損傷力學(xué)讀書報(bào)告

1、材料結(jié)構(gòu)性能學(xué)讀書報(bào)告專 業(yè)：材料工程專業(yè)班級(jí)：SJ1162班學(xué)號(hào)：4姓名：專題名稱：損傷力學(xué)讀書報(bào)告評(píng)語(yǔ)：分?jǐn)?shù)：批閱人：日期：摘要本文主要圍繞沈?yàn)榘妗⑧囉窭グ鎿p傷力學(xué)和尹雙增版斷裂損傷理論 及應(yīng)用，做了讀書報(bào)告。通過(guò)本次學(xué)習(xí)，我初步了解了損傷力學(xué)的基本概念和 基本理論，為今后的實(shí)踐提供了有力的理論武器。關(guān)鍵詞：損傷力學(xué)斷裂基本概念基本理論第一章緒論1.1損傷力學(xué)的概念認(rèn)識(shí)本文是在瀏覽余文壽版和沈?yàn)榘鎿p傷力學(xué)之后的讀書報(bào)告。首先，讓我們來(lái)理清損傷力學(xué)的概念。在外載或環(huán)境作用下，由細(xì)觀結(jié)構(gòu) 缺陷（如微裂紋、微孔隙等）萌生、擴(kuò)展等不可逆變化引起的材料或結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能的劣化成為損傷。損傷的兩大類最

2、典型類型為：由微裂紋萌 生與擴(kuò)展的脆性損傷和微孔洞的萌生、長(zhǎng)大、匯合與擴(kuò)展的韌性損傷。介 乎兩者之間的還有準(zhǔn)脆性損傷。損傷力學(xué)的定義：損傷力學(xué)（damagemecha nics ）指研究材料中微空隙或微裂紋的發(fā)展及其對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變和破壞影 響的學(xué)科，它是固體力學(xué)的分支。其主要分支為：連續(xù)損傷力學(xué)和細(xì)觀損傷力學(xué)。其中，連續(xù)損傷力學(xué)是指利 用連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的唯象學(xué)方法，研究損傷的力學(xué)過(guò)程；它著重 考慮損傷對(duì)材料宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響以及材料和結(jié)構(gòu)損傷演化的過(guò)程和規(guī)律，而不細(xì)觀察其損傷演化的細(xì)觀物理與力學(xué)過(guò)程，只求用連續(xù)損傷力學(xué)預(yù)計(jì)的宏觀力 學(xué)行為與變形行為宏觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況。細(xì)觀損傷力

3、學(xué)通過(guò)對(duì)典型損傷基 元，如微裂紋、微孔洞、剪切帶等以及各種基元的組合，根據(jù)損傷基元的變形與 演化過(guò)程，通過(guò)某種力學(xué)平均化的方法，求得材料變形與損傷過(guò)程與細(xì)觀損傷參 量之間的聯(lián)系，它介于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和微觀力學(xué)之間。而近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的基于 細(xì)觀的唯象損傷力學(xué)，則是介于上述兩者之間的一種損傷力學(xué)理論。此外還有研 究隨機(jī)損傷理論的隨即損傷理論。這些分支構(gòu)成了損傷力學(xué)的主要骨架。從 1958年P(guān).M.卡恰諾夫提出完好度（損傷度）概念至今，損傷力學(xué)體系尚在形 成與發(fā)展之中。它與斷裂力學(xué)一起組成破壞力學(xué)的主要框架，以研究物體由損傷 直至斷裂破壞的這樣一類破壞過(guò)程的力學(xué)規(guī)律。1.2損傷力學(xué)的研究?jī)?nèi)容首先，必須

4、選擇表征損傷的合適的狀態(tài)變量損傷變量；通過(guò)實(shí)驗(yàn)途徑或連續(xù)熱力學(xué)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的途徑，確定含損傷變量的損傷演化方程和本構(gòu)關(guān) 系，并對(duì)上述方程作可能的簡(jiǎn)化；與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的其他場(chǎng)放在一起， 形成損傷 力學(xué)初邊值問(wèn)題或變分問(wèn)題的數(shù)學(xué)提法，求解物體的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和損傷場(chǎng)。然后, 根據(jù)損傷的臨界條件，來(lái)衡量材料與結(jié)構(gòu)的損傷程度和可安全使用的界限。損傷 力學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于含損傷材料的本構(gòu)理論和演化方程。有三種研究途 徑：唯象的宏觀本構(gòu)理論，細(xì)觀的本構(gòu)理論，基于統(tǒng)計(jì)的考慮非局部效應(yīng)的本構(gòu) 理論。1.3損傷力學(xué)的發(fā)展歷史及趨勢(shì)損傷力學(xué)發(fā)展至今，不過(guò)三十多年的歷史。目前涌現(xiàn)出了許多各種各樣的損 傷力學(xué)理論，

5、但這個(gè)體系仍在形成與發(fā)展過(guò)程中，尚未出現(xiàn)比較公認(rèn)的普遍理論。連續(xù)損傷力學(xué)，又稱唯象損傷力學(xué)，主要是在歐洲發(fā)展起來(lái)的。細(xì)觀損傷力 學(xué)主要是從美國(guó)發(fā)展起來(lái)的。起初連續(xù)損傷力學(xué)和細(xì)觀損傷力學(xué)是獨(dú)立發(fā)展的， 直到80年代中后期，這兩個(gè)損傷力學(xué)分支才被力學(xué)家和材料學(xué)家在不同程度上 加以認(rèn)可。實(shí)際上，這兩種理論在工程應(yīng)用、理論分析等方面可以相互補(bǔ)充。連 續(xù)損傷力學(xué)多與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命分析相聯(lián)系，細(xì)觀損傷力學(xué)常與材料力學(xué)行為和 變形過(guò)程相聯(lián)系。對(duì)于結(jié)構(gòu)的損傷分析，人們常常應(yīng)用連續(xù)損傷理論來(lái)解決；而對(duì)于材料設(shè)計(jì) 與強(qiáng)韌化以及優(yōu)化工藝來(lái)說(shuō)，利用細(xì)觀損傷理論更為合適。至于損傷力學(xué)的發(fā)展 趨勢(shì)，當(dāng)前已現(xiàn)端倪：一方面在

6、工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展合用的損傷了理 論，其中以基于細(xì)觀的考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)模型的損傷理論和隨機(jī)損傷理論較為有吸引 力；發(fā)展宏觀-細(xì)觀-微觀多層次嵌套連接的損傷理論已經(jīng)是大勢(shì)所趨；到目前為 止,我們所研究的損傷都是不可逆的。研究與生長(zhǎng)過(guò)程的聯(lián)系的可自修復(fù)的損傷 理論是生物力學(xué)與生物工程的一個(gè)重要組成部分。然而，所有這些理論都離不開(kāi)觀察與測(cè)量。 因此，發(fā)展各種層次的損傷量測(cè) 方法并應(yīng)用是發(fā)展損傷理論的基礎(chǔ)性工作。審視與改進(jìn)非平衡不可逆的連續(xù)介質(zhì) 力學(xué)與熱力學(xué)的框架，是損傷理論發(fā)展正確性的前提。第二章?lián)p傷力學(xué)的基本概念和主要理論2.1基本概念損傷變量材料或結(jié)構(gòu)在損傷過(guò)程中，其內(nèi)部微裂紋或空隙是相互

7、作用、相互影響的， 并不存在某一孤立的控制損傷發(fā)展?fàn)顟B(tài)的裂紋， 而且人們也不可能對(duì)所有裂紋一 一做出幾何學(xué)的描述，更無(wú)法確定各裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)。因此，力學(xué)工作者 把含有眾多分散的微裂紋區(qū)域近似看成是局部均勻場(chǎng)，在場(chǎng)內(nèi)考慮裂紋的整體效應(yīng)，試圖通過(guò)定義一個(gè)與不可逆相關(guān)的場(chǎng)變量來(lái)描述均勻場(chǎng)的損傷狀態(tài)，這個(gè)場(chǎng)變量就是損傷變量。損傷變量是表征材料或結(jié)構(gòu)劣化程度的量度，直觀上可理解 為微裂紋或空洞在整個(gè)材料中所占體積的百分比。損傷會(huì)引起材料微觀結(jié)構(gòu)和某些宏觀物理性能的變化，所以損傷變量 可從微觀和宏觀這兩個(gè)方面選擇。微觀方面，可以選擇裂紋數(shù)目、長(zhǎng)度、 面積和體積等；宏觀方面，可以選擇彈性模量、屈服應(yīng)力

8、、拉伸強(qiáng)度、密 度等。不同的損傷過(guò)程，可以選擇不同的損傷變量，即使同一損傷過(guò)程， 也可以選擇不同的損傷變量。根據(jù)研究對(duì)象的復(fù)雜程度和力學(xué)描述方式的不同，損傷變量可以定義 為標(biāo)量、矢量或 X量等不同形式。例如對(duì)于微裂紋各向同性分布的情況， 損傷變量可采用標(biāo)量形式；對(duì)于微裂紋有規(guī)律地平面分布的情況，可用與 裂紋垂直的矢量表示損傷；對(duì)于微裂紋各向異性分布的情況，損傷變量可 采用X量形式。雖然用 X量表示損傷能夠更真實(shí)地反映微觀裂紋的排列狀 態(tài)及其力學(xué)特性，但是其數(shù)學(xué)表達(dá)式比較復(fù)雜，在工程應(yīng)用方面存在較大 難度。理想的損傷變量應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）對(duì)損傷的描述有足夠精度，這種描述可以是基于細(xì)觀的，

9、如 微裂紋或微孔洞的幾何尺寸、取向、配置等；（2）獨(dú)立的材料參數(shù)盡可能少，便于數(shù)學(xué)運(yùn)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定；（3）有一定的物理意義或幾何意義。有效應(yīng)力通常情況下，應(yīng)力一般表示為與總面積 Ac相關(guān)的內(nèi)力分布集度，被稱之為Cauchy 應(yīng)力或名義應(yīng)力。在考慮損傷效應(yīng)時(shí)，實(shí)際應(yīng)力必須表示為與有效承載面積Ay相關(guān)的內(nèi)力分布集度，被稱之為凈應(yīng)力或有效應(yīng)力。損傷擴(kuò)展力X量損傷擴(kuò)展力X量R的含義是表征材料提供產(chǎn)生新的彈脆性損傷的能力， 數(shù)量上等于損傷擴(kuò)展所耗散的能量密度。因此，R也可稱為損傷能耗散串密度或損傷能釋放率密度?；炯俣〒p傷力學(xué)基本假定是損傷力學(xué)研究中非常關(guān)鍵的內(nèi)容。不同的基本假定導(dǎo)致不同的損傷變量定義模式

10、和不同的損傷本構(gòu)關(guān)系。為得到與研究對(duì) 象相應(yīng)的損傷本構(gòu)關(guān)系，必須對(duì)受損傷物體的特性進(jìn)行合理假定。損傷理 論中的基本假定主要有以下三種：應(yīng)變等價(jià)假定、應(yīng)力等價(jià)假定、彈性能 等價(jià)假定。應(yīng)變等價(jià)假定認(rèn)為，應(yīng)力作用在受損材料上引起的應(yīng)變與有效應(yīng)力作 用在無(wú)損材料上引起的應(yīng)變等價(jià)?；趹?yīng)變等價(jià)假定，受損結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系可通過(guò)無(wú)損時(shí)的形式描述，只需將其中名義應(yīng)力換成有效應(yīng)力即可。應(yīng) 力等價(jià)假定認(rèn)為，損傷狀態(tài)下真實(shí)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和與虛構(gòu)無(wú)損狀態(tài)下有 效應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力等價(jià)。應(yīng)變等價(jià)假定實(shí)際上包含了應(yīng)力等價(jià)假定。彈性 能等價(jià)假定認(rèn)為，損傷狀態(tài)下真實(shí)應(yīng)變和應(yīng)力對(duì)應(yīng)的彈性余能和虛構(gòu)無(wú)損 傷狀態(tài)下有效應(yīng)變和有效應(yīng)力對(duì)應(yīng)

11、的彈性余能等價(jià)?；谀芰康葍r(jià)得到的 損傷本構(gòu)關(guān)系和損傷的定義與基于應(yīng)變或應(yīng)力等價(jià)得到的關(guān)系式有所不此外，還有載荷等效性假設(shè)，即拉伸會(huì)引起試棒橫向收縮，即從額定面積S。變到真實(shí)面積 S;考慮材料損傷后又從真實(shí)面積S壓改到有效承載面積s。因此，可以定義三種拉伸應(yīng)力，即額定應(yīng)力 罠實(shí)應(yīng)力 有效應(yīng)力a0=F/St設(shè)真實(shí)承載的拉伸棒等效于一虛擬拉伸棒，可以導(dǎo)出有效應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)力 之間的關(guān)系：損傷本構(gòu)熱力學(xué)損傷是與材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)組織的改變相關(guān)聯(lián)的，是物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 不可逆變化過(guò)程。損傷演變與塑性變形一樣都會(huì)造成材料的不可逆能量耗散，故損傷變量是一種內(nèi)變量。材料的損傷本構(gòu)方程可采用帶內(nèi)變量的不 可逆過(guò)程熱

12、力學(xué)定律來(lái)研究，即讓損傷變量以內(nèi)變量的形式出現(xiàn)在熱力學(xué) 方程中。2.2主要理論各向同性和各向異性彈脆性損傷的一般理論先進(jìn)的復(fù)合材料等固體材料的力學(xué)性能（包括剛度、強(qiáng)度等）往往是各向?qū)缘?設(shè)這種材料在受載過(guò)程中塑性變形較小而加以忽咯，但容易發(fā)生諸如基沐微裂紋、纖維斷裂和界而脫膠等損傷（這些損傷往往是隨機(jī)的和大量的,同時(shí)具有局部性和各向異性。沈?yàn)樵跁薪榻B了耗散勢(shì)和損傷擴(kuò)展力的 概念和計(jì)算。若設(shè)損傷度或連續(xù)性書僅是狀態(tài)的函數(shù)而與過(guò)程無(wú)關(guān)，即* = 或 3 = （）實(shí)驗(yàn)表明，某些材料在較小應(yīng)變下不發(fā)生損傷，只有當(dāng)應(yīng)變超過(guò)它的 閾值時(shí)才發(fā)生損傷，隨后，損傷隨應(yīng)變不斷加劇并不斷擴(kuò)大。當(dāng)單元損傷 達(dá)到它

13、的臨界狀態(tài)時(shí)，單元發(fā)生破壞且不能承受外載。沈?yàn)楹袜囉窭シ謩e在各自的損傷力學(xué)中分別闡述了1維情況和多維情況的損傷與破壞準(zhǔn)則。沈?yàn)檫€在書中介紹了耗散勢(shì)和損傷擴(kuò)展力的概 念和計(jì)算。粘脆性損傷理論粘彈性或粘塑性固體材料在恒應(yīng)力作用下，其應(yīng)變隨時(shí)間逐漸增加， 稱為蠕變，在恒應(yīng)變作用下，其應(yīng)力隨時(shí)間緩慢降低，稱為松弛。這兩種 情況，統(tǒng)稱流變。金屬材料在恒定單軸拉伸應(yīng)力下的蠕變典型曲線如圖所示。AlB若拉應(yīng)力低于材料的比例極限，材料的彈性應(yīng)變一般不隨時(shí)間改變（用AB線表示），不出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。若拉伸應(yīng)力超 過(guò)比例極限，材料在瞬態(tài)響應(yīng)后發(fā)生蠕 變，其蛻變曲線由 oACDEF表示。實(shí)際上，材料在不同的應(yīng)力水平或不

14、 同的溫度環(huán)境下，可能處于不同蠕變階 段，具有不同的蠕變機(jī)制和微結(jié)構(gòu)變化。材料在蠕變時(shí)往往伴隨著微結(jié)構(gòu)變化或缺陷的產(chǎn)生與擴(kuò)展而構(gòu)成損 傷。在低應(yīng)力下，材料變形很小，損傷歸因于微裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)散與聚合， 最后造成脆性斷裂，屬長(zhǎng)期蠕變斷裂。在高應(yīng)力下，材料有大量晶格滑移 而造成粘性損傷，特別使第 3階段蠕變加速，是一種短期蠕變斷裂。沈?yàn)樵趽p傷力學(xué)中主要介紹了穩(wěn)定蠕變理論和強(qiáng)化蠕變理論，并 針對(duì)小變形和有限變形情況研究了蠕變斷裂時(shí)間及粘脆性斷裂的界限，從 損傷力學(xué)的角度指出，桿在恒拉伸載荷下，其蠕變斷裂將因不同應(yīng)力水乎 而發(fā)生不同性質(zhì)的斷裂破壞。作者特別針對(duì)彎曲梁、受扭圓軸、應(yīng)力腐蝕 下圓軸、內(nèi)壓厚

15、壁圓筒等做了斷裂發(fā)展過(guò)程的詳細(xì)闡述。彈脆性損傷理論沈?yàn)樵跁薪榻B了幕硬化材料和全塑性材料的損傷，并就全塑性材料 的損傷舉出實(shí)例。書中還介紹了應(yīng)力基損傷模型、應(yīng)變基損傷模型、彈塑 性蠕變損傷模型等模型。鄧玉昆在其損傷力學(xué)中介紹了Dugdale 模型（用于分析裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的某些特點(diǎn)），突然損傷模型，脆性材料裂紋 尖端的損傷局部化、損傷場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和 Bui等人的斷裂局部方法。在突然損傷模型中提到了一個(gè)重要的參數(shù)，即損傷區(qū)的厚度2h，它取決于斷裂應(yīng)力、擴(kuò)展速度和加載條件，它是結(jié)構(gòu)的特征，而不是材料的特性。疲勞損傷理論疲勞的分類主要有：無(wú)限壽命疲勞和有效壽命疲勞；高周疲勞和低周 疲勞。針對(duì)高周和低周疲勞

16、，沈?yàn)榻榻B了chaboche等幾種損傷模型。對(duì)于復(fù)合材料損傷模型，分別介紹了模量下降模型和剩余強(qiáng)度模型等。細(xì)觀損傷力學(xué)理論前面已經(jīng)摘錄了鄧玉昆等所編損傷力學(xué)中關(guān)于細(xì)觀損傷力學(xué)的概 念和特性。在此又瀏覽了沈?yàn)榈膿p傷力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。T. Mura定義特征應(yīng)變?yōu)椋涸跓o(wú)外力作用也無(wú)表面約束下彈性體內(nèi)微 小局部發(fā)生的非彈性應(yīng)變，如熱膨脹（收縮）、相變、塑性變形和失配變形等。 這種特征應(yīng)變?cè)隗w內(nèi)會(huì)引起自平衡的內(nèi)應(yīng)力一一特征應(yīng)力，如效應(yīng)力、相 變應(yīng)力和殘余應(yīng)力等。顯然，這種特征應(yīng)變以及相應(yīng)的特征應(yīng)力將是引起 損傷和損傷演變的重要因宏之一。作者針對(duì)夾雜做了各種角度的分析，這 對(duì)于工程生產(chǎn)來(lái)說(shuō)很有意義。作者對(duì)細(xì)

17、觀損傷過(guò)程分別從各向異性、2維問(wèn)題、過(guò)程動(dòng)力學(xué)等做了分析，在過(guò)程動(dòng)力學(xué)部分指出微型紋擴(kuò)展取決于多方面因素，主要有：（1）細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非均勻性引起變形的非均勻性和應(yīng)力集中（或波動(dòng))；(2) 材料在加工時(shí)或過(guò)去加載時(shí)所留下的內(nèi)部(初始)裂紋；(3) 組分相韌度有明顯差異或組分界面的粘結(jié)狀態(tài)的差異。 作者還舉例研究了解理的細(xì)觀過(guò)程。類似這種的研究對(duì)工程實(shí)際有著重大的意義。比如某廠家生產(chǎn)的高速工具鋼，在買家加工成刀具的過(guò)程中 發(fā)生變形、突然斷裂甚至破碎，此時(shí)廠家若進(jìn)行失效分析，顯然選擇細(xì)觀 損傷力學(xué)的方法更容易找到根源。而這些問(wèn)題又是工程上極為常見(jiàn)的售后 問(wèn)題，因此，細(xì)觀損傷力學(xué)體現(xiàn)出其價(jià)值。第三章總結(jié)

18、在學(xué)習(xí)損傷力學(xué)之前，我對(duì)它的認(rèn)識(shí)僅限于宏觀意義上的了解，即余 壽文等在損傷力學(xué)這本書中提到的連續(xù)損傷力學(xué)，甚至與斷裂力學(xué)的 概念認(rèn)識(shí)混淆。但實(shí)際上，損傷力學(xué)并不只是這樣。它包括連續(xù)損傷力學(xué)、 細(xì)觀損傷力學(xué)和基于細(xì)觀的唯象損傷力學(xué)等。分析損傷不單要從宏觀角度 去分析了，還應(yīng)該結(jié)合微觀、細(xì)觀方法。而尤以宏-細(xì)觀結(jié)合方法應(yīng)用最為廣泛和實(shí)用。沈?yàn)榈染幹膿p傷力學(xué)則全面而系統(tǒng)地闡述了連續(xù)損傷力學(xué)的基 本理論，包括基本概念、理論模型和分析方法.對(duì)于彈脆性、粘脆性和彈 塑性材料，分別建立了各向同性和各向異性的損傷本構(gòu)關(guān)系，并作了詳細(xì) 研討.書中還扼要介紹了細(xì)觀損傷力學(xué)的基本理論和損傷變量的測(cè)量方法。 而不論是沈?yàn)榘孢€是鄧玉昆版的損傷力學(xué)，都用了分析法和數(shù)值法對(duì) 連續(xù)損傷力學(xué)在蠕變、疲勞和沖擊損傷-破壞過(guò)程的某些應(yīng)用給予了說(shuō) 明.