損傷的概念與理論基礎(chǔ)1

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1、第五章?lián)p傷的概念與理論基礎(chǔ)第一節(jié)損傷力學(xué)簡介第二節(jié)損傷的唯象特征第三節(jié)損傷理論基礎(chǔ)第一節(jié)損傷力學(xué)簡介1）損傷與損傷力學(xué)的概念《辭?！罚簱p傷是指身體某部受到外力的作用而使組織、器官的結(jié)構(gòu)遭受破壞或其功能發(fā)生障礙。其中外力可為機械性、物理性和化學(xué)性三種。材料和工程構(gòu)件，從毛坯制造到加工成形的過程中，不可避免地會使構(gòu)件的內(nèi)部或表面產(chǎn)生微小的缺陷（如小于1mm的裂紋或空隙等）。在一定的外部因素（載荷、溫度變化以及腐蝕介質(zhì)等）作用下，這些缺陷會不斷擴展和合并，形成宏觀裂紋。裂紋繼續(xù)擴展后，最終可能導(dǎo)致構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的斷裂破壞。微缺陷的存在與擴展，是使構(gòu)件的強度、剛度、韌性下降或剩余壽命降低的原因。*損傷：

2、在外載和環(huán)境的作用下，由于細觀結(jié)構(gòu)的缺陷（如微裂紋、微空洞）引起的材料與結(jié)構(gòu)的劣化過程，稱為損傷。**損傷力學(xué)：研究含損傷材料的性質(zhì)（應(yīng)力、應(yīng)變），以及在變形過程中損傷的演化發(fā)展直至破壞（微裂紋的萌生、擴展或演變、體積元的破裂、宏觀裂紋形成、裂紋的穩(wěn)定擴展和失穩(wěn)擴展）力學(xué)過程的學(xué)科。對損傷的研究，主要是在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱力學(xué)的基礎(chǔ)上，用固體力學(xué)的方法，研究材料或構(gòu)件宏觀力學(xué)性能的演變直至破壞的全過程，從而形成了固體力學(xué)中一個新的分支--損傷力學(xué)。2）損傷力學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系長期以來，人們對材料和構(gòu)件宏觀力學(xué)性能的劣化直至破壞過程的機理、本構(gòu)關(guān)系、力學(xué)模型和計算方法都非常重視，并且用各種理論和

3、方法進行了研究。材料和物理學(xué)家從微觀的角度研究微缺陷產(chǎn)生的擴展的機理，但所得的結(jié)果不易與宏觀力學(xué)量相聯(lián)系。力學(xué)工作者則著眼于宏觀分析，其中最常用的是斷裂力學(xué)的理論和方法。裂斷力學(xué)主要研究裂紋尖端附近的應(yīng)力場和應(yīng)變場、能量釋放率等，以建立宏觀裂紋起裂、裂紋的穩(wěn)定擴展和失穩(wěn)擴展的判據(jù)。但斷裂力學(xué)無法分析宏觀裂紋出現(xiàn)前材料中的微缺陷或微裂紋的形成與發(fā)展對材料力學(xué)性能的影響，而且許多微缺陷或微裂紋并不都能簡化為宏觀裂紋。經(jīng)典的固體力學(xué)理論雖然完備地描述了無損傷材料的力學(xué)性能（彈性、粘彈性、塑性、粘塑性等），然而，材料或構(gòu)件的工作過程就是不斷損傷的過程，用無損材料的本構(gòu)關(guān)系描繪受損材料的力學(xué)性能顯然是

4、不合理的。損傷力學(xué)旨在建立受損材料的本構(gòu)關(guān)系、解釋材料的破壞機理、建立損傷的演變方程、計算構(gòu)件的損傷程度、從而達到預(yù)估其剩余壽命的目的。因此，它是經(jīng)典的固體力學(xué)理論的發(fā)展和補充。損傷力學(xué)的內(nèi)容和方法，既聯(lián)系和發(fā)源于古典的材料力學(xué)和斷裂力學(xué)，又是它們的必然發(fā)展和必要補充。損傷力學(xué)主要研究宏觀可見缺陷或裂紋出現(xiàn)以前的力學(xué)過程，含宏觀裂紋物體的變形以及裂紋的擴展的研究則是斷裂力學(xué)的內(nèi)容。所以人們常將損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)聯(lián)結(jié)在一起，構(gòu)成破壞力學(xué)或破壞理論的主要內(nèi)容。與斷裂力學(xué)的關(guān)系：*無耦合的分析方法：70年代末，損傷力學(xué)限制在只研究材料在宏觀裂紋出現(xiàn)以前的階段，當宏觀裂紋出現(xiàn)以后則用斷裂力學(xué)的理論和

5、方法進行研究。無耦合的分析方法*耦合的計算方法當宏觀裂紋出現(xiàn)以后，材料的損傷對裂紋尖端附近及其它區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變都有影響。耦合的計算方法損傷理論，是將固體物理學(xué)、材料強度理論和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)統(tǒng)一起來進行研究的。因此，用損傷理論導(dǎo)得的結(jié)果，既反映材料微觀結(jié)構(gòu)的變化，又能說明材料宏觀力學(xué)性能的實際變化狀況，而且計算的參數(shù)還應(yīng)是宏觀可測的，這一定程度上彌補了微觀研究和斷裂力學(xué)研究的不足，也為這些學(xué)科的發(fā)展和相互結(jié)合開拓了新的前景。*與細觀力學(xué)的關(guān)系細觀力學(xué)是直接研究材料的細觀組元（即材料在光學(xué)或常規(guī)電子顯微鏡下可見的微細結(jié)構(gòu)），利用多重尺度的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法來研究經(jīng)過某種統(tǒng)計平均處理的細觀特征，并

6、需借助電子計算機巨大的運算能力和容量，才能模擬較復(fù)雜介質(zhì)的力學(xué)行為。損傷力學(xué)不分別考慮某個微細缺陷，如位錯、微孔洞、微裂紋等的影響，而是通過引入“損傷變量”來描述分布于整個材料介質(zhì)內(nèi)部的微細缺陷損傷，研究的重點是材料內(nèi)部損傷的產(chǎn)生和發(fā)展引起的受損材料的宏觀力學(xué)行為的變化。損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)和細觀力學(xué)都是研究不可逆的破壞過程的科學(xué)，它們?nèi)呓M成了從細觀尺度直至宏觀尺度描述材料破壞過程的破壞理論科學(xué)。3）損傷力學(xué)的發(fā)展歷史損傷力學(xué)是近20年發(fā)展起來的一門新學(xué)科，是材料與結(jié)構(gòu)的變形與破壞理論的重要組成部分。Kachanov在1958年研究金屬蠕變過程斷裂時，首次引入了“連續(xù)性因子”和“有效應(yīng)力”的

7、概念來描述低應(yīng)力脆性蠕變損傷。Rabotnov在1963年進一步引入了“損傷因子”的概念。他們采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的唯象方法來研究材料蠕變損傷破壞過程。Janson、Hult于1977年提出了損傷力學(xué)（damagemechanics）的新名詞。70年代后期，法國的Lemaitre、Chaboche、美國的Krempl、Krajcinovic、日本的Murakami（村上澄南）、瑞典的Hult、英國的Hayhurs