損傷力學
編輯損傷力學關注材料損傷的表示或建模,適用于對材料的起爆、傳播和斷裂進行工程預測,而無需訴諸對于實際工程分析而言過于復雜的微觀描述。
損傷力學說明了對復雜現象建模的典型工程方法。 引用 Dusan Krajcinovic 的話,人們經常爭辯說,工程研究的最終任務與其說是提供對所檢查現象的更好洞察,不如說是提供適用于設計的合理預測工具。 損傷力學是應用力學的一個主題,它在很大程度上依賴于連續介質力學。 大多數關于損傷力學的工作都使用狀態變量來表示損傷對由于熱機械載荷和老化而損壞的材料的剛度和剩余壽命的影響。 狀態變量可以是可測量的,例如裂紋密度,或從它們對某些宏觀特性的影響推斷出來,例如剛度、熱膨脹系數、剩余壽命等。狀態變量具有激發進一步損壞的共軛熱力學力。 最初,材料是原始的或完整的。 需要一個損傷激活標準來預測損傷的發生。 損傷演化在開始后不會自發進行,因此需要損傷演化模型。 在類似可塑性的公式中,損傷演變由硬化函數控制,但這需要額外的現象學參數,必須通過實驗找到,這是昂貴、耗時的,而且幾乎沒有人這樣做。 另一方面,損傷公式的微觀力學能夠預測損傷的產生和演變,而無需額外的材料特性。
蠕變連續損傷機制
編輯當機械結構暴露在超過建筑材料熔化溫度三分之一的溫度時,隨時間變化的變形(蠕變)和相關的材料降解機制將成為結構失效的主要模式。 雖然這些變形和損壞機制起源于離散過程占主導地位的微觀尺度,但使用連續介質力學的形式最容易實現失效理論在宏觀構件上的實際應用。 在這種情況下,微觀損傷被理想化為在結構內所有點定義的連續狀態變量。 狀態方程被定義為控制損傷的時間演化。 這些方程可以很容易地集成到有限元代碼中,以分析復雜 3D 結構中的損傷演變,并計算在發生故障之前組件可以安全使用多長時間。
集中損傷狀態變量
L. M. Kachanov 和 Y. N. Robotnov 提出了以下蠕變應變 ε 和集中損傷狀態變量 ω 的演化方程:
? ˙ = ? ˙ 0 ( σ 1 ? ω ) n {\displaystyle {\dot {\epsilon }}={\dot {\epsilon }}_{0}\left({\frac {\sigma }{1-\omega }}\right){n}}ω ˙ = ω ˙ 0 ( σ 1 ? ω ) m {\displaystyle {\dot {\omega }}={ \dot {\omega }}_{0}\left({\frac {\sigma }{1-\omega }}\right){m}}
其中,ε ˙ {\displaystyle {\dot {\epsilon }}} 是蠕變應變率,ε ˙ 0 {\displaystyle {\dot {\epsilon }}_{0}} 是蠕變 -速率乘數,σ {\displaystyle \sigma } 是施加的應力,n {\displaystyle n} 是相關材料的蠕變應力指數,ω ˙ {\displaystyle {\dot {\omega }}} 是傷害累積率,ω ˙ 0 {\displaystyle {\dot {\omega }}_{0}} 是傷害率乘數,m {\displaystyle m} 是傷害 應力指數。
在這個簡單的例子中,應變率由冪律蠕變控制,隨著損傷的累積,損傷狀態變量會增強應力。 損壞項 ω 被解釋為承載區域的分布損失,這導致微觀尺度的局部應力增加。 失效時間是通過對從初始未損壞狀態 ( ω = 0 ) {\displaystyle (\omega =0)} 到指定的臨界損壞 (ω = ω f ) {\displaystyle left(\omega =\omega _{f}\right)} 。 如果 ω f {\displaystyle \omega _{f}} 被取為 1,這將導致對在恒定單軸應力 σ {\displaystyle \sigma } 下加載的結構的以下預測:
t f = 1 ( m + 1 ) ω ˙ 0 σ m {\displaystyle t_{f}={\frac {1}{\left(m+1\right){\dot {\omega } }_{0}\西格瑪{m}}}}
模型參數 ε 0 ˙ {\displaystyle {\dot {\epsilon _{0}}}} 和 n 是通過將零損傷下的蠕變應變率方程擬合到最小蠕變率測量值得到的。 模型參數 ω 0 ˙ {\displaystyle {\dot {\omega _{0}}}} 和 m 是通過將上述方程擬合到蠕變斷裂壽命數據得到的。
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