损伤与断裂力学知识点优秀课件

阻力C
断裂力学
裂纹扩展准则
f i C T TC N f f i , a,...
σC
a
SU
K
响应 i
C
奇异场
控制参量 T
损伤力学的评定方法
均匀和连续假设均不成立
设选寿 计材命
应用
损伤临界 ~ C 参量
损伤力学
Damage Mechanics
损伤准则与 损伤演化
σC
a
SU
损伤响应 与初边值
损伤与断裂力学知识点优秀课件
传统材料力学的强度问题
两大假设：均匀、连续
评选寿 定材命
应用
σC
SU
s
b 强度指标
1
材料力学
强度分析
强度理论
f , k , NC f C
断裂力学的韧度问题
均匀性假设仍成立，但 且仅在缺陷处不连续
选 工 维 缺陷 材 艺 修 评定
应用
K IC i,C Ji, JC JR TR
损伤参量i ,
~
d ~ f ,...
本构方程 dt ~
•
f , ~
演化方程:(2)类本构
损伤力学所研究缺陷的分类
损伤力学中涉及的损伤主要有四种：
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的不同分为两类：
率
裂纹 扩展
率
载荷
结构
、 场
启
裂纹
裂
扩展
初始 条件
计算方 法
损伤 力学
断裂 力学
临界条件
耦合的 应变损伤分析 ~
载荷
初始 条件
应变损伤 本构方程
结构
~
E
1E
~
K
应力、应变 损伤场历史
裂纹启裂 、扩展
临界条件
ห้องสมุดไป่ตู้
耦合计算 方法
n
n
n
1n
,
n 5,7,9,1 0
损伤力学--概要
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
Murakami－Ohno 空隙配置损伤 （各向异性）
损伤理论
Gurson Tvergaard-Needleman
细观孔洞损伤
Lemaitre－Chaboche 弹性常数改变
损伤力学的应用
寿命
物理
强度
性能
稳定
损伤力学
断裂过
材料
程（脆
韧化
、韧）
力学
加工
性能
预计
破坏分析过程
应变 本构 方程
损伤 演化
损伤分类及损伤力学在工程中的应用
损伤也可分为两大类：
脆性损伤：
微 裂 纹 萌 生 扩 展 汇 合
韧性损伤： 微 孔 洞 萌 生 扩 展 生 长汇 合
在工程问题中的应用
材料的断裂破坏过程，局部损伤：启裂、扩展和分叉 材料的力学与物理性能
材料元的寿命预计(非线性积累) 与无损检测的发展的关系 CDM的边值问题 材料的韧化机理与预计，韧脆转变 连续介质力学观点－分布孔洞与损伤材料性能
连续损伤力学 (Continuum Damage Mechanics, CDM) 细观损伤力学 (Meso- Damage Mechanics, MDM)
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。
微裂纹 孕育萌生
剪切带
形成
微孔洞 形核
寿命预计 （疲劳、蠕 变、交互）
连续损伤力学 （ CDM）
细观破坏 过程
材料强韧化 性能预计
组织－性能 （复合材料）
承载能力 极限载荷 （边值与变分
问题）
损伤理论体系
Rousselier 质量密度 Krajcinovic
Kachanov-Rabotnov 各向同性蠕变损伤
Bui突然损伤 修正突然损伤
木材
10mm×10mm×10mm
混凝土材料
100mm×100mm×100mm
连续损伤力学中的代表性体积单元
n
A
A~
a
b
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 A
Rabotnov（1963）损伤度 D
D1
A1D A
F
不同力学理论的研究路线
传统强度理论
变形
损伤
宏观裂纹
塑性失稳
损伤力学
裂纹扩展 断裂力学
破坏
破坏力学
损伤力学(CDM)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：
损伤演化方程的描 写～损伤变量 基于细观的、唯象 的连续损伤理论 损伤的实验测定 从应用入手，研究 与发展连续损伤力 学
损伤变量
“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
0.1mm×0.1mm×0.1mm
高分子及复合材料 1mm×1mm×1mm
SU 平均化之新均质体 (含多相信息)
损伤的种类
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 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 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 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 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 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 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
A 1D
F A
无损状态下的真实应力
ij
ij 1 D
一维情形
B0
v ~ d A ~ID vd A P0
扩展 汇合 快速扩展 长大汇合
损伤力学
脆断
宏观裂纹
分岔 驻止
启裂
韧断
扩展 失稳
疲劳
断裂力学
连续力学与力学模型之近代发展—— 力学分析范围之拓广
制成结构 的材料之
强韧化 优化
形成结构
之 结构
工艺过程
在役运行结构之 变形损 伤破 坏
σC
σC
σC
σC
a
a
SU 均质 连续
SU 均质 不连续
SU 不均质 不连续
损伤力学可以分为连续损伤力学与细观损伤力学
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
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