損傷力學(xué)讀書報(bào)告

損傷力學(xué)》讀書報(bào)告隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，大型機(jī)械和復(fù)雜構(gòu)件的日益增加，金屬構(gòu)件的疲勞失效已經(jīng)成為工程領(lǐng)域中，關(guān)系到安全、可靠以及經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要因素。一般認(rèn)為金屬的疲勞破壞形式分為如下幾個(gè)階段：裂紋形核、小裂紋擴(kuò)展、長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展以及瞬時(shí)失效階段，一般將裂紋形核和小裂紋擴(kuò)展歸為第一階段，對(duì)于這階段的研究，其主要方法是試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，目前較多的研究室基于細(xì)觀力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)以及斷裂物理的研究較多，對(duì)于裂紋的擴(kuò)展階段，一般是采用試驗(yàn)與斷裂力學(xué)相結(jié)合的方法，這對(duì)于飛行器以及工程構(gòu)件的損傷容限設(shè)計(jì)是非常必要的手段。但是這些方法也存在于若干不足之處：（1）、對(duì)于裂紋的曲線擴(kuò)展路徑的描述困難。（2）、二維裂紋擴(kuò)展和三維裂紋擴(kuò)展的描述難以統(tǒng)一。（3）、把第一階段與裂紋擴(kuò)展階段視為獨(dú)立的階段。為止，就需要一個(gè)新的固體力學(xué)工具，將裂紋形成與擴(kuò)展的描述進(jìn)行統(tǒng)一，將二維和三維裂紋的擴(kuò)展研究進(jìn)行統(tǒng)一，將裂紋的直線擴(kuò)展與曲線擴(kuò)展進(jìn)行統(tǒng) -O此時(shí)，損傷力學(xué)就應(yīng)運(yùn)而生，從80年代初期，到目前為止，這方面出版了許多專著，他們對(duì)損傷力學(xué)的理論以及發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)；下面就介紹損傷力學(xué)的一些先關(guān)內(nèi)容：一、破壞力學(xué)的發(fā)展及損傷力學(xué)定義破壞力學(xué)發(fā)展的三個(gè)階段1） 、古典強(qiáng)度理論：以材料的強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)：b*<G],即只要材料的應(yīng)力b*小于材料的許用應(yīng)力L]就不會(huì)破壞。2） 、斷裂力學(xué)：以材料的韌度為設(shè)計(jì)指標(biāo)：K,J<KIC,JIC。3） 、損傷力學(xué)：以漸進(jìn)衰壞程度作為為指標(biāo)：?C。損傷力學(xué)定義損傷力學(xué)是研究材料的細(xì)（微）結(jié)構(gòu)在載荷歷史過程中產(chǎn)生不可逆劣化（衰壞）過程，從而引起材料（構(gòu)件）性能變化、以及變形破壞的力學(xué)規(guī)律。二、傳統(tǒng)材料力學(xué)的強(qiáng)度問題對(duì)于傳統(tǒng)的力學(xué)材料研究首先滿足：材料均勻性和連續(xù)性假設(shè)，即認(rèn)為材料是各處性質(zhì)相同的連續(xù)體。其研究理論和思想如下圖所示：

評(píng)選壽oT評(píng)選壽oTAofG,t）=0]n=fCo）kCC三、斷裂力學(xué)的韌度問題對(duì)于斷裂力學(xué)的研究?jī)?nèi)容，需要均勻性假設(shè)仍成立，但且僅在缺陷處不連續(xù)。其研究理論和思想如下圖所示：選工維缺陷

材藝修評(píng)定KIC5,5KIC5,5iCJ,JiCJRTRN（T=T）f（X,a，…）iK5oC“四、損傷力學(xué)損傷力學(xué)研究對(duì)象：均勻和連續(xù)假設(shè)均不成立。其研究理論和思想如下圖所示：

設(shè)選壽~C計(jì)材命w,widwdt設(shè)選壽~C計(jì)材命w,widwdt￡=f:(2)類本構(gòu)「)&,w損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)的關(guān)系損傷力學(xué)分析材料從變形到破壞，損傷逐漸積累的整個(gè)過程；斷裂力學(xué)分析裂紋擴(kuò)展的過程。［分岔J駐止J啟裂…擴(kuò)展［分岔J駐止J啟裂…擴(kuò)展疲勞G 損傷力學(xué)G 斷裂力學(xué)——亠壽命預(yù)計(jì)(疲勞、蠕變、交互)承載能力細(xì)觀破壞極限載荷過程(邊值與變分壽命預(yù)計(jì)(疲勞、蠕變、交互)承載能力細(xì)觀破壞極限載荷過程(邊值與變分 問題)連續(xù)損傷力學(xué)(CDM)損傷力學(xué)(CDM)的研究方法CDM是描寫材料破壞過程的有力工具。它主要包括損傷演化方程的描寫?損傷變量基于細(xì)觀的、唯象的連續(xù)損傷理論損傷的實(shí)驗(yàn)測(cè)定從應(yīng)用入手，研究與發(fā)展連續(xù)損傷力學(xué)材料強(qiáng)韌化性能預(yù)計(jì)組織-性能C復(fù)合材料丿損傷理論體系損傷力學(xué)所研究缺陷的分類材料內(nèi)部存在的分布缺陷，如位錯(cuò)、夾雜、微裂紋和微孔洞等統(tǒng)稱為損傷在損傷力學(xué)的研究對(duì)象中涉及的損傷主要有四種形式：微裂紋(micro-crack)。微空洞(micro-void)。剪切帶(shearbond)。界面(interface)。損傷力學(xué)以處理方法的不同分為兩類：連續(xù)損傷力學(xué)(ContinuumDamageMechanics,CDM)。連續(xù)損傷力學(xué)將具有離散結(jié)構(gòu)的損傷材料模擬為連續(xù)介質(zhì)模型，引入損傷變量(場(chǎng)變量)，描述從材料內(nèi)部損傷到出現(xiàn)宏觀裂紋的過程，唯像地導(dǎo)出材料的損傷本構(gòu)方程，形成損傷力學(xué)的初、邊值問題，然后采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法求解細(xì)觀損傷力學(xué)(Meso-DamageMechanics,MDM)。細(xì)觀損傷力學(xué)根據(jù)材料細(xì)觀成分的單獨(dú)的力學(xué)行為，如基體、夾雜、微裂紋、微孔洞和剪切帶等，采用某種均勻化方法，將非均質(zhì)的細(xì)觀組織性能轉(zhuǎn)化為材料的宏觀性能，建立分析計(jì)算理論損傷的種類彈脆性損傷：巖石、混凝土、復(fù)合材料、低溫金屬?gòu)椝苄該p傷：金屬、復(fù)合材料、聚合物的基體，滑移界面(裂紋、缺口、孔洞附近細(xì)觀微空間)，顆粒的脫膠，顆粒微裂紋引起微空洞形核、擴(kuò)展剝落(散裂)損傷：沖擊載荷引起彈塑性損傷；細(xì)觀孔洞、微裂紋－均勻分布孔洞擴(kuò)展與應(yīng)力波耦合疲勞損傷：重復(fù)載荷引起穿晶細(xì)觀表面裂紋；低周疲勞－分布裂紋蠕變損傷：由蠕變的細(xì)觀晶界孔洞形核、擴(kuò)展，主要由于晶界滑移、擴(kuò)散蠕變－疲勞損傷：高溫、重復(fù)載荷引起損傷，晶間孔洞與穿晶裂紋的非線性耦合腐蝕損傷：點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、晶間孔洞與穿晶裂紋的非線性耦合輻照損傷：中子、射線的輻射，原子撞擊引起的損傷，孔洞形核、成泡腫脹損傷變量在研究材料的損傷時(shí)一般取一個(gè)“代表性體積單元”，它比工程構(gòu)件的尺寸小得多，但又不是微結(jié)構(gòu)，而是包含足夠多的微結(jié)構(gòu),在這個(gè)單元內(nèi)研究非均勻連續(xù)的物理量平均行為和響應(yīng)。Lemaitre(1971)建議某些典型材料代表體元的尺寸為：金屬材料：0.1mmxO.lmmxO.lmm，高分子及復(fù)合材料：1mmxlmmxlmm，木材10mmx10mmx10mm，混凝土材料：100mmx100mmx100mm。Kachanov(1958)材料劣化的主要機(jī)制是由于缺陷導(dǎo)致有效承載面積的減少，提出用連續(xù)度來描述材料的損傷：A~申二一A其中A為原始截面積，A受損后的有效承載截面積。Rabotnov(1963)給出了損傷度D的概念:D二1-p基于上述以及下面的力學(xué)關(guān)系式：A=(1-D)A則真是應(yīng)力為：?FQ

Q=—= A1-D同樣可以得到可以三維無損狀態(tài)下的真實(shí)應(yīng)力為ij損傷本構(gòu)方程本構(gòu)關(guān)系的N型描述：眾所周知，在交變激勵(lì)的作用下，結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)部位移、應(yīng)變、應(yīng)力以及損傷等在不停地變化。所謂N型描述，以定義循環(huán)載荷的次數(shù)N作為廣義的時(shí)間變量，并取每周期內(nèi)的某一特征(如對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變和位移場(chǎng)可取其峰值或均值等)，對(duì)損傷場(chǎng)可取其在本循環(huán)結(jié)束時(shí)的終值為控制對(duì)象來建立本構(gòu)關(guān)系.對(duì)于各向同性線彈性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可設(shè)為：ijSijkl(1一D)Skl式中：Q,￡分別表示特征應(yīng)力與特征應(yīng)變。D為損傷度。反映材料剛度ijij下降的比例，（ijSijkl(1一D)Skl式中：Q,￡分別表示特征應(yīng)力與特征應(yīng)變。D為損傷度。反映材料剛度ijij下降的比例，（Q,￡和D均為N與坐標(biāo)系x的函數(shù)）；S為彈性張量。ijij i ijkl本構(gòu)關(guān)系的t型描述:在N型描述中，雖然D隨時(shí)間的變化是以N為尺度，但是對(duì)于線彈性性損傷介子來說，如果外載荷與邊界位移按比例變化的，則在每個(gè)加載循環(huán)內(nèi)任一瞬時(shí)，除D以外各場(chǎng)量的分布也是不難算出的。然而。從本質(zhì)而論，有損傷的演化的過程是時(shí)間相關(guān)的，尤其在討論彈塑性損傷時(shí)，我們往往需要用到增量型的描述而涉及包括損傷在內(nèi)的有關(guān)場(chǎng)量的時(shí)率形式。因此，建立與時(shí)間相關(guān)的損傷本構(gòu)關(guān)系就顯得很有意義了。帶有損傷時(shí)的本構(gòu)關(guān)系式為：￡j二%（1一切D廠1Qkl其中C為無損時(shí)線彈性各向同性材料的柔度張量ijkl2)為無損時(shí)的應(yīng)力。klg、耳為材料常數(shù)。無損則有：￡ij二CijklQkl3)損傷驅(qū)動(dòng)力的表達(dá)式：1Y二切S&e￡e2ijklklij則有（2）可以得到應(yīng)力表示的損傷驅(qū)動(dòng)力為4)損傷演化方程1Y二2引fl(1—引D廠1QklQj5)Kachanov（1958）提出了表示一維損傷演化方程Q>Qth6)等價(jià)于以損傷度表示的損傷演化方程7)7)thG<Gth式中D為損傷度，Gth臨界應(yīng)力。Chaboche對(duì)于高周疲勞提出的損傷演化方程8)其中：f(D)=[1-(1-D)l+0嚴(yán),D為損傷度，G口為應(yīng)力幅值，N為疲勞周次，b、￡、0為材料常數(shù)。五損傷力學(xué)展望以總結(jié)損傷力學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了現(xiàn)代工程的設(shè)計(jì)，特別是在航空航天領(lǐng)域，1974年在美國(guó)空軍頒布的軍用規(guī)范A-83444中，就明確地規(guī)定了軍用飛機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)損傷容限的要求，損傷力學(xué)無疑是這個(gè)設(shè)計(jì)得以實(shí)施的重要工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、損傷力學(xué)理論、測(cè)試手段、技術(shù)能力亦不斷發(fā)展，損傷力學(xué)將得到更為廣泛的應(yīng)用。具體而言，損傷力學(xué)有望在如下的工作中應(yīng)用和發(fā)展1、 各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估。這是本世紀(jì)中最令人關(guān)注也是最具有研究活力的領(lǐng)域，因?yàn)槠渖婕暗街匾獦?gòu)件的安全服役、人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。既然健康監(jiān)測(cè)和損傷評(píng)估的目的是監(jiān)控結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)和程度，考慮結(jié)構(gòu)中缺陷的存在，應(yīng)用損傷力學(xué)分析方法去考察在役構(gòu)件的響應(yīng)和特征，將是事半功倍的有效途徑。2、 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限分析、失效路徑考察和由此建立的更為經(jīng)濟(jì)可靠的設(shè)計(jì)理論。正如文中己經(jīng)提到過的，盡管隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的提高，結(jié)構(gòu)模擬、結(jié)構(gòu)識(shí)別乃至損傷識(shí)別技術(shù)已經(jīng)有很大的發(fā)展，但在土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(包括那些“獨(dú)一無二”的重要橋梁、越建越高的標(biāo)志性高層建筑)在準(zhǔn)確的極限狀態(tài)、失效(損傷)行為和路徑等方面的了解還存在很大的空白。損傷力學(xué)的應(yīng)用不僅將有助于在這類基礎(chǔ)理論的突破，更重要的是將為重要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造提供可靠的基礎(chǔ)。3、 金屬加工成型。雖然本書沒有涉及到這類問題，實(shí)際上，已經(jīng)有這方面的研究將損傷力學(xué)的理論應(yīng)用于金屬加工成型過程分析。考慮加工過程中的高溫和大變形產(chǎn)生的損傷演化過程，是這類問題的主要關(guān)鍵。4、 利用巖層中的裂隙和損傷發(fā)展高效的開掘、爆破、采礦技術(shù)。這方面的應(yīng)用是損傷的反問題之一?？疾觳牧蠐p傷性能的目的不是為了控制損傷的演化，而是為了利用損傷的演化和擴(kuò)展使材料構(gòu)造破裂、達(dá)到相應(yīng)的生產(chǎn)和工業(yè)要求。5）地震、風(fēng)載荷等突發(fā)災(zāi)害下結(jié)構(gòu)損傷性能的研究，將有助于結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)水平的提高等等。損傷力學(xué)在各類工程問題的應(yīng)用前景，顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述所描述的幾個(gè)方面。然而，盡管損傷力學(xué)在其基本理論框架方面已經(jīng)取得了很大的成就，在工程應(yīng)用方面仍不盡人意。長(zhǎng)期以來，理論和實(shí)際之間往往隔著一段距離，消除這一段距離，除了需要不斷完善損傷力學(xué)理論本身，更重要的是要針對(duì)各種具體的工程結(jié)構(gòu)，如壓力容器、水壩、橋梁等，開展損傷力學(xué)的應(yīng)用研究。在各種工程結(jié)構(gòu)中，損傷和缺陷各有其發(fā)生、發(fā)展和演化的個(gè)性，損傷的個(gè)性和結(jié)構(gòu)的個(gè)性相互交織，形成各個(gè)結(jié)構(gòu)損傷力學(xué)定解問題的