损伤和断裂力学知识点.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传统材料力学强度问题,两大假设：,均匀、连续,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第1页,断裂力学韧度问题,均匀性假设仍成立，但且仅在缺点处,不连续,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第2页,损伤力学评定方法,均匀和连续假设均不成立,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第3页,损伤力学所研究缺点分类,损伤力学中包括损伤主要有四种,：,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不一样分为两类,：,连续损伤力学,(Continuum Damage Mechanics,CDM),细观损伤力学,(Meso-Damage Mechanics,MDM),损伤和断裂力学知识点专家讲座,第4页,损伤力学与断裂力学关系,损伤力学分析材料从变形到破坏，损伤逐步积累整个过程；断裂力学分析裂纹扩展过程。,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第5页,连续力学与力学模型之近代发展力学分析范围之拓广,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第6页,损伤种类,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、聚合物基体，滑移界面,(,裂纹、缺口、孔洞附近细观微空间,),，颗粒脱胶，颗粒微裂纹引发微空洞形核、扩展,剥落,(,散裂,),损伤,：冲击载荷引发弹塑性损伤；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,：重复载荷引发穿晶细观表面裂纹；低周疲劳分布裂纹,蠕变损伤,：由蠕变细观晶界孔洞形核、扩展，主要因为晶界滑移、扩散,蠕变疲劳损伤,：高温、重复载荷引发损伤，晶间孔洞与穿晶裂纹非线性耦合,腐蚀损伤,：点蚀、晶间腐蚀、晶间孔洞与穿晶裂纹非线性耦合,辐照损伤,：中子、射线辐射，原子撞击引发损伤，孔洞形核、成泡、肿胀,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第7页,损伤分类及损伤力学在工程中应用,损伤也可分为两大类,：,脆性损伤：,韧性损伤：,在工程问题中应用,材料断裂破坏过程，局部损伤：启裂、扩展和分叉,材料力学与物理性能,材料元寿命预计,(,非线性积累,),与无损检测发展关系,CDM,边值问题,材料韧化机理与预计，韧脆转变,连续介质力学观点分布孔洞与损伤材料性能,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第8页,不一样力学理论研究路线,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第9页,损伤力学,(CDM),研究方法,CDM,是描写材料破坏过程有力工具。它主要包含：,损伤演化方程描写,损伤变量,基于细观、唯象连续,损伤理论,损伤,试验,测定,从,应用,入手，研究与发展连续损伤力学,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第10页,损伤理论体系,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第11页,损伤力学应用,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第12页,破坏分析过程,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第13页,耦合 应变损伤分析,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第14页,损伤力学-概要,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第15页,材料内部存在分布缺点，如位错、夹杂、微裂纹和微孔洞等统称为,损伤,损伤力学能够分为,连续损伤力学,与,细观损伤力学,细观损伤力学,依据材料细观成份单独力学行为，如基体、夹杂、微裂纹、微孔洞和剪切带等，采取某种均匀化方法，将非均质细观组织性能转化为材料宏观性能，建立分析计算理论,连续损伤力学,将含有离散结构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过程，唯像地导出材料损伤本构方程，形成损伤力学初、边值问题，然后采取连续介质力学方法求解,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第16页,损伤变量,“,代表性体积单元,”,它比工程构件尺寸小得多，但又不是微结构，而是包含足够多微结构,在这个单元内研究非均匀连续物理量,平均行为和响应,Lemaitre（1971）提议一些经典材料代表体元尺寸为：,金属材料0.1mm0.1mm0.1mm,高分子及复合材料1mm1mm1mm,木材10mm10mm10mm,混凝土材料100mm100mm100mm,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第17页,连续损伤力学中代表性体积单元,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第18页,Kachanov（1958）材料劣化主要机制是因为缺点造成有效承载面积降低，提出用,连续度,来描述材料损伤,Rabotnov（1963）,损伤度,D,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第19页,无损状态下真实应力,一维情形,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第20页,讨论,在,各向同性损伤,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劣化，不一定要细致考虑这种改变机制。损伤变量仅是材料性能劣化相对度量表征,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第21页,损伤本构方程,能够利用,等效性假设,也能够依据不可逆热力学理论,基于等效性假设损伤本构方程,Lemaitre（1971）,损伤材料本构关系与无损状态下本构关系形式相同，只是将其中,真实应力,换成,有效应力。,一维情形,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第22页,三维情形,标量损伤与双标量损伤:,1,2,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第23页,不可逆热力学基本方程,Clausius-Duhamel不等式,和,D,为内变量,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第24页,损伤过程中损伤耗散功率,损伤材料存在一个,应变能密度,和一个,耗散势,利用它们，能够导出损伤应变耦合,本构方程,、损伤应变能释放率方程（即损伤度本构方程）和,损伤演化方程,普通形式,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第25页,热力学第二定律限定损伤耗散功率非负值,损伤过程是不可逆,假定存在一个耗散势,依据内变量正交流动法则导出损伤演化方程,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第26页,应变-损伤耦合本构方程不可逆热力学推导,Taylor级数表示,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第27页,损伤演化方程,利用耗散势,耗散势需要由经验和试验确定,Kachanov（1958）,连续度,表示一维损伤演化方程,等价于以,损伤度,表示损伤演化方程,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第28页,Chaboche对于高周疲劳提出损伤演化方程,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第29页,损伤本构方程,引入,损伤变量,作为内变量,用,连续介质力学,理论求解边值问题,利用等效性,应变,等效性,假设,对受损弹脆性材料，在真实应力作用下，受损状态应变等效于在有效应力作用下虚拟元状态应变。,损伤材料本构关系与无损状态下本构关系形式,相同,，只是将其中真实应力换成,有效应力,。,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第30页,各向同性弹脆性损伤材料应力应变本构方程与损伤应变能释放率方程,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第31页,一维情形,三维情形,有效Lame常数可定义,有效泊松比,双标量损伤,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第32页,损伤本构方程,等效性假设还包含应力等效假设与弹性能等效假设等,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第33页,几点讨论,它说明由应变等效原理建立损伤本构方程普通是一个近似方程,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第34页,小结,一是定义,损伤变量,并将其视为,内变量,引入到材料本构方程中，发展含损伤内变量本构理论,二是寻找基于试验结果之上,损伤演化,方程,归结为求,塑性势函数,和,自由能函数,建立损伤力学全部方程-及其初边值问题与变分问题提法-求解,损伤和断裂力学知识点专家讲座,第35页,