损伤的概念与理论基础1

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1、第五章损伤的概念与理论基础第一节损伤力学简介第二节损伤的唯象特征第三节损伤理论基础第一节损伤力学简介1）损伤与损伤力学的概念《辞海》：损伤是指身体某部受到外力的作用而使组织、器官的结构遭受破坏或其功能发生障碍。其中外力可为机械性、物理性和化学性三种。材料和工程构件，从毛坯制造到加工成形的过程中，不可避免地会使构件的内部或表面产生微小的缺陷（如小于1mm的裂纹或空隙等）。在一定的外部因素（载荷、温度变化以及腐蚀介质等）作用下，这些缺陷会不断扩展和合并，形成宏观裂纹。裂纹继续扩展后，最终可能导致构件或结构的断裂破坏。微缺陷的存在与扩展，是使构件的强度、刚度、韧性下降或剩余寿命降低的原因。*损伤：

2、在外载和环境的作用下，由于细观结构的缺陷（如微裂纹、微空洞）引起的材料与结构的劣化过程，称为损伤。**损伤力学：研究含损伤材料的性质（应力、应变），以及在变形过程中损伤的演化发展直至破坏（微裂纹的萌生、扩展或演变、体积元的破裂、宏观裂纹形成、裂纹的稳定扩展和失稳扩展）力学过程的学科。对损伤的研究，主要是在连续介质力学和热力学的基础上，用固体力学的方法，研究材料或构件宏观力学性能的演变直至破坏的全过程，从而形成了固体力学中一个新的分支--损伤力学。2）损伤力学与相关学科的关系长期以来，人们对材料和构件宏观力学性能的劣化直至破坏过程的机理、本构关系、力学模型和计算方法都非常重视，并且用各种理论和

3、方法进行了研究。材料和物理学家从微观的角度研究微缺陷产生的扩展的机理，但所得的结果不易与宏观力学量相联系。力学工作者则着眼于宏观分析，其中最常用的是断裂力学的理论和方法。裂断力学主要研究裂纹尖端附近的应力场和应变场、能量释放率等，以建立宏观裂纹起裂、裂纹的稳定扩展和失稳扩展的判据。但断裂力学无法分析宏观裂纹出现前材料中的微缺陷或微裂纹的形成与发展对材料力学性能的影响，而且许多微缺陷或微裂纹并不都能简化为宏观裂纹。经典的固体力学理论虽然完备地描述了无损伤材料的力学性能（弹性、粘弹性、塑性、粘塑性等），然而，材料或构件的工作过程就是不断损伤的过程，用无损材料的本构关系描绘受损材料的力学性能显然是

4、不合理的。损伤力学旨在建立受损材料的本构关系、解释材料的破坏机理、建立损伤的演变方程、计算构件的损伤程度、从而达到预估其剩余寿命的目的。因此，它是经典的固体力学理论的发展和补充。损伤力学的内容和方法，既联系和发源于古典的材料力学和断裂力学，又是它们的必然发展和必要补充。损伤力学主要研究宏观可见缺陷或裂纹出现以前的力学过程，含宏观裂纹物体的变形以及裂纹的扩展的研究则是断裂力学的内容。所以人们常将损伤力学与断裂力学联结在一起，构成破坏力学或破坏理论的主要内容。与断裂力学的关系：*无耦合的分析方法：70年代末，损伤力学限制在只研究材料在宏观裂纹出现以前的阶段，当宏观裂纹出现以后则用断裂力学的理论和

5、方法进行研究。无耦合的分析方法*耦合的计算方法当宏观裂纹出现以后，材料的损伤对裂纹尖端附近及其它区域的应力和应变都有影响。耦合的计算方法损伤理论，是将固体物理学、材料强度理论和连续介质力学统一起来进行研究的。因此，用损伤理论导得的结果，既反映材料微观结构的变化，又能说明材料宏观力学性能的实际变化状况，而且计算的参数还应是宏观可测的，这一定程度上弥补了微观研究和断裂力学研究的不足，也为这些学科的发展和相互结合开拓了新的前景。*与细观力学的关系细观力学是直接研究材料的细观组元（即材料在光学或常规电子显微镜下可见的微细结构），利用多重尺度的连续介质力学的方法来研究经过某种统计平均处理的细观特征，并

6、需借助电子计算机巨大的运算能力和容量，才能模拟较复杂介质的力学行为。损伤力学不分别考虑某个微细缺陷，如位错、微孔洞、微裂纹等的影响，而是通过引入“损伤变量”来描述分布于整个材料介质内部的微细缺陷损伤，研究的重点是材料内部损伤的产生和发展引起的受损材料的宏观力学行为的变化。损伤力学、断裂力学和细观力学都是研究不可逆的破坏过程的科学，它们三者组成了从细观尺度直至宏观尺度描述材料破坏过程的破坏理论科学。3）损伤力学的发展历史损伤力学是近20年发展起来的一门新学科，是材料与结构的变形与破坏理论的重要组成部分。Kachanov在1958年研究金属蠕变过程断裂时，首次引入了“连续性因子”和“有效应力”的

7、概念来描述低应力脆性蠕变损伤。Rabotnov在1963年进一步引入了“损伤因子”的概念。他们采用连续介质力学的唯象方法来研究材料蠕变损伤破坏过程。Janson、Hult于1977年提出了损伤力学（damagemechanics）的新名词。70年代后期，法国的Lemaitre、Chaboche、美国的Krempl、Krajcinovic、日本的Murakami（村上澄南）、瑞典的Hult、英国的Hayhurs