损伤力学全套教学课件

损伤力学损伤力学是固体力学中近2O年发展起来的一门新分支学科，是材料与结构的变形和破坏理论的重要组成部分。损伤力学是研究材料或构件在各种加载条件下，物体中的损伤随变形而演化发展直至破坏的过程的学科。它与断裂力学一起组成破坏力学的主要框架，以研究物体由损伤直至断裂破坏的这样一类破坏过程的力学规律。损伤力学是不仅是力学专业研究生的学位必修课程，也是面向机械、材料成型加工、土木工程、铁道、水利、能源、岩土工程等专业的研究生的一门选修课程。先修课程：弹性力学、塑性力学、断裂力学、张量分析与连续介质力学损伤力学课程体系课程主要内容损伤力学简介一维损伤理论几何损伤理论损伤力学的连续介质热力学理论经典损伤模型损伤力学在断裂分析中的应用损伤测量及工程结构的损伤监测教材及参考书损伤力学基础，李灏著，山东科学技术出版社，1992损伤力学，余寿文，冯西桥编著，清华大学出版社，1997损伤理论及其应用，余天庆，钱济成，国防工业出版社，1993损伤力学教程,J.勒迈特著,倪金刚等译,科学出版社,1996损伤力学及其应用,李兆霞编著,科学出版社,2002第一章损伤力学简介第一节损伤力学的研究对象与内容F-15C战斗机疲劳解体力学学科的分类◆一般力学：研究对象是刚体。研究力及其与运动的关系。分支学科有理论力学，分析力学等。◆固体力学：研究对象是可变形固体。研究固体材料变形、流动和断裂时的力学响应。其分支学科有：弹性力学、塑性力学、弹塑性力学、粘弹性力学、损伤力学、断裂力学、板壳理论等。◆流体力学：研究对象是液体，如气体或液体。分支学科涉及到水力学、空气动力学等。传统强度理论损伤力学断裂力学破坏力学变形损伤宏观裂纹裂纹扩展破坏塑性失稳破坏力学的发展破坏力学发展的三个阶段古典强度理论：以强度为指标断裂力学：以韧度为指标损伤力学：以渐进衰坏为指标损伤力学定义细(微)结构不可逆劣化(衰坏)过程引起的材料(构件)性能变化变形破坏的力学规律ICICJKJK,,C传统材料力学的强度问题两大假设：均匀、连续材料力学应用强度理论强度指标强度分析1bsCCkfNf,,评定选材寿命σCSU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σCSUa断裂力学响应阻力应用裂纹扩展准则Ci奇异场控制参量选材工艺维修缺陷评定TCKRRCiCiICTJJJK,,,...,afNTTfifCCi损伤力学的评定方法均匀性和连续性假设均不成立σCSUa损伤力学损伤响应与初边值损伤临界参量应用损伤准则与损伤演化DamageMechanics损伤参量本构方程演化方程:(2)类本构设计选材寿命~,iC~~~~,,...ffdtd一、损伤力学的定义DamageMechanicsContinuumDamageMechanics(CDM)损伤力学研究材料在损伤阶段的力学行为及相应的边值问题。它系统地讨论微观缺陷对材料的机械性能、结构的应力分布的影响以及缺陷的演化规律。主要用于分析结构破坏的整个过程，即微裂纹的演化、宏观裂纹的形成直至结构的破坏。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。微裂纹孕育萌生扩展汇合脆断剪切带形成快速扩展微孔洞形核长大汇合韧断宏观裂纹启裂分岔驻止扩展失稳疲劳断裂力学损伤力学损伤力学的应用损伤力学寿命强度稳定材料韧化加工力学性能预计断裂过程（脆、韧）物理性能二、损伤力学研究的范围和主要内容损伤力学破坏预报寿命预报初边值问题、变分问题损伤变量的定义、测量本构方程与演化方程损伤力学解决的基本问题如何从物理学、热力学和力学的观点来阐明和描述损伤，引入简便、适用的损伤变量如何检测损伤、监测损伤发展规律、建立损伤演变方程如何建立初始损伤条件和损伤破坏准则如何描述和建立损伤本构关系如何将损伤力学的理论分析应用于工程实际问题损伤的定义损伤是指材料在冶炼、冷热工艺过程、载荷、温度、环境等的作用下，其微细结构发生变化，引起微缺陷成胚、孕育、扩展和汇合，从而导致材料宏观力学性能的劣化，最终形成宏观开裂或材料破坏。细观的、物理学—损伤是材料组分晶粒的位错、微孔栋、为裂隙等微缺陷形成和发展的结果。宏观的、连续介质力学—损伤是材料内部微细结构状态的一种不可逆的、耗能的演变过程。各种材料的损伤机理金属材料：位错运动、晶间开裂聚合物：分子长链之间的键带破坏复合材料：纤维与基体之间的脱键陶瓷：夹杂物与基体间的微分离混凝土：集料与水泥之间的分离金属材料的损伤机理在剪应力作用下，原子间的结合键发生位错运动，从而导致材料发生塑性应变。位错运动被某一微缺陷或微应力集中所终止，将产生一个约束区。位错的多次终止产生微裂纹核。晶间开裂夹杂物与基体间的分离位错运动对材料断裂有两方面的作用：引起塑性形变，导致应力松弛和抑制裂纹扩展；位错运动受阻，导致应力集中和裂纹成核。例如：位错塞积群的前端，可产生使裂纹开裂的应力集中。位错型缺陷引起微裂纹位错塞积模型滑移带前端有障碍物，领先位错到达时，受阻而停止不前；相继释放出来的位错最终导致位错源的封闭；在障碍物前形成一个位错塞积群，导致裂纹成核。位错反应两个滑移带上位错的聚合形成裂口位错墙侧移刃形位错垂直排列→位错墙→滑移面弯折→外力作用→晶体滑移→位错墙側移→滑移面上生成裂纹。晶间开裂穿晶断裂沿晶断裂许多聚合物，尤其是玻璃态透明聚合物如聚苯乙烯、有机玻璃、聚碳酸酯等，在存储及使用过程中，由于应力和环境因素的影响，表面往往会出现一些微裂纹。这些裂纹的平面能强烈反射可见光，形成银色的闪光，故称为银纹，相应的开裂现象称为银纹化现象。银纹损伤拉伸试样在拉断前产生银纹化现象，银纹方向与应力方向垂直损伤的分类宏观（变形状态）：弹性损伤弹塑性损伤蠕变损伤疲劳损伤微观（损伤形式）：微裂纹损伤（micro-crack）微孔洞损伤（micro-void）剪切带损伤（shearbond）界面（interface）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、肿胀脆性损伤当萌生一个细观裂纹而无宏观塑性应变时的损伤。塑性应变小于弹性应变，即解理力小于产生滑移的力但大于脱键力。特征：损伤局部化程度较高。延性损伤拉伸时以“颈缩”为先导。细颈中心承受三向拉应力,微空洞cavity首先在此形成,随后长大聚合成裂纹,最终在细颈边缘处,沿与拉伸轴45o方向被剪断,形成“杯锥”断口。损伤与大于某一门槛值的塑性应变同时发生。脆性试样断裂表面的照片韧性试样断裂表面的照片脆性试样断裂表面的电镜照片韧性试样断裂表面的电镜照片剪切屈服带蠕变损伤金属在高温下承载时，塑性应变中包含了粘性。应变足够大时，产生沿晶开裂而引起损伤。通过蠕变使应变率有所增长。1、断口的宏观特征在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象；由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。2、断口的微观特征主要为冰糖状花样的沿晶断裂形貌低周疲劳损伤高周疲劳损伤当材料受到低幅值应力循环载荷时，细观塑性应变很小，但在微观水平的某些点处的塑性变形可能很高。在这些点处只在一些平面上会产生穿晶微开裂。失效的循环数很高，NR10000复合材料拉伸断口损伤的宏观测量直接测量间接测量剩余寿命密度电阻率疲劳极限弹性模量塑性特征声速变化粘塑性特征损伤变量和结构寿命预报损伤演变依赖于：延性失效或疲劳失效中的应力蠕变、腐蚀或辐照过程中的应力疲劳损伤时载荷循环周数三、损伤力学的发展历程Kachanov，1958，连续性因子和有效应力的概念Rabotnov，1963，损伤因子的概念Lemaitre，1971，损伤的概念重新提出Leckie&Hult,1974,蠕变损伤研究的推进70年代中末期，CDM的框架逐步形成Murakami，1980s’，几何损伤理论80年代中Bui、Dyson、Krajcinovic、Sidoroff等人的工作对损伤力学的发展作出了重大的贡献90年代，细观损伤力学发展起来1980年，国际理论与应用力学联合会再美国召开“用连续介质力学方法对损伤和寿命进行预测”的研讨会1981年，欧洲力学委员会在巴黎召开了第一次损伤力学国际会议1982年，美国召开了第二次关于损伤力学的国际学术会议1982年，中国首次召开了全国损伤力学学术讨论会1986年，法国召开了断裂的局部方法国际学术会议，使损伤理论用于工程结构向前推进了一步第二节损伤力学的研究方法与基本理论连续损伤力学（ContinuumDamageMechanics,CDM）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过程：选取物体内某点的代表性体积单元定义损伤变量建立损伤演化方程建立损伤本构方程根据初始条件、边界条件求解，判断各点的损伤状态、建立破坏准则细观损伤力学（Meso-DamageMechanics,MDM）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过程：选取物体内某点的代表性体积单元，需满足尺度的双重性连续介质力学及热力学分析膝关节够的损伤演化、变形通过细观尺度上的平均化方法将细观结果反映到宏观本构、损伤演化、断裂等行为上能量损伤理论：以连续介质力学和热力学为基础损伤过程视为不可逆能量转换过程由体系的自由能和耗散势导出损伤演化方程和本构关系金属及非金属材料的损伤几何损伤理论：损伤度的大小和损伤的演化与材料中的微缺陷的尺寸、形状、密度及分布有关损伤的几何描述和等价应力的概念相结合岩石、混凝土结构的损伤分析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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AA~nba损伤变量AARabotnov（1963）损伤度1DKachanov（1958）连续性因子损伤本构方程利用等效性假设根据不可逆热力学理论基于等效性假设的损伤本构方程（Lemaitre，1971）损伤材料的本构关系与无损状态下的本构关系形式相同，只是将其中的真实应力换成有效应力。一维情形1EED根据不可逆热力学理论导出损伤本构方程：损伤过程是不可逆热力学过程损伤材料存在一个应变能密度和一个耗散势利用它们，根据内变量的正交流动法则导出损伤－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）和损伤演化方程的一般形式一是定义损伤变量并将其视为内变量引入到材料的本构方程中，发展含损伤内变量的本构理论二是寻找基于试验结果之上的损伤演化方程归结为