损伤力学读书报告.docx

损伤力学读书报告随着现代工业的飞速发展，大型机械和复杂构件的日益增加，金属构件的疲 劳失效已经成为工程领域中，关系到安全、可靠以及经济性的一个重要因素。一般认为金属的疲劳破坏形式分为如下几个阶段：裂纹形核、小裂纹扩展、 长裂纹扩展以及瞬时失效阶段，一般将裂纹形核和小裂纹扩展归为第一阶段，对 于这阶段的研究，其主要方法是试验与统计相结合的方法，目前较多的研究室基 于细观力学、分子动力学以及断裂物理的研究较多，对于裂纹的扩展阶段，一般 是采用试验与断裂力学相结合的方法，这对于飞行器以及工程构件的损伤容限设 计是非常必要的手段。但是这些方法也存在于若干不足之处：（1）、对于裂纹的曲线扩展路径的描述困难。（2）、二维裂纹扩展和三维裂纹扩展的描述难以统一。（3）、把第一阶段与裂纹扩展阶段视为独立的阶段。为止，就需要一个新的固体力学工具，将裂纹形成与扩展的描述进行统一， 将二维和三维裂纹的扩展研究进行统一，将裂纹的直线扩展与曲线扩展进行统一。此时，损伤力学就应运而生，从80年代初期，到目前为止，这方面出版了 许多专著，他们对损伤力学的理论以及发展做出了巨大的贡献；下面就介绍损伤 力学的一些先关内容：一、破坏力学的发展及损伤力学定义破坏力学发展的三个阶段1）、古典强度理论：以材料的强度作为设计指标：b*<LJ,即只要材料的应力c *小于材料的许用应力In 就不会破坏。2）、断裂力学：以材料的韧度为设计指标：K , J < K C, J C。3）、损伤力学：以渐进衰坏程度作为为指标：S<SC。损伤力学定义损伤力学是研究材料的细（微）结构在载荷历史过程中产生不可逆劣化（衰坏） 过程，从而引起材料（构件）性能变化、以及变形破坏的力学规律。二、传统材料力学的强度问题对于传统的力学材料研究首先满足：材料均匀性和连续性假设，即认为材料 是各处性质相同的连续体。其研究理论和思想如下图所示：评 选 寿fG 具）=卜.N = f（5 ）三、断裂力学的韧度问题对于断裂力学的研究内容，需要均匀性假设仍成立，但且仅在缺陷处不连续。其研究理论和思想如下图所示：*T =TC)CN = f(X , a,.) f i选工维 缺陷四、损伤力学损伤力学研究对象：均匀和连续假设均不成立。其研究理论和思想如下图 所示：设选寿计材命W , Wid o = f:(2)类本构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。疲劳<损伤力学一断裂力学损伤力学(»)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:1. 损伤演化方程的描写损伤变量2. 基于细观的、唯象的连续损伤理论3. 损伤的实验测定4. 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所研究缺陷的分类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在 损伤力学的研究对象中涉及的损伤主要有四种形式：1) 微裂纹(micro-crack) o2) 微空洞(micro-void)。3) 剪切带(shear bond)。4) 界面(interface)。损伤力学以处理方法的不同分为两类：1) 连续损伤力学(Continuum Damage Mechanics, CDM)o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2) 细观损伤力学(Meso-Damage Mechanics, MDM)。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，建立分析计算理论损伤的种类1. 弹脆性损伤：岩石、混凝土、复合材料、低温金属2. 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3. 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4. 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5. 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6. 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7. 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8. 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、 肿胀损伤变量在研究材料的损伤时一般取一个“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：0.1mmxO.lmmxO.lmm，高分子及复合材料：1mmxlmmxlmm, 木材 10mm x10mmx10mm，混凝土材料：100mm x100mm x100mm。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：A中=A其中A为原始截面积，A受损后的有效承载截面积。Rabotnov ( 1963 )给出了损伤度D的概念：D = 1 -基于上述以及下面的力学关系式：A = (1 D) A则真是应力为：A 1 - D同样可以得到可以三维无损状态下的真实应力为：b '二j 1 - D损伤本构方程本构关系的N型描述：众所周知，在交变激励的作用下，结构材料的内部位移、应变、应力以及 损伤等在不停地变化。所谓N型描述，以定义循环载荷的次数N作为广义的时 间变量，并取每周期内的某一特征(如对应力、应变和位移场可取其峰值或均值 等)，对损伤场可取其在本循环结束时的终值为控制对象来建立本构关系.对于各向同性线弹性材料，其应力-应变关系可设为:(1)式中：% ,七分别表示特征应力与特征应变。D为损伤度。反映材料刚度 下降的比例，（%,七和D均为N与坐标系七的函数）；Sijkl为弹性张量。本构关系的t型描述：在N型描述中，虽然D随时间的变化是以N为尺度，但是对于线弹性性损 伤介子来说，如果外载荷与边界位移按比例变化的，则在每个加载循环内任一瞬 时，除D以外各场量的分布也是不难算出的。然而。从本质而论，有损伤的演 化的过程是时间相关的，尤其在讨论弹塑性损伤时，我们往往需要用到增量型的 描述而涉及包括损伤在内的有关场量的时率形式。因此，建立与时间相关的损伤 本构关系就显得很有意义了。带有损伤时的本构关系式为：eijCijkl(1-如 D)-1 bkl（2）则有（2）可以得到应力表示的损伤驱动力为:（3）（4）（5）（6）其中C臾为无损时线弹性各向同性材料的柔度张量，b kl为无损时的应力。&、门为材料常数。无损则有：8 ij C ijklb kl损伤驱动力的表达式:1 ,.Y E门 S 8 e 8 e2 ijkl kl ij1Y = 2 5 C ijkl (1-如 D 广1 b klb ij损伤演化方程Kachanov（ 1958）提出了表示一维损伤演化方程b b ,thb < bth等价于以损伤度表示的损伤演化方程(7)b b , thb V b , th式中D为损伤度，b th临界应力。Chaboche对于高周疲劳提出的损伤演化方程:b, a 、 b (1 - D )f(D )（8）其中：f （D） = 1 - （1 - D）1 +P a ,D为损伤度，b a为应力幅值，N为疲劳 周次，b、s、p为材料常数。五损伤力学展望以总结损伤力学的发展推动了现代工程的设计，特别是在航空航天领域，1974年 在美国空军颁布的军用规范A-83444中，就明确地规定了军用飞机在设计时对损 伤容限的要求，损伤力学无疑是这个设计得以实施的重要工具。随着科学技术的 发展、损伤力学理论、测试手段、技术能力亦不断发展，损伤力学将得到更为广 泛的应用。具体而言，损伤力学有望在如下的工作中应用和发展1、各类复杂结构的健康监测、损伤评估。这是本世纪中最令人关注也是最 具有研究活力的领域，因为其涉及到重要构件的安全服役、人民生命财产的安全。 既然健康监测和损伤评估的目的是监控结构中缺陷的状态和程度，考虑结构中缺 陷的存在，应用损伤力学分析方法去考察在役构件的响应和特征，将是事半功倍 的有效途径。2、结构或构件的极限分析、失效路径考察和由此建立的更为经济可靠的设 计理论。正如文中己经提到过的，尽管随着现代计算技术的提高，结构模拟、结 构识别乃至损伤识别技术已经有很大的发展，但在土木结构工程领域内，对复杂 结构系统（包括那些“独一无二”的重要桥梁、越建越高的标志性高层建筑）在准 确的极限状态、失效（损伤）行为和路径等方面的了解还存在很大的空白。损伤力 学的应用不仅将有助于在这类基础理论的突破，更重要的是将为重要结构的设计 和建造提供可靠的基础。3、金属加工成型。虽然本书没有涉及到这类问题，实际上，已经有这方面 的研究将损伤力学的理论应用于金属加工成型过程分析。考虑加工过程中的高温 和大变形产生的损伤演化过程，是这类问题的主要关键。4、利用岩层中的裂隙和损伤发展高效的开掘、爆破、采矿技术。这方面的 应用是损伤的反问题之一。考察材料损伤性能的目的不是为了控制损伤的演化， 而是为了利用损伤的演化和扩展使材料构造破裂、达到相应的生产和工业要求。5）地震、风载荷等突发灾害下结构损伤性能的研究，将有助于结构抗震、抗 风设计水平的提高等等。损伤力学在各类工程问题的应用前景，显然远远大于上 述所描述的几个方面。然而，尽管损伤力学在其基本理论框架方面已经取得了很大的成就，在工 程应用方面仍不尽人意。长期以来，理论和实际之间往往隔着一段距离，消除这 一段距离，除了需要不断完善损伤力学理论本身，更重要的是要针对各种具体的 工程结构，如压力容器、水坝、桥梁等，开展损伤力学的应用研究。在各种工程 结构中，损伤和缺陷各有其发生、发展和演化的个性，损伤的个性和结构的个性 相互交织，形成各个结构损伤力学定解问题的个性。另外，损伤力学理论在数学 和物理上的复杂性，亦是其工程应用的一个障碍，应该根据各个工程结构的特性 对理论和计算加以简化，才能推动损伤力学的工程应用。总之，经过几十年的发展，损伤力学已经建立起一整套有效的理论框架， 足以解决诸如疲劳、蠕变断裂、脆性断裂等工程中的重要问题，并可应用于各类 材料，从地质材料和混凝土到金属陶瓷化合物生物材料和复合材料。毋容置疑， 损伤力学已经成为一门有深远科学意义的新兴学科，假以时日，也必将成为一个 能够解决广泛工程实际问题的有力工具。