性耦合輻照損傷 中子 射線的輻射 原子撞擊引起的損傷 孔洞形核 成泡 腫脹 損傷分類(lèi)及損傷力學(xué)在工程中的應(yīng)用 損傷也可分為兩大類(lèi) 脆性損傷 韌性損傷 在工程問(wèn)題中的應(yīng)用材料的斷裂破壞過(guò)程 局部損傷 啟裂 擴(kuò)展和分叉材料的力學(xué)與物理性能材料元的壽命預(yù)計(jì) 非線性積累 與無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展的關(guān)系CDM的邊值問(wèn)題材料的韌化機(jī)理與預(yù)計(jì) 韌脆轉(zhuǎn)變連續(xù)介質(zhì)力學(xué)觀點(diǎn) 分布孔洞與損傷材料性能 不同力學(xué)理論的研究路線 損傷力學(xué) CDM 的研究方法 CDM是描寫(xiě)材料破壞過(guò)程的有力工具 它主要包括 損傷演化方程的描寫(xiě) 損傷變量基于細(xì)觀的 唯象的連續(xù)損傷理論損傷的實(shí)驗(yàn)測(cè)定從應(yīng)用入手 研究與發(fā)展連續(xù)損傷力學(xué) 損傷理論體系 損傷力學(xué)的應(yīng)用 破壞分析過(guò)程 耦合的應(yīng)變損傷分析 損傷力學(xué) 概要 材料內(nèi)部存在的分布缺陷 如位錯(cuò) 夾雜 微裂紋和微孔洞等統(tǒng)稱(chēng)為損傷損傷力學(xué)可以分為連續(xù)損傷力學(xué)與細(xì)觀損傷力學(xué)細(xì)觀損傷力學(xué)根據(jù)材料細(xì)觀成分的單獨(dú)的力學(xué)行為 如基體 夾雜 微裂紋 微孔洞和剪切帶等 采用某種均勻化方法 將非均質(zhì)的細(xì)觀組織性能轉(zhuǎn)化為材料的宏觀性能 建立分析計(jì)算理論連續(xù)損傷力學(xué)將具有離散結(jié)構(gòu)的損傷材料模擬為連續(xù)介質(zhì)模型 引入損傷變量 場(chǎng)變量 描述從材料內(nèi)部損傷到出現(xiàn)宏觀裂紋的過(guò)程 唯像地導(dǎo)出材料的損傷本構(gòu)方程 形成損傷力學(xué)的初 邊值問(wèn)題 然后采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法求解 損傷變量 代表性體積單元 它比工程構(gòu)件的尺寸小得多 但又不是微結(jié)構(gòu) 而是包含足夠多的微結(jié)構(gòu) 在這個(gè)單元內(nèi)研究非均勻連續(xù)的物理量平均行為和響應(yīng)Lemaitre 1971 建議某些典型材料代表體元的尺寸為 金屬材料0 1mm 0 1mm 0 1mm高分子及復(fù)合材料1mm 1mm 1mm木材10mm 10mm 10mm混凝土材料100mm 100mm 100mm 連續(xù)損傷力學(xué)中的代表性體積單元 Kachanov 1958 材料劣化的主要機(jī)制是由于缺陷導(dǎo)致有效承載面積的減少 提出用連續(xù)度來(lái)描述材料的損傷 Rabotnov 1963 損傷度D 無(wú)損狀態(tài)下的真實(shí)應(yīng)力 一維情形 討論 在各向同性損傷的情形 退化為雙標(biāo)量損傷模型連續(xù)損傷力學(xué)用不可逆過(guò)程熱力學(xué)內(nèi)變量來(lái)描述材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化 不一定要細(xì)致考慮這種變化的機(jī)制 損傷變量?jī)H是材料性能劣化的相對(duì)度量的表征 損傷本構(gòu)方程 可以利用等效性假設(shè)也可以根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論基于等效性假設(shè)的損傷本構(gòu)方程Lemaitre 1971 損傷材料的本構(gòu)關(guān)系與無(wú)損狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系形式相同 只是將其中的真實(shí)應(yīng)力換成有效應(yīng)力 一維情形 三維情形 標(biāo)量損傷與雙標(biāo)量損傷 12 不可逆熱力學(xué)基本方程 Clausius Duhamel不等式 和D為內(nèi)變量 損傷過(guò)程中的損傷耗散功率 損傷材料存在一個(gè)應(yīng)變能密度和一個(gè)耗散勢(shì)利用它們 可以導(dǎo)出損傷 應(yīng)變耦合本構(gòu)方程 損傷應(yīng)變能釋放率方程 即損傷度本構(gòu)方程 和損傷演化方程的一般形式 熱力學(xué)第二定律限定損傷耗散功率非負(fù)值 損傷過(guò)程是不可逆 假定存在一個(gè)耗散勢(shì) 根據(jù)內(nèi)變量的正交流動(dòng)法則導(dǎo)出損傷演化方程 應(yīng)變 損傷耦合本構(gòu)方程的不可逆熱力學(xué)推導(dǎo) Taylor級(jí)數(shù)表示 損傷演化方程 利用耗散勢(shì) 耗散勢(shì)需要由經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)確定Kachanov 1958 連續(xù)度表示的一維損傷演化方程 等價(jià)于以損傷度表示的損傷演化方程 Chaboche對(duì)于高周疲勞提出的損傷演化方程 損傷本構(gòu)方程 引入損傷變量作為內(nèi)變量用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論求解邊值問(wèn)題利用等效性應(yīng)變等效性假設(shè)對(duì)受損彈脆性材料 在真實(shí)應(yīng)力作用下 受損狀態(tài)的應(yīng)變等效于在有效應(yīng)力作用下虛擬元狀態(tài)的應(yīng)變 損傷材料的本構(gòu)關(guān)系與無(wú)損狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系形式相同 只是將其中的真實(shí)應(yīng)力換成有效應(yīng)力 各向同性彈脆性損傷材料的應(yīng)力 應(yīng)變本構(gòu)方程與損傷應(yīng)變能釋放率方程 一維情形 三維情形有效Lame常數(shù)可定義 有效泊松比雙標(biāo)量損傷 損傷本構(gòu)方程 等效性假設(shè)還包括應(yīng)力等效假設(shè)與彈性能等效假設(shè)等 幾點(diǎn)討論 它說(shuō)明由應(yīng)變等效原理建立的損傷本