损伤力学读书报告

《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：[]σσ<*,即只要材料的应力*

σ小于材料的许用应力[]σ就不会破坏。

2)、断裂力学：以材料的韧度为设计指标：IC IC J K J K , ,<。 3)、损伤力学：以渐进衰坏程度作为为指标：C ωω<。 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：

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：

σ

τσ∆1

-σσσb s []

σσ≤()[]()

C C k f N f σστσ=

= ,,评选寿选材工艺维修缺陷评定

T

C K

*σ

δR

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T J J J K ,,δδ()()

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,...,a f N T T f i f C C

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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：

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。

:(2)类本构

设计选材寿命~

,ωωi C

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~

~

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,,...

ωσεσωf f dt

d ==•

断裂力学

损伤力学

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：

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)。

2)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)。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：0.1mm ×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 。

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 ~

=ϕ

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:

ϕ-=1D