断裂损伤力学在土木工程中的应用

断裂损伤力学在土木工程中的应用

摘要：通过对断裂力学形成过程和形成原因, 来源于生产实践, 又指导生产实践的辩证关系等进行分析, 说明科学技术进步与社会生产实践相辅相成的辩证关系, 阐述断裂力学的发展与工程实践是密切相关的基本观点, 并按照断裂力学发展的成熟度, 简要介绍了线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学等经典断裂力学的基本理论。

关键词：断裂力学; 形成发展; 应用研究

Abstract: For its beautiful colors, dry- green jade is very popular and has an important role in jewelry market. In order to deeply understand the substantive characteristics, the author systematically studies the chemical composition, mineralogy of dry-green of jade by means of microscope, electron micro pro be, X-ray diffraction,

Infrared ray spectra, and discovers that this specimen contains tremendous hornblende and kiosk ocher, but which also contains a lot of mica that rarely appears in jade. So, considering the formation Conditions of jade ore deposits, this paper preliminary analyze this special phenomenon, and provides significant clues for the further study of jade.

Key words: Kosmochor; Mica; Hornblende; Mineral characteristic; Jade ore deposits

1断裂力学的形成与发展

断裂力学起源于20世纪初期, 发展于20世纪后期, 是一门研究

含裂纹物体强度和裂纹扩展规律的学科, 是固体力学的一个新的分支, 也称为裂纹力学。断裂力学是一门现在仍在不断发展和完善的科学, 因此, 它具有前沿性和挑战性。断裂理论初始萌芽于上世纪20年代A·A·格里菲斯对玻璃低应力脆断的研究, 并在货轮脆断、桥梁倒塌、锅炉压力容器爆炸、美国“北极星”导弹固体燃料发动机壳实验爆炸等一系列世界性重大低应力脆断灾难事故的促动下, 在经典Griffith理论的基础上得到了进一步的发展。G·R·欧文( Irwin) 在1958年和1960年发表了《断裂》和《断裂力学》两篇著名的力学论文, 提出应力强度因子的概念, 使得线弹性断裂理论取得了重大突破, 应力强度因子理论作为断裂力学的最初分支——线弹性断裂力学建立起来。上世纪60年代, 断裂力学这门新兴的研究工程结构强度的科学得到了大力发展, 并迅速在世界范围内广泛传播开来。我国对断裂力学的研究至少比国外晚了20年, 直到上世纪70年代, 断裂力学才广泛引入我国, 一些单位和科技工作者逐步开展了断裂力学的研究和应用工作。

通过对构件的分析,运用断裂力学的观点、判据,能把构件内

部裂纹的大小和构件工作应力,以及材料抵抗断裂的能力定量联

系起来,从而可对含裂纹构件的安全性和寿命给出定量或半定量

的估计,这就为工程构件的安全设计、制定合理的验收标准和选

材原则提供了新的理论基础,对有危险的构件严禁使用,以免造成灾难性事故。同时又能将无危险裂纹的构件重新利用,避免造成经济损失。由于断裂力学的深入探讨和研究,长期以来,在人们印象中的那种“有

断必裂”的概念得到澄清,从而对认识断裂失效和解决断裂失效提供了有利的证据。

对断裂力学的研究体系,大致可分为两类:一类是宏观断裂力学;另一类是微观断裂力学。宏观断裂力学是以各向同性、均质的变形固体为研究对象,工程中的断裂问题都在此研究范畴,根据宏观断裂力学所研究的材料性质不同,又可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。断裂力学的应用从60年代起就显示了它巨大的作用,从而推动了断裂力学本身理论和实验技术的发展。近年来,断裂力学的应用得到很大的重视,它的应用范围极其广泛。大致可分为几个方面:1)断裂力学对工程材料和工程结构提出新的强度观点和强度准则,并提出新材料性能和试验的测定方法,同时给出结构设计的新方法。2)按照断裂力学的基本观点,任何材料和任何工程结构都不可避免出现缺陷,断裂力学建立了一种判断的准则,那就是什么是容许裂纹,什么是不容许裂纹。3)对于存在缺陷的构件,在外荷载的作用下,应用断裂力学的理论来判断构件剩余使用寿命。4)应用断裂力学判断影响工程材料和工程结构的主要断裂因素及其影响的程度和变化规律。5)利用断裂力学的知识找出缓解裂纹扩展和阻止裂纹断裂的方法。6)利用断裂力学的原理,研究裂纹、结构、使用条件三者之间的关系和它们之间的变化规律,确定材料抗断裂性能指标。并以此作为设计依据来确定构件的尺寸,保证其在使用寿命期间的可靠性。

2损伤力学的形成与发展

20世纪中叶Kachanov(1958年)最初提出了用连续性变量描述材

料受损的连续性变化过程。Rabotnov后来做了推广,为损伤力学奠定了基础。但在此后的十年中,这个概念几乎无人问津。直到70年代,该概念才被人们重视。法国的Lemaitre用连续介质力学与热力学的观点研究了损伤对金属材料的弹性、塑性的影响;随后,瑞典的Hult ,英国的Leckie研究了损伤和蠕变的耦合作用。这一阶段形成了连续损伤力学的框架和唯象学基础。80年代日本Murakami(村上澄男)等从微裂纹的尺度和几何分布方面研究了损伤的各项异性及其对材料的力学性能的影响。1981年欧洲力学协会在法国的Cachan举行了首次损伤力学国际讨论会[4]。同年,我国的有关刊物开始登载关于损伤理论的文章。此后十多年,损伤力学有了很大的发展,在宏观唯象学理论框架和损伤材料本构行为的复杂连续介质描述等方面都有了较为成熟的研究结果。到了90年代,损伤力学研究的重点是损伤的宏细观理论,其特征为:引入多层次的缺陷几何结构,在材料的宏观体元中引入细观或微观的缺陷结构,试图在材料细观结构的演化与宏观力学响应之间建立起某种联系,对材料的本构行为进行宏观、细、微观相结合的描述。这种研究正在成为追踪材料从变形、损伤到失稳或破坏的全过程,以解决固体力学部分课题的主要途径。

3断裂力学的应用与研究

断裂力学根据所研究裂纹尖端附近材料塑性区的大小, 可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学;根据引起断裂的载荷性质, 又可分为断裂静力学和断裂动力学。线弹性断裂力学是应用线弹性理论研究物体裂纹扩展的规律和断裂准则。1921年A. A.格里菲斯通过分析