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    • 概览
    • 简介
    • 损伤变量
    • 有效应力
    • 基本假定
    • 损伤本构
    • 立础发座爱便损伤研究方法

    研究材料或构件在各种加载条件下 ,其中损伤随变形而演化发展并最终导致破坏的过程中的力学规律。在外载或环境作用下,由细观结构缺陷(如微裂纹、微孔隙等) 萌生、扩展等不可逆变化引起的材料或结构宏观力学性能的劣化称为损伤。

    损伤力学

    damage mechanics

    损伤力学 是固体力学的分支。

    损伤力学认为,材料内部存在着分布的微缺陷,如位错、微裂纹、微空洞等,这些不同尺度的微细结构是损伤的典括真宣够型表现。损伤在热力学中,视为不可逆的耗散过程。材料或构件中的损伤有多种,如脆性损伤、塑性损伤、蠕变损伤、疲劳损伤等。

    损伤力学选取合适的损伤变量(可来自以是标量、矢量或张量),360百科利用连续介质力学的唯象方法或细观力学、统计力学的方法,导出含损伤的材料的损伤身坐卫演化方程,形成损伤力学的初、边值问题的提稳师卷续今标配消道让例法,并求解物体的应力场、变形场和损伤场。

    损伤力学可大致分为连续介质损伤力学、细观损伤力学和基于细观的唯象损伤力学。

    材料或余很渐抗升何夜终结构在损伤过程中硫准主毫名离训查排宜举,其内部微裂纹或空隙是相互作用、相互影响的,并不存在某理断沙探优温势一孤立的控制损伤发展状态的裂纹英川,而且人们也不可士游够顺我希接万介备能对所有裂纹一一做出几何学的描述,更无法确定各裂纹尖端附近的应真步飞述用乐沿力场。因此,力学工作者把含有众多分散的微裂纹区域看成是局部均匀场,在场内考虑裂纹的整体效应,试图通过定义一个与不可逆相关的场变量来描述均匀场的损伤状态,这个场变量就是损伤变量。

    损伤变失随组营量是表征材料或结构劣化程度的量度,直观上可理解为微裂纹或空洞在整个材料中所占体积的百分比。在损伤力学中,损伤变量实际上起着"劣化算子"的作用,材料或结构的损伤状态即是通过这些具有客观统计特征的损伤变量来描述的。从热力学的观点来看,损伤变量是一种内部状态变量,它能跑补清子缺止发握反映物质结构的不可逆变化过程。

    损伤会引起材料微观结读受景钢流述厂于热历感构和某些宏观物理性能的变化,所以损伤变量可从微观和宏观这两个方面选择当。微观方面,可以选择只齐政杂李裂纹数目、长度、面积和体积等;宏观方面,可以选择弹性模量、屈服应力、拉伸强度钟煤抗往、密度等。不同的损伤过程,可以选择不同的损伤变量,即使同一损伤过程,也可以选择不同的损伤变量。

    自1980年以来,各国学者先后定义了多知消兵种损伤变量来描述材矛侵料或结构的损伤状态,但他们都是以Kachanov定义的损伤变量为基础的。Kachanov定义的损伤变量被认为是损伤变量最早且最经典的表述,其表达的物理意义为结构有效承载面积的相对减少倍冷东假回明。

    根据研究对象的复杂程度和力学描述方式的不改从硫热程阻吧沙赶巴同,损伤变量可以定义为标量、矢量或张量等不同形式。例如对于微裂纹各向同性分布的情况,损伤变量可采用标量形式;对于微裂纹有规律地平面分布的情甚开况,可用与裂纹垂直的矢量表示派权铁诗硫损伤;对于微裂纹各向异性分布客除执往矛被体特减根持的情况,损伤变量可采用张量形式。虽世响然用张量表示损伤能够更真实地反映微观裂纹的排列状态及其力学特性,但是其数查学表达式比较复杂,在工程应用方师编决护业适够阻面存在较大难度。

    定义宪办精银乐自著约损伤变量是建立损伤模型,对两质三材料或结构进行损伤分析的前提。杨烧纸落损伤变量选择的恰当与否决定着损伤模型的正确性。从力学应用上讲,损伤变量便善河起其仅的选取应考虑到如何与宏观力学建立联系,并易于识别和量测。

    通常情况下,应力一般表示为与总面积Ac相关的内力分布集度,被称之为Cauchy应力或名义应力。

    在考虑损伤效应时,力味因实际应力必须表示为温里始考与有效承载面积Ay相关的内力分布集度,被称之为净应力或有效应力。

    折叠 应变等价假定

    应变等价假定认为,应力作用在受损材料上引起啊双局走善吧火构烈线的应变与有效应力作用在无损材料上引起的应变等价。 基于应变等价假定,受损结构的本构关系可通过无损时的形式描述,只需将其中名义应力换成有效应力即可。

    折叠 应力等价假定

    应力等价假定认为,原兰华损伤状态下真实应变对应的应力和与虚构无损状态守久征夜王民下有效应变对应的应力等价。 应变等价假定实际上包含了应力等价假定。

    折叠 能量等价假定

    能量等价假定认为,损伤状态下真实应变和应力对应的弹性余能和虚构无损伤状态认干起下有效应变和有效应力对应的弹性余能等价。 基于能苦着举量等价得到的损伤本构关系和损伤的定义与基攻们反于应变或应力等价得到的关系式有所不同。

    损伤是与材料内秋里垂白部微观结构组织的改变相关联的,是物质内部结构的不可逆变化过程。损伤技挥教频明二演变与塑性变形一样都会造成材料的不可逆能量物技和毛衡耗散,故损伤变量是一种内变量。材料的损伤本构方程可采用带内变量的不可逆过程热力学定律来研究,即让损伤变量以内变量的形式出现在热力学方程中。

    热力学在损伤本构建立方面的应用集中体现于热力学第一、二定律。其中热力学第一定律实质上是能量守恒原理,涉及热与功的相互转换。

    折叠 微观方法

    微观方法是在原子或分子的微观尺度上研究材料损伤的物理过程,并基于量子统计力学导出损伤的宏观响应。该方法需要有原子结构、微观物理等方面的知识和极大容量的计算设备。微观方法为宏观损伤理论提供了较高层次的实验基础,有助于提高对损伤机制的认识。但是,由于该方法着重于微观结构的物理机制,很少直接考虑损伤的宏观变形和应力分布,而且目前在建立微观结构变化与宏观力学响应之间的关系上存在较大难度。因此,微观方法很难直接用于工程结构的宏观力学行为分析。

    折叠 细观方法

    细观方法是从材料的细观结构出发,对不同的损伤机制加以区分,着眼于损伤过程的物理机制。该方法通过对细观结构变化的物理过程的研究,探索材料破坏的本质与规律,并采用某种力学平均化方法,将细观结构单元的研究结果反映到材料的宏观性质中去。细观方法主要研究材料细观结构如微裂纹、微孔洞、剪切带等的损伤演化过程,一方面它忽略了过于复杂的微观物理过程,避免了微观统计力学的繁琐计算,另一方面又包含了不同材料的细观几何构造,为损伤变量和损伤演化方程的建立提供了物理背景。

    折叠 宏观方法

    宏观方法也称为唯象学方法。它着重考察损伤对材料宏观力学性质的影响以及结构的损伤演化过程,而不追究损伤的物理背景和材料内部的细观结构变化。该方法是通过引进内部变量,将细观结构变化映射到宏观力学变化上加以分析的,即在本构关系中引入损伤变量,采用带有损伤变量的本构关系真实地描述受损材料的宏观力学行为。由于宏观方法是从宏观现象出发,并且模拟宏观力学行为,所以方程及其参数的确定往往是半经验半理论的,且具有明确的物理意义,可直接反映结构的受力状态。因此,采用宏观方法建立的损伤本构方程便于应用到结构设计、寿命计算及安全分析中。但该方法不能从细、微观结构层次上弄清损伤的形态与变化。 根据研究对象的特点以及上述各类损伤研究方法的优缺点,采用宏观方法对列车振动荷载作用下隧道结构的损伤进行研究,其主要研究过程包括以下四个阶段: (1)选择合适的损伤变量,即选择描述材料中损伤状态的场变量; (2)建立损伤演变方程,即建立描述损伤发展的方程; (3)建立考虑材料损伤的本构关系; (4)根据初始条件(包括初始损伤)和边界条件求解材料各点的应力、应变和损伤值。 阅读全文

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