連續(xù)損傷力學(xué)報(bào)告ppt課件

1、延續(xù)損傷力學(xué)及其工程運(yùn)用延續(xù)損傷力學(xué)及其工程運(yùn)用指點(diǎn)教師：王吉會(huì)指點(diǎn)教師：王吉會(huì) 主講人：主講人： 李妍李妍 PPT PPT制造制造: : 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(jī)疲勞解體戰(zhàn)斗機(jī)疲勞解體損傷像魔鬼一樣，看不見(jiàn)但損傷像魔鬼一樣，看不見(jiàn)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根本概念根本概念n分類分類 n研討方法研討方法n工程運(yùn)用工程運(yùn)用主要內(nèi)容主要內(nèi)容損傷力學(xué)的開(kāi)展歷程損傷力學(xué)的開(kāi)展歷程p KachanovKachanov，19581958，延續(xù)性因子和有效應(yīng)力的概念，延續(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,蠕變損傷研討的推進(jìn)蠕變損傷研討的推進(jìn)p 7070年代中末期，年代中末期，CDMCDM的框架逐漸構(gòu)成的框架逐漸構(gòu)成p MurakamiMurakami，1980s1980s，幾何損傷實(shí)際，幾何損傷實(shí)際p 8080年代中年代中BuiBui、DysonDyson、KrajcinovicKrajcinovic、SidoroffSidorof

3、f等人的任務(wù)等人的任務(wù)對(duì)損傷力學(xué)的開(kāi)展作出了艱苦的奉獻(xiàn)對(duì)損傷力學(xué)的開(kāi)展作出了艱苦的奉獻(xiàn)p 9090年代，細(xì)觀損傷力學(xué)開(kāi)展起來(lái)年代，細(xì)觀損傷力學(xué)開(kāi)展起來(lái)p 19801980年，國(guó)際實(shí)際與運(yùn)用力學(xué)結(jié)合會(huì)再美國(guó)召開(kāi)年，國(guó)際實(shí)際與運(yùn)用力學(xué)結(jié)合會(huì)再美國(guó)召開(kāi)“用延續(xù)用延續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法對(duì)損傷和壽命進(jìn)展預(yù)測(cè)的研討會(huì)介質(zhì)力學(xué)方法對(duì)損傷和壽命進(jìn)展預(yù)測(cè)的研討會(huì)p 19811981年，歐洲力學(xué)委員會(huì)在巴黎召開(kāi)了第一次損傷力學(xué)國(guó)年，歐洲力學(xué)委員會(huì)在巴黎召開(kāi)了第一次損傷力學(xué)國(guó)際會(huì)議際會(huì)議p 19821982年，美國(guó)召開(kāi)了第二次關(guān)于損傷力學(xué)的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議年，美國(guó)召開(kāi)了第二次關(guān)于損傷力學(xué)的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議p 19821982年，

4、中國(guó)初次召開(kāi)了全國(guó)損傷力學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)年，中國(guó)初次召開(kāi)了全國(guó)損傷力學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)p 19861986年，法國(guó)召開(kāi)了斷裂的部分方法國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，使損年，法國(guó)召開(kāi)了斷裂的部分方法國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，使損傷實(shí)際用于工程構(gòu)造向前推進(jìn)了一步傷實(shí)際用于工程構(gòu)造向前推進(jìn)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)分析資料從變形到破壞，損傷逐漸積累的整個(gè)過(guò)損傷力學(xué)分析資料從變形到破壞，損傷逐漸積累的整個(gè)過(guò)程；斷裂力學(xué)分析裂紋擴(kuò)展的過(guò)程。程；斷裂力學(xué)分析裂紋擴(kuò)展的過(guò)程。微裂紋孕育萌生擴(kuò)展匯合脆斷剪切帶形成快速擴(kuò)展微孔洞形核長(zhǎng)大匯合韌斷宏觀裂紋啟裂分岔駐止擴(kuò)展失穩(wěn)疲勞斷裂力學(xué)損傷力學(xué)根本概念根本概念

5、Continuum Damag e MechanicsCDM 與斷裂力學(xué)、疲勞分析實(shí)際, 統(tǒng)歸破壞力學(xué)范疇, 是研討物質(zhì)不可逆破壞過(guò)程的科學(xué)。 利用延續(xù)介質(zhì)力學(xué)與熱力學(xué)的唯象學(xué)方法，研討損傷的力學(xué)過(guò)程。它著重調(diào)查損傷對(duì)資料宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響以及資料和構(gòu)造損傷演化的過(guò)程和規(guī)律。而不調(diào)查其損傷演化的細(xì)觀物理和力學(xué)過(guò)程，只求用延續(xù)損傷力學(xué)估計(jì)的宏觀力學(xué)行為與變形行為符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)踐情況。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.彈脆性損傷實(shí)際彈脆性損傷實(shí)際 某些各向異性固體資料，如纖維復(fù)合資某些各向異性固體資料，如纖維復(fù)合資料，具有良好的彈

6、性，但塑性變形很小，屬于料，具有良好的彈性，但塑性變形很小，屬于彈脆性資料。這些資料受載后容易發(fā)生微裂紋彈脆性資料。這些資料受載后容易發(fā)生微裂紋以及纖維斷裂、界面脫膠等損傷。損傷往往是以及纖維斷裂、界面脫膠等損傷。損傷往往是隨機(jī)的和大量的，將呵斥資料性能的變化，應(yīng)隨機(jī)的和大量的，將呵斥資料性能的變化，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，需求用含有損傷參量的非線性本構(gòu)關(guān)。因此，需求用含有損傷參量的非線性本構(gòu)關(guān)系來(lái)表示這些資料的力學(xué)呼應(yīng)。系來(lái)表示這些資料的力學(xué)呼應(yīng)。彈脆性損傷：巖石、混凝土、復(fù)合資料、低溫金屬?gòu)棿嘈該p傷：巖石、混凝土、復(fù)合資料、

7、低溫金屬p當(dāng)萌生一個(gè)細(xì)觀裂紋而無(wú)當(dāng)萌生一個(gè)細(xì)觀裂紋而無(wú)宏觀塑性應(yīng)變時(shí)的損傷。宏觀塑性應(yīng)變時(shí)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鍵力p特征：損傷部分化程度較特征：損傷部分化程度較高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(shí)在熱力學(xué)分析和建立本構(gòu)模型時(shí)引入損傷變量引入損傷變量: :經(jīng)過(guò)損傷本構(gòu)關(guān)系直接經(jīng)過(guò)損傷本構(gòu)關(guān)系直接建立資料彈性、應(yīng)變、應(yīng)力與損傷之間建立資料彈性、應(yīng)變、應(yīng)力與損傷之間的實(shí)際關(guān)系。的實(shí)際關(guān)系。2.2.粘脆性蠕變損傷實(shí)際粘脆性蠕變損傷實(shí)際 蠕蠕 變：粘彈性或粘塑性固體資料在恒應(yīng)力作用變：粘彈

8、性或粘塑性固體資料在恒應(yīng)力作用下，其應(yīng)變隨時(shí)間逐漸添加的景象。下，其應(yīng)變隨時(shí)間逐漸添加的景象。 應(yīng)力松馳：在恒應(yīng)變作用下，其應(yīng)力隨時(shí)間緩慢應(yīng)力松馳：在恒應(yīng)變作用下，其應(yīng)力隨時(shí)間緩慢降低的景象。降低的景象。 資料在蠕變時(shí)往往伴隨著微構(gòu)造變化或缺陷的產(chǎn)資料在蠕變時(shí)往往伴隨著微構(gòu)造變化或缺陷的產(chǎn)生與擴(kuò)展而構(gòu)成損傷。生與擴(kuò)展而構(gòu)成損傷。 蠕變損傷蠕變損傷金屬在高溫下承載金屬在高溫下承載時(shí)，塑性應(yīng)變中時(shí)，塑性應(yīng)變中包含了粘性。包含了粘性。應(yīng)變足夠大時(shí)，產(chǎn)應(yīng)變足夠大時(shí)，產(chǎn)生沿晶開(kāi)裂而引生沿晶開(kāi)裂而引起損傷。起損傷。經(jīng)過(guò)蠕變使應(yīng)變率經(jīng)過(guò)蠕變使應(yīng)變率有所增長(zhǎng)。有所增長(zhǎng)。在給定的溫度在給定的溫度( (中溫或高溫

9、中溫或高溫) )下，下，這類損傷是時(shí)間的函數(shù)。如金屬這類損傷是時(shí)間的函數(shù)。如金屬資料在高溫或較高溫度下蠕變中資料在高溫或較高溫度下蠕變中產(chǎn)生的損傷。對(duì)于混凝土這類資產(chǎn)生的損傷。對(duì)于混凝土這類資料，即使在常溫下，恒定的應(yīng)力料，即使在常溫下，恒定的應(yīng)力也會(huì)引起蠕變也會(huì)引起蠕變( (或稱徐變或稱徐變) )而產(chǎn)生而產(chǎn)生損傷。損傷。 主要包括主要包括穩(wěn)定蠕變實(shí)際穩(wěn)定蠕變實(shí)際 穩(wěn)定蠕變實(shí)際忽略減速蠕變階段，也不穩(wěn)定蠕變實(shí)際忽略減速蠕變階段，也不反映加速蠕變階段。反映加速蠕變階段。強(qiáng)化蠕變實(shí)際強(qiáng)化蠕變實(shí)際 強(qiáng)化蠕變實(shí)際以為，資料的粘性應(yīng)變率強(qiáng)化蠕變實(shí)際以為，資料的粘性應(yīng)變率不僅受應(yīng)力控制而且與粘性有關(guān)。不僅

10、受應(yīng)力控制而且與粘性有關(guān)。其他蠕變實(shí)際其他蠕變實(shí)際3.3.彈塑性損傷實(shí)際彈塑性損傷實(shí)際 彈塑性資料中由應(yīng)力的作用而引起的損傷。資料彈塑性資料中由應(yīng)力的作用而引起的損傷。資料損傷時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生剩余變形。在室溫或較高溫度下。損傷時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生剩余變形。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(qiáng)度較低但韌性很好的金屬資料、延性塑性損傷。如強(qiáng)度較低但韌性很好的金屬資料、中強(qiáng)度的混凝土、復(fù)合資料、高分子資料等常用的工中強(qiáng)度的混凝土、復(fù)合資料、高分子資料等常用的工程資料中出現(xiàn)的損傷。程資料中出現(xiàn)的損傷。 主要包括：主要包括

11、：冪硬化資料的損傷冪硬化資料的損傷全塑性資料的損傷全塑性資料的損傷延續(xù)損傷力學(xué)研討方法延續(xù)損傷力學(xué)研討方法p 將具有離散構(gòu)造的損傷資料模擬為延續(xù)介質(zhì)模型，引入損將具有離散構(gòu)造的損傷資料模擬為延續(xù)介質(zhì)模型，引入損傷變量場(chǎng)變量，描畫從資料內(nèi)部損傷到出現(xiàn)宏觀裂紋傷變量場(chǎng)變量，描畫從資料內(nèi)部損傷到出現(xiàn)宏觀裂紋的過(guò)程，唯像地導(dǎo)出資料的損傷本構(gòu)方程，構(gòu)成損傷力學(xué)的過(guò)程，唯像地導(dǎo)出資料的損傷本構(gòu)方程，構(gòu)成損傷力學(xué)的初、邊值問(wèn)題，然后采用延續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法求解。的初、邊值問(wèn)題，然后采用延續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法求解。p 過(guò)程：過(guò)程：p 選取物體內(nèi)某點(diǎn)的代表性體積單元選取物體內(nèi)某點(diǎn)的代表性體積單元p 定義損傷變量定義損

12、傷變量p 建立損傷演化方程建立損傷演化方程p 建立損傷本構(gòu)方程建立損傷本構(gòu)方程p 根據(jù)初始條件、邊境條件求解，判別各點(diǎn)的損傷形狀、建根據(jù)初始條件、邊境條件求解，判別各點(diǎn)的損傷形狀、建立破壞準(zhǔn)那么立破壞準(zhǔn)那么延續(xù)損傷力學(xué)中的代表性體積單元延續(xù)損傷力學(xué)中的代表性體積單元AAnba損傷變量損傷變量Kachanov1958延續(xù)性因子延續(xù)性因子 Rabotnov1963損傷度損傷度0/SS0/SSd損傷本構(gòu)方程損傷本構(gòu)方程利用等效性假設(shè)利用等效性假設(shè) 根據(jù)不可逆熱力學(xué)實(shí)際根據(jù)不可逆熱力學(xué)實(shí)際 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

13、資料的本構(gòu)關(guān)系與無(wú)損形狀下的本構(gòu)關(guān)系方損傷資料的本構(gòu)關(guān)系與無(wú)損形狀下的本構(gòu)關(guān)系方式一樣，只是將其中的真實(shí)應(yīng)力換成有效應(yīng)力式一樣，只是將其中的真實(shí)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)實(shí)際導(dǎo)出損傷本構(gòu)方程：根據(jù)不可逆熱力學(xué)實(shí)際導(dǎo)出損傷本構(gòu)方程：損傷過(guò)程是不可逆熱力學(xué)過(guò)程損傷過(guò)程是不可逆熱力學(xué)過(guò)程損傷資料存在一個(gè)應(yīng)變能密度和一個(gè)耗散勢(shì)損傷資料存在一個(gè)應(yīng)變能密度和一個(gè)耗散勢(shì)利用它們，根據(jù)內(nèi)變量的正交流動(dòng)法那么導(dǎo)出利用它們，根據(jù)內(nèi)變量的正交流動(dòng)法那么導(dǎo)出損傷應(yīng)變耦合本構(gòu)方程、損傷應(yīng)變能釋放損傷應(yīng)變耦合本構(gòu)方程、損傷應(yīng)變能釋放率方程即損傷度本構(gòu)方程和損傷演化方率方程即損傷度本構(gòu)方程

14、和損傷演化方程的普通方式程的普通方式 延續(xù)損傷力學(xué)的工程運(yùn)用延續(xù)損傷力學(xué)的工程運(yùn)用 1. 1.彈脆性損傷實(shí)際與破壞過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬彈脆性損傷實(shí)際與破壞過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)例：實(shí)例： 計(jì)算受正拉伸的具有中心圓孔計(jì)算受正拉伸的具有中心圓孔( (直徑直徑2mm)2mm)的的玻璃纖維布玻璃纖維布/ /環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合資料板的損傷環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合資料板的損傷- -破壞過(guò)破壞過(guò)程程. .由于對(duì)稱性，計(jì)算僅取右半部進(jìn)展。有限元計(jì)由于對(duì)稱性，計(jì)算僅取右半部進(jìn)展。有限元計(jì)算中，采用三角形單元，單元數(shù)算中，采用三角形單元，單元數(shù)=212=212，結(jié)點(diǎn)數(shù)，結(jié)點(diǎn)數(shù)=133=133，取遠(yuǎn)處拉伸應(yīng)力初始值，取遠(yuǎn)處拉伸應(yīng)力初始值a=

15、0.00388GPaa=0.00388GPa，每次加載增量每次加載增量a=0.00388(GPa).a=0.00388(GPa).經(jīng)過(guò)一步步計(jì)經(jīng)過(guò)一步步計(jì)算可得到整個(gè)損傷算可得到整個(gè)損傷- -破壞過(guò)程的一整套等損傷主值破壞過(guò)程的一整套等損傷主值D_D_線線. .其中其中ak =0.00766ak =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

16、似表征損傷從孔邊開(kāi)場(chǎng)，等損傷邊境邊開(kāi)場(chǎng)，等損傷邊境為三角形，為三角形，D1=0.05D1=0.05，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致這與實(shí)驗(yàn)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添加，損添加，損傷區(qū)由孔邊向資料內(nèi)傷區(qū)由孔邊向資料內(nèi)部逐漸加大部逐漸加大; ;損傷區(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(qiáng)漸加強(qiáng)( (由由D1D1值添加表值添加表征征) )。圖。圖4 4表示表示a11=0.04268GPaa11=0.04268GPa時(shí)時(shí)的等損傷線，接近孔的等損傷線，接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，它與孔邊之間的資料曾經(jīng)

17、完全破間的資料曾經(jīng)完全破壞。壞。2.P912.P91鋼高溫耐久性能及蠕變損傷研討鋼高溫耐久性能及蠕變損傷研討 3.3.基于彈塑性損傷實(shí)際的水泥穩(wěn)定基層養(yǎng)生期裂痕基于彈塑性損傷實(shí)際的水泥穩(wěn)定基層養(yǎng)生期裂痕構(gòu)成機(jī)理分析構(gòu)成機(jī)理分析 基于塑性損傷實(shí)際，本文運(yùn)用有限元通用軟件基于塑性損傷實(shí)際，本文運(yùn)用有限元通用軟件ABAQUSABAQUS對(duì)于水泥對(duì)于水泥穩(wěn)定基層在養(yǎng)護(hù)時(shí)期遭到干縮變形與溫度變形的耦協(xié)作用下裂痕穩(wěn)定基層在養(yǎng)護(hù)時(shí)期遭到干縮變形與溫度變形的耦協(xié)作用下裂痕的產(chǎn)生進(jìn)展了數(shù)值模擬。研討結(jié)果闡明：運(yùn)用彈塑性損傷實(shí)際町的產(chǎn)生進(jìn)展了數(shù)值模擬。研討結(jié)果闡明：運(yùn)用彈塑性損傷實(shí)際町以很好地模擬基層裂痕萌生和擴(kuò)展；數(shù)值計(jì)算結(jié)果中裂痕出現(xiàn)的以很好地模擬基層裂痕萌生和擴(kuò)展；數(shù)值計(jì)算結(jié)果中裂痕出現(xiàn)的間距與實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果相近。干縮變形是導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)期間裂痕間距與實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果相近。干縮變形是導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)期間裂痕的產(chǎn)生的主要緣由。本文研討結(jié)果可為實(shí)踐幕層施工過(guò)程中優(yōu)化的產(chǎn)生的主要緣由。本文研討結(jié)果可為實(shí)踐幕層施工過(guò)程中優(yōu)化鋪設(shè)厚度，合理設(shè)置伸縮縫間距提供根據(jù)。鋪設(shè)厚度，合理設(shè)置