2022年医学专题—材料损伤断裂理论...ppt

材料损伤断裂(dun li)理论,*,第一页，共四十三页。,大纲(dgng),*,概况线弹性断裂力学理论弹塑性断裂力学理论材料细观损伤(snshng)理论总结,第二页，共四十三页。,*,概况(gikung),断裂损伤力学是固体力学的一个分支，是断裂力学和损伤力学的简称。断裂力学是研究含裂纹固体介质的强度和裂纹扩展规律的学科，它采用均匀性假设，且假设仅在材料缺陷(quxin)处不连续;损伤力学是研究材料内部存在错位“夹杂”微裂纹和微孔洞等分布缺陷(quxin)时，在外荷载作用下损伤的演化规律及其对力学性能的影响，二者共同描述了结构从原有缺陷(quxin)到宏观裂纹形成继而断裂的全过程。1962年 M.Kaplan 首先运用断裂力学方法分析混凝土裂缝.,混凝土损伤力学的研究(ynji)现状,损伤力学是研究混凝土构件中宏观裂纹出现前材料的力学行为，按照荷载形式的不同，可以将损伤理论分为静力损伤模型和动力损伤模型。静力损伤本构模型主要有 Marzars模型,Krajcinovic模型和 Sidoroff模型等。动力损伤模型分两类:结构受周期性循环荷载作用；结构受到加载速率很大的荷载作用，主要模型有Sauris模型、Bui 模型、Henty模型等。,第三页，共四十三页。,*,混凝土断裂力学(dun li l xu)的研究现状,国内外很多研究(ynji)学者进行各种断裂模式(张开型、滑开型、撕开型、复合型)的试验研究以及断裂韧度的测试，提出了一系列应力强度因子的计算方法和经验断裂判据，主要成果有:A.Griffith用弹性体能量平衡的观点研究了玻璃等脆性材料中的裂纹扩展问题，提出了断裂临界应力作为材料断裂的判据，但模型基于线弹性理论，仅限于理想脆性材料。1961年 wells提出了弹塑性条件的断裂COD准则:当裂纹尖端在荷载作用下张开位移达到临界值时，裂纹就会开裂，若继续增加载荷，达到裂纹失稳点时，材料就失效破坏。1955年 J.R.Irwin用弹性力学理论分析了裂纹尖端应力应变场，提出了裂纹尖端附近的强度因子，建立了裂纹强度因子判据。,我国的徐世烺和H.W.reinhardt系统发展了基于裂缝扩展粘聚力的 Kr阻力(zl)曲线准则，建立了实用的双 K断裂准则，可用于描述半脆性材料的裂缝起裂,稳定扩展和失稳破坏全过程。但主要问题有:确定双 K 断裂参数的最小尺寸，全级配混凝土双 K 断裂参数的试验，不同强度等级混凝土及不同级配混凝土软化本构关系，不同强度等级混凝土及不同级配混凝土断裂能 Gp的测定，同强度等级混凝土及不同级配混凝土双 K 断裂参数的测定等。,概况,刘黎，断裂损伤理论在混凝土中的应用研究，2013,第四页，共四十三页。,概况(gikung),*,破坏力学发展的三个阶段 古典(gdin)强度理论：以强度为指标 断裂力学：以韧度为指标 损伤力学：以渐进衰坏为指标,损伤的概念 由于细观结构(微裂纹、微孔洞(kngdng)、位错等)引起的材料或结构的劣化过程称为损伤。断裂的概念 由弥散分布的微裂纹串接为宏观裂纹，再由宏观裂纹演化至灾难性失稳裂 纹，这一过程称之为断裂过程。,第五页，共四十三页。,概况(gikung),*,不同(b tn)力学理论的研究路线,损伤力学主要(zhyo)研究宏观可见的缺陷或裂纹出现以前的力学过程；断裂力学研究宏观裂纹体的受力与变形、以及裂纹的扩展，直至断裂的过程。,第六页，共四十三页。,概况(gikung),*,损伤力学研究内容 研究含损伤的变形固体在载荷、温度、腐蚀等外在因素(yn s)的作用下，损伤场的演化规律及其对材料的力学性能的影响。损伤力学研究方法连续损伤力学细观损伤力学,断裂力学研究(ynji)方法断裂物理（细微观）线弹性断裂力学（宏观）（19201973）弹塑性断裂力学（宏观）（19601991）宏微观断裂力学,第七页，共四十三页。,概况(gikung),*,传统材料力学的强度(qingd)问题,两大假设：均匀(jnyn)、连续,断裂力学的韧度问题,损伤力学的评定方法,均匀性和连续性假设均不成立,均匀性假设仍成立，但且仅在缺陷处不连续,断裂力学的分类：断裂力学根据裂纹尖端塑性区域的范围，分为两大类：（1）线弹性断裂力学-当裂纹尖端塑性区的尺寸远小于裂纹长度，可根据线弹性理论来分析裂纹扩展行为。（2）弹塑性断裂力学-当裂纹尖端塑性区尺寸不限于小范围屈服，而是呈现适量的塑性，以弹塑性理论来处理。,第八页，共四十三页。,概况(gikung),*,关于损伤(snshng)破坏的图片,第九页，共四十三页。,概况(gikung),*,关于断裂破坏(phui)的图片,第十页，共四十三页。,*,基本概念一个(y)物体在力的作用下分成两个独立的部分、这一过程称之为断裂，或称之为完全断裂。如果一个物体在力的作用下其内部局部区域内材料发生了分离，即其连续性发生了破坏，则称物体中产生了裂纹。大尺度裂纹也称为不完全断裂。断裂过程包括裂纹的形成和裂纹的扩展。,损伤(snshng),断裂(dun li),线弹性弹性断裂力学理论,断裂概念及分类材料的理论断裂强度Griffith能量平衡理论应力强度因子,主要内容,第十一页，共四十三页。,*,线弹性弹性断裂力学(dun li l xu)理论,按断裂前材料发生塑性变形的程度分类脆性断裂（如陶瓷、玻璃等）延性断裂（如有色金属、钢等）断面收缩率5%；延伸率10%按裂纹扩展路径(ljng)分类穿晶断裂沿晶断裂混合断裂,按断裂机制分类解理断裂（如陶瓷、玻璃(b l)等）剪切断裂（如有色金属、钢等）按断裂原因分类疲劳断裂（90%）腐蚀断裂氢脆断裂蠕变断裂过载断裂及混合断裂,第十二页，共四十三页。,*,线弹性断裂力学认为，材料和构件在断裂以前基本上处于弹性范围内，可以(ky)把物体视为带有裂纹的弹性体。研究裂纹扩展有两种观点：一种是能量平衡的观点，认为裂纹扩展的动力是构件在裂纹扩展中所释放出的弹性应变能，它补偿了产生新裂纹表面所消耗的能量，如Griffith理论；一种是应力场强度的观点，认为裂纹扩展的临界状态是裂纹尖端的应力场强度达到材料的临界值，如Irwin理论。,线弹性弹性断裂力学(dun li l xu)理论,第十三页，共四十三页。,线弹性(tnxng)弹性(tnxng)断裂力学理论,*,线弹性断裂力学的基本理论包括：Griffith理论，即能量释放率理论；Irwin理论，即应力(yngl)强度因子理论。,一、Griffith理论 1913年，Inglis研究了无限大板中含有一个穿透(chun tu)板厚的椭圆孔的问题，得到了弹性力学精确分析解，称之为Inglis解。1920年，Griffith研究玻璃与陶瓷材料脆性断裂问题时，将Inglis解中的短半轴趋于0，得到Griffith裂纹。,第十四页，共四十三页。,*,线弹性弹性断裂力学(dun li l xu)理论,Griffith研究了如图所示厚度为B的薄平板。上、下端受到均匀拉应力作用(zuyng)，将板拉长后，固定两端。由Inglis解得到由于裂纹存在而释放的弹性应变能为,第十五页，共四十三页。,*,二.Orowan与Irwin对griffith理论的解释(jish)与发展,Orowan在1948年指出，金属材料在裂纹的扩展过程中，其尖端附近(fjn)局部区域发生塑性变形。因此，裂纹扩展时，金属材料释放的应变能，不仅用于形成裂纹表面所吸收的表面能，同时用于克服裂纹扩展所需要吸收的塑性变形能（也称为塑性功）。,设金属材料的裂纹扩展(kuzhn)单位面积所需要的塑性功为,，则剩余强度和临界裂纹长度可表示为,线弹性弹性断裂力学理论,第十六页，共四十三页。,*,线弹性弹性断裂力学(dun li l xu)理论,第十七页，共四十三页。,*,Irwin在1948年引入记号(j ho),外力(wil)功,释放(shfng)出的应变能,能量释放率,能量释放率也称为裂纹扩展能力,准则,临界值,由试验确定,Irwin的理论适用于金属材料的准脆性破坏破坏前裂纹尖端附近有相当范围的塑性变形.该理论的提出是线弹性断裂力学诞生的标志.,线弹性弹性断裂力学理论,第十八页，共四十三页。,*,三.应力强度(qingd)因子理论,裂纹尖端存在(cnzi)奇异性,即:,基于这种性质(xngzh)，1957年Irwin提出新的物理量应力强度因子,即：,1960年Irwin用石墨做实验,测定开始裂纹扩展时的,断裂判据(,准则),线弹性弹性断裂力学理论,第十九页，共四十三页。,*,四、裂纹的类型.裂纹尖端附近(fjn)的应力场和位移值,裂纹(li wn)的类型,1.按裂纹的几何类型(lixng)分类,穿透裂纹:裂纹沿构件整个厚度贯穿.,表面裂纹:深度和长度皆处于构件表面的裂纹,可简化为 半椭圆裂纹.,深埋裂纹:完全处于构件内部的裂纹,片状圆形或片状椭 圆裂纹.,线弹性弹性断裂力学理论,Griffith微裂纹脆断理论,第二十页，共四十三页。,*,2.按裂纹的受力和断裂特征(tzhng)分类,张开(zhn ki)型(型):拉应力垂直于裂纹扩展面,裂纹上、下表面沿作用力的方向张开,裂纹沿着裂纹面向前扩展,是最常见的一种裂纹.,滑开型(型):裂纹扩展受切应力控制,切应力平行作用(zuyng)于裂纹面而且垂直于裂纹线,裂纹沿裂纹面平行滑开扩展.,撕开型裂纹(型):在平行于裂纹面而与裂纹前沿线方向平行的剪应力作用下,裂纹沿裂纹面撕开扩展.,线弹性弹性断裂力学理论,第二十一页，共四十三页。,*,张开(zhn ki)型裂纹I型,滑移(hu y)型裂纹II型,撕裂(s li)型裂纹III型,线弹性弹性断裂力学理论,第二十二页，共四十三页。,*,弹塑性断裂力学(dun li l xu)理论,线弹性(tnxng)断裂力学,脆性材料或高强度钢所发生的脆性断裂 小范围(fnwi)屈服：塑性区的尺寸远小于裂纹尺寸,弹塑性断裂力学,大范围屈服，端部的塑性区尺寸接近或超过裂纹尺寸，如：中低强度钢制成的构件 全面屈服：材料处于全面屈服阶段，如：压力容器的 接管部位.,第二十三页，共四十三页。,*,1.D-M模型的假设(Dugdale-Muskhelishvili)塑性区简化为条形理想塑性2.D-M模型的修正-吸附力模型(Barenblatt，1962)（B-D模型）条形区内(q ni)应力不均等，而是由吸附力决定的分布力。当吸附力等于屈服应力时，模型退化为D-M模型,D-M模型(mxng)(1960),弹塑性断裂力学(dun li l xu)理论,第二十四页，共四十三页。,*,弹塑性断裂力学(dun li l xu)理论,弹塑性断裂力学的任务：在大范围屈服下，确定能定量描述裂纹尖端区域弹塑性应力，应变场强度的参量以便利用理论建立起这些参量与裂纹几何特性、外加载荷之间的关系，通过试验来测定它们，并最后(zuhu)建立便于工程应用的断裂准则。,主要(zhyo)包括COD理论和J积分理论,王春玲，塑性力学，中国建筑工业出版社,第二十五页，共四十三页。,一.COD,COD(Crack Opening Displacement)裂纹张开位移。裂纹体受载后，裂纹尖端附近的塑性区导致裂纹尖端表面张开裂纹张开位移：表达材料抵抗(dkng)延性断裂能力,COD准则(zhnz),裂纹(li wn)失稳扩展的临界值,COD准则需解决的3个问题：,的计算公式;的测定;COD准则的工程应用,弹塑性断裂力学理论,第二十六页，共四十三页。,*,COD准则(zhnz),计算张开位移(wiy)时，一般采用D-M模型，并以此建立COD准则；但要注意裂纹开裂临界值不是裂纹失稳扩展的临界值；COD准则的限制主要来自于D-M模型的局限性,弹塑性断裂力学(dun li l xu)理论,第二十七页，共四十三页。,二、J积分的定义(dngy)和特性,COD准则(zhnz)的优点：,测定方法简单 经验公式能有效地解决(jiju)中、低强度强度钢焊接结构及压力 容器断裂分析问题,缺点：,不是一个直接而严密的裂纹尖端弹、塑性应变场的表征参量.