损伤力学全

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。
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。
◆ 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。
◆ 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。
损伤力学课程体系
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
课程安排
授课学时：36学时 起止周次：2—11周 上课时间：周三5—6节，周五7—8节 上课地点：A103 考核方式：考试（开卷）
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
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。
• 晶间开裂 • 夹杂物与基体间的分离
位错型缺陷引起微裂纹
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。
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
本构方程 dt ~
•
f , ~
演化方程:(2)类本构
损伤准则与 损伤演化
一、损伤力学的定义
Damage Mechanics Continuum Damage Mechanics (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。
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
破坏力学的发展
破坏力学发展的三个阶段
古典强度理论：
断裂力学：
损伤力学：
K, J K IC , J IC
C
损伤力学定义 细(微)结构
引起的
以强度为指标 以韧度为指标 以渐进衰坏为指标
不可逆劣化(衰坏)过程 材料(构件)性能变化 变形破坏的力学规律
强度 稳定
材料 韧化 加工
二、损伤力学研究的范围和主要内容
初边值问题、变 分问题
破坏预报 寿命预报
损伤力学
本构方程与演化 方程
损伤变量的定义、 测量
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
传统材料力学的强度问题
两大假设：均匀、连续
σC
评选寿
定材命
s来自百度文库
b 强度指标
1
应用
材料力学
SU
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
K IC i,C Ji, JC JR TR
阻力C
选 工 维 缺陷 材 艺 修 评定
应用
断裂力学
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
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
扩展
韧断
失稳
疲劳
断裂力学
损伤力学的应用
物理 性能
断裂过 程（脆 、韧）
寿命
损伤力学
力学 性能 预计
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。
裂纹扩展准则 f i C T TC N f f i , a,...
SU
K
响应 i
C
奇异场
控制参量 T
σC
a
损伤力学的评定方法
均匀性和连续性假设均不成立
设选寿 计材命
σC
a
应用
SU
损伤临界 ~ C 参量
损伤力学
Damage Mechanics
损伤响应 与初边值
损伤参量
i ,
~
d ~ f ,...