連續(xù)損傷力學(xué)報告ppt

1、連續(xù)損傷力學(xué)及其工程應(yīng)用連續(xù)損傷力學(xué)及其工程應(yīng)用指導(dǎo)教師：王吉會指導(dǎo)教師：王吉會 主講人：主講人： 李妍李妍 PPT PPT制作制作: : 李銀霞李銀霞 資料查閱：季德慧資料查閱：季德慧 馮超馮超 郭豐郭豐 葛平慧葛平慧 F-15CF-15C戰(zhàn)斗機疲勞解體戰(zhàn)斗機疲勞解體損傷像魔鬼一樣，看不見但損傷像魔鬼一樣，看不見但令人生畏令人生畏 損傷力學(xué)損傷力學(xué)n背景背景n基本概念基本概念n分類分類 n研究方法研究方法n工程應(yīng)用工程應(yīng)用主要內(nèi)容主要內(nèi)容損傷力學(xué)的發(fā)展歷程損傷力學(xué)的發(fā)展歷程p KachanovKachanov，19581958，連續(xù)性因子和有效應(yīng)力的概念，連續(xù)性因子和有效應(yīng)力的概念p Rab

2、otnovRabotnov，19631963，損傷因子的概念，損傷因子的概念p LemaitreLemaitre，19711971，損傷的概念重新提出，損傷的概念重新提出p Leckie & Hult,1974,Leckie & Hult,1974,蠕變損傷研究的推進蠕變損傷研究的推進p 7070年代中末期，年代中末期，CDMCDM的框架逐步形成的框架逐步形成p MurakamiMurakami，1980s1980s，幾何損傷理論，幾何損傷理論p 8080年代中年代中BuiBui、DysonDyson、KrajcinovicKrajcinovic、SidoroffSidorof

3、f等人的工作等人的工作對損傷力學(xué)的發(fā)展作出了重大的貢獻對損傷力學(xué)的發(fā)展作出了重大的貢獻p 9090年代，細觀損傷力學(xué)發(fā)展起來年代，細觀損傷力學(xué)發(fā)展起來p 19801980年，國際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會再美國召開年，國際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會再美國召開“用連續(xù)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法對損傷和壽命進行預(yù)測介質(zhì)力學(xué)方法對損傷和壽命進行預(yù)測”的研討會的研討會p 19811981年，歐洲力學(xué)委員會在巴黎召開了第一次損傷力學(xué)國年，歐洲力學(xué)委員會在巴黎召開了第一次損傷力學(xué)國際會議際會議p 19821982年，美國召開了第二次關(guān)于損傷力學(xué)的國際學(xué)術(shù)會議年，美國召開了第二次關(guān)于損傷力學(xué)的國際學(xué)術(shù)會議p 19821982年

4、，中國首次召開了全國損傷力學(xué)學(xué)術(shù)討論會年，中國首次召開了全國損傷力學(xué)學(xué)術(shù)討論會p 19861986年，法國召開了斷裂的局部方法國際學(xué)術(shù)會議，使損年，法國召開了斷裂的局部方法國際學(xué)術(shù)會議，使損傷理論用于工程結(jié)構(gòu)向前推進了一步傷理論用于工程結(jié)構(gòu)向前推進了一步損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)的關(guān)系損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)的關(guān)系p 損傷力學(xué)分析材料從變形到破壞，損傷逐漸積累的整個過損傷力學(xué)分析材料從變形到破壞，損傷逐漸積累的整個過程；斷裂力學(xué)分析裂紋擴展的過程。程；斷裂力學(xué)分析裂紋擴展的過程。微裂紋孕育萌生擴展匯合脆斷剪切帶形成快速擴展微孔洞形核長大匯合韌斷宏觀裂紋啟裂分岔駐止擴展失穩(wěn)疲勞斷裂力學(xué)損傷力學(xué)基本概念基本概念

5、 Continuum Damag e MechanicsContinuum Damag e Mechanics（CDMCDM） 與斷裂力學(xué)、疲勞分析理論與斷裂力學(xué)、疲勞分析理論, , 統(tǒng)歸破壞力學(xué)范疇統(tǒng)歸破壞力學(xué)范疇, , 是研究物是研究物質(zhì)不可逆破壞過程的科學(xué)。質(zhì)不可逆破壞過程的科學(xué)。 利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與熱力學(xué)的唯象學(xué)方法，研究損傷的力學(xué)利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與熱力學(xué)的唯象學(xué)方法，研究損傷的力學(xué)過程。它著重考察損傷對材料宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響以及材料和結(jié)過程。它著重考察損傷對材料宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響以及材料和結(jié)構(gòu)損傷演化的過程和規(guī)律。而不考察其損傷演化的細觀物理和力構(gòu)損傷演化的過程和規(guī)律。而不考察其損傷

6、演化的細觀物理和力學(xué)過程，只求用連續(xù)損傷力學(xué)預(yù)計的宏觀力學(xué)行為與變形行為符學(xué)過程，只求用連續(xù)損傷力學(xué)預(yù)計的宏觀力學(xué)行為與變形行為符合實驗結(jié)果與實際情況。合實驗結(jié)果與實際情況。分分類類彈脆性損傷彈脆性損傷粘脆性（蠕變）損傷粘脆性（蠕變）損傷彈塑性損傷彈塑性損傷疲勞損傷疲勞損傷1.1.彈脆性損傷理論彈脆性損傷理論 某些各向異性固體材料，如纖維復(fù)合材料，具某些各向異性固體材料，如纖維復(fù)合材料，具有良好的彈性，但塑性變形很小，屬于彈脆性材料有良好的彈性，但塑性變形很小，屬于彈脆性材料。這些材料受載后容易發(fā)生微裂紋以及纖維斷裂、。這些材料受載后容易發(fā)生微裂紋以及纖維斷裂、界面脫膠等損傷。損傷往往是隨機的

7、和大量的，將界面脫膠等損傷。損傷往往是隨機的和大量的，將造成材料性能的變化，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系將明顯不服從造成材料性能的變化，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系將明顯不服從線性的廣義胡克定律。因此，需要用含有損傷參量線性的廣義胡克定律。因此，需要用含有損傷參量的非線性本構(gòu)關(guān)系來表示這些材料的力學(xué)響應(yīng)的非線性本構(gòu)關(guān)系來表示這些材料的力學(xué)響應(yīng)。彈脆性損傷彈脆性損傷：巖石、混凝土、復(fù)合材料、低溫金屬巖石、混凝土、復(fù)合材料、低溫金屬p當(dāng)萌生一個細觀裂紋而無當(dāng)萌生一個細觀裂紋而無宏觀塑性應(yīng)變時的損傷宏觀塑性應(yīng)變時的損傷。p塑性應(yīng)變小于彈性應(yīng)變塑性應(yīng)變小于彈性應(yīng)變，即解理力小于產(chǎn)生滑移的力即解理力小于產(chǎn)生滑移的力但大于脫鍵力但大于脫

8、鍵力特征：損傷局部化程度較高特征：損傷局部化程度較高中心思想中心思想 在熱力學(xué)分析和建立本構(gòu)模型時引入損在熱力學(xué)分析和建立本構(gòu)模型時引入損傷變量傷變量: :通過損傷本構(gòu)關(guān)系直接建立材料彈通過損傷本構(gòu)關(guān)系直接建立材料彈性、應(yīng)變、應(yīng)力與損傷之間的理論關(guān)系。性、應(yīng)變、應(yīng)力與損傷之間的理論關(guān)系。2.2.粘脆性（粘脆性（蠕變?nèi)渥儯p傷損傷理論理論 蠕蠕 變：粘彈性或粘塑性固體材料在恒應(yīng)力作用變：粘彈性或粘塑性固體材料在恒應(yīng)力作用下，其應(yīng)變隨時間逐漸增加的現(xiàn)象。下，其應(yīng)變隨時間逐漸增加的現(xiàn)象。 應(yīng)力松馳：在恒應(yīng)變作用下，其應(yīng)力隨時間緩慢應(yīng)力松馳：在恒應(yīng)變作用下，其應(yīng)力隨時間緩慢降低的現(xiàn)象。降低的現(xiàn)象。 材

9、料在蠕變時往往伴隨著微結(jié)構(gòu)變化或缺陷的產(chǎn)材料在蠕變時往往伴隨著微結(jié)構(gòu)變化或缺陷的產(chǎn)生與擴展而構(gòu)成損傷。生與擴展而構(gòu)成損傷。 蠕變損傷蠕變損傷p 金屬在高溫下承載時，塑金屬在高溫下承載時，塑性應(yīng)變中包含了粘性。性應(yīng)變中包含了粘性。p 應(yīng)變足夠大時，產(chǎn)生沿晶應(yīng)變足夠大時，產(chǎn)生沿晶開裂而引起損傷。開裂而引起損傷。p 通過蠕變使應(yīng)變率有所增通過蠕變使應(yīng)變率有所增長長。在給定的溫度在給定的溫度( (中溫或高溫中溫或高溫) )下，下，這類損傷是時間的函數(shù)。如金屬這類損傷是時間的函數(shù)。如金屬材料在高溫或較高溫度下蠕變中材料在高溫或較高溫度下蠕變中產(chǎn)生的損傷。對于混凝土這類材產(chǎn)生的損傷。對于混凝土這類材料，即

10、使在常溫下，恒定的應(yīng)力料，即使在常溫下，恒定的應(yīng)力也會引起蠕變也會引起蠕變( (或稱徐變或稱徐變) )而產(chǎn)生而產(chǎn)生損傷損傷。 主要包括主要包括p穩(wěn)定蠕變理論穩(wěn)定蠕變理論 穩(wěn)定蠕變理論忽略減速蠕變階段，也不反映加速蠕變階段。p強化蠕變理論強化蠕變理論 強化蠕變理論認為，材料的粘性應(yīng)變率不僅受應(yīng)力控制而且與粘性有關(guān)。p其他蠕變理論其他蠕變理論3.3.彈塑性損傷理論彈塑性損傷理論 彈塑性材料中由應(yīng)力的作用而引起的損傷。材料彈塑性材料中由應(yīng)力的作用而引起的損傷。材料損傷時，同時產(chǎn)生殘余變形。在室溫或較高溫度下。損傷時，同時產(chǎn)生殘余變形。在室溫或較高溫度下。金屬塑性大變形中的損傷就屬于這類損傷，故又稱為

11、金屬塑性大變形中的損傷就屬于這類損傷，故又稱為延性塑性損傷。如強度較低但韌性很好的金屬材料、延性塑性損傷。如強度較低但韌性很好的金屬材料、中強度的混凝土、復(fù)合材料、高分子材料等常用的工中強度的混凝土、復(fù)合材料、高分子材料等常用的工程材料中出現(xiàn)的損傷。程材料中出現(xiàn)的損傷。 主要包括主要包括：冪硬化材料的損傷冪硬化材料的損傷全塑性材料的損傷全塑性材料的損傷連續(xù)損傷力學(xué)研究方法連續(xù)損傷力學(xué)研究方法p 將具有離散結(jié)構(gòu)的損傷材料模擬為連續(xù)介質(zhì)模型，引入損將具有離散結(jié)構(gòu)的損傷材料模擬為連續(xù)介質(zhì)模型，引入損傷變量（場變量），描述從材料內(nèi)部損傷到出現(xiàn)宏觀裂紋傷變量（場變量），描述從材料內(nèi)部損傷到出現(xiàn)宏觀裂紋的

12、過程，唯像地導(dǎo)出材料的損傷本構(gòu)方程，形成損傷力學(xué)的過程，唯像地導(dǎo)出材料的損傷本構(gòu)方程，形成損傷力學(xué)的初、邊值問題，然后采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法求解。的初、邊值問題，然后采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法求解。p 過程過程：選取物體內(nèi)某點的代表性體積單元選取物體內(nèi)某點的代表性體積單元定義損傷變量定義損傷變量建立損傷演化方程建立損傷演化方程建立損傷本構(gòu)方程建立損傷本構(gòu)方程根據(jù)初始條件、邊界條件求解，判斷各點的損傷狀態(tài)、根據(jù)初始條件、邊界條件求解，判斷各點的損傷狀態(tài)、建立破壞準(zhǔn)則建立破壞準(zhǔn)則連續(xù)損傷力學(xué)中的代表性體積單元連續(xù)損傷力學(xué)中的代表性體積單元AAnba損傷變量損傷變量Kachanov（19581958）連

13、續(xù)性因子連續(xù)性因子 Rabotnov（19631963）損傷度損傷度0/SS0/SSd損傷本構(gòu)方程損傷本構(gòu)方程p利用利用等效性假設(shè)等效性假設(shè) p根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論 基于等效性假設(shè)的損傷本構(gòu)方程（基于等效性假設(shè)的損傷本構(gòu)方程（LemaitreLemaitre，19711971） 損傷材料的本構(gòu)關(guān)系與無損狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系形式相同，損傷材料的本構(gòu)關(guān)系與無損狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系形式相同，只是將其中的真實應(yīng)力換成有效應(yīng)力。只是將其中的真實應(yīng)力換成有效應(yīng)力。一維情形一維情形 1EED根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論導(dǎo)出損傷本構(gòu)方程：根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論導(dǎo)出損傷本構(gòu)方程：p損傷過程是不可逆熱力學(xué)過程損

14、傷過程是不可逆熱力學(xué)過程p損傷材料存在一個應(yīng)變能密度和一個耗散勢損傷材料存在一個應(yīng)變能密度和一個耗散勢p利用它們，根據(jù)內(nèi)變量的正交流動法則導(dǎo)出損傷利用它們，根據(jù)內(nèi)變量的正交流動法則導(dǎo)出損傷應(yīng)變耦合本構(gòu)方程、損傷應(yīng)變能釋放率方程（即損應(yīng)變耦合本構(gòu)方程、損傷應(yīng)變能釋放率方程（即損傷度本構(gòu)方程）和損傷演化方程的一般形式傷度本構(gòu)方程）和損傷演化方程的一般形式 連續(xù)損傷力學(xué)的工程應(yīng)用連續(xù)損傷力學(xué)的工程應(yīng)用 1. 1.彈脆性損傷理論與破壞過程的計算機模擬彈脆性損傷理論與破壞過程的計算機模擬實例：實例： 計算受正拉伸的具有中心圓孔計算受正拉伸的具有中心圓孔( (直徑直徑2mm)2mm)的玻璃纖維布的玻璃纖維

15、布/ /環(huán)氧環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板的損傷樹脂復(fù)合材料板的損傷- -破壞過程破壞過程. .由于對稱性，計算僅取右半部由于對稱性，計算僅取右半部進行。有限元計算中，采用三角形單元，單元數(shù)進行。有限元計算中，采用三角形單元，單元數(shù)=212=212，結(jié)點數(shù)，結(jié)點數(shù)=133=133，取遠處拉伸應(yīng)力初始值，取遠處拉伸應(yīng)力初始值a=0.00388GPaa=0.00388GPa，每次加載增量，每次加載增量a=0.00388(GPa).a=0.00388(GPa).通過一步步計算可得到整個損傷通過一步步計算可得到整個損傷- -破壞過程破壞過程的一整套等損傷主值的一整套等損傷主值D_D_線線. .其中其中ak =0.

16、00766ak =0.00766，0.015520.01552，0.034920.03492，0.04268(Gpa)0.04268(Gpa)四種載荷下四種載荷下( (相應(yīng)于相應(yīng)于k=2k=2，4 4，9 9，11)11)的等損傷主值的等損傷主值D D線線, ,如圖如圖1 1一一4 4。 圖圖1 1近似表征損傷從孔近似表征損傷從孔邊開始，等損傷邊界邊開始，等損傷邊界為三角形，為三角形，D1=0.05D1=0.05，這與實驗結(jié)果是一致這與實驗結(jié)果是一致的。圖的。圖2 2和圖和圖3 3顯示，顯示，隨外載荷隨外載荷aa增加，損增加，損傷區(qū)由孔邊向材料內(nèi)傷區(qū)由孔邊向材料內(nèi)部逐步加大部逐步加大; ;損傷

17、區(qū)內(nèi)損傷區(qū)內(nèi)各處的損傷程度也逐各處的損傷程度也逐漸加強漸加強( (由由D1D1值增加表值增加表征征) )。圖。圖4 4表示表示a11=0.04268GPaa11=0.04268GPa時時的等損傷線，靠近孔的等損傷線，靠近孔邊的等損傷三角形邊的等損傷三角形D1=0.95D1=0.95，它與孔邊之，它與孔邊之間的材料已經(jīng)完全破間的材料已經(jīng)完全破壞。壞。2.P912.P91鋼高溫持久性能及蠕變損傷研究鋼高溫持久性能及蠕變損傷研究 3.3.基于彈塑性損傷理論的水泥穩(wěn)定基層養(yǎng)生期裂縫基于彈塑性損傷理論的水泥穩(wěn)定基層養(yǎng)生期裂縫形成機理分析形成機理分析 基于塑性損傷理論，本文使用有限元通用軟件基于塑性損傷理

18、論，本文使用有限元通用軟件ABAQUSABAQUS對于水泥對于水泥穩(wěn)定基層在養(yǎng)護時期受到干縮變形與溫度變形的穩(wěn)定基層在養(yǎng)護時期受到干縮變形與溫度變形的耦合作用下裂縫耦合作用下裂縫的產(chǎn)生進行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：使用彈塑性損傷理論町的產(chǎn)生進行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：使用彈塑性損傷理論町以很好地模擬基層裂縫萌生和擴展；數(shù)值計算結(jié)果中裂縫以很好地模擬基層裂縫萌生和擴展；數(shù)值計算結(jié)果中裂縫出出現(xiàn)的現(xiàn)的間距與實際現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果相近間距與實際現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果相近。干縮變形是導(dǎo)致養(yǎng)護期間裂縫干縮變形是導(dǎo)致養(yǎng)護期間裂縫的產(chǎn)生的主要原因。本文研究結(jié)果可為實際幕層施工過程中優(yōu)化的產(chǎn)生的主要原因。本文研究結(jié)果可為實際幕層施工過程中優(yōu)化鋪設(shè)厚度，合理設(shè)置鋪設(shè)厚度，合理設(shè)置伸