準(zhǔn)脆性材料及復(fù)合材料的損傷與摩擦塑性耦合的研究.pdf

1、損傷力學(xué)是固體力學(xué)中的一個(gè)新的分支，與傳統(tǒng)的材料力學(xué)和斷裂力學(xué)不同，它將工程結(jié)構(gòu)材料看作是內(nèi)部充滿大量連續(xù)分布的微細(xì)觀缺陷的介質(zhì)，并用一種損傷變量來(lái)描述這些微細(xì)觀缺陷對(duì)材料力學(xué)性能劣化過(guò)程的影響，這是一種更為精確的結(jié)構(gòu)破壞理論。損傷力學(xué)主要研究材料內(nèi)部出現(xiàn)宏觀裂紋之前的微觀缺陷的成核、擴(kuò)展、匯合等劣化過(guò)程，也可以作為斷裂力學(xué)的重要補(bǔ)充和拓展，分析帶有微觀缺陷的結(jié)構(gòu)中的宏觀裂紋力學(xué)行為。在損傷力學(xué)的研究方法中，比較常用的是連續(xù)損傷力學(xué)方法

2、，即宏觀唯象學(xué)方法，它利用了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和不可逆熱力學(xué)等基本原理，著重從宏觀現(xiàn)象出發(fā)而不是從細(xì)觀和微觀層次上來(lái)考察損傷對(duì)材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響以及材料和結(jié)構(gòu)損傷演化的過(guò)程和規(guī)律，具有簡(jiǎn)單和實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，在工程中的應(yīng)用中比較廣泛。本文采用連續(xù)損傷力學(xué)方法，考慮微裂紋面閉合及摩擦效應(yīng)建立損傷模型，分析巖石類(lèi)準(zhǔn)脆性材料和準(zhǔn)脆性的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的損傷與破壞過(guò)程。 脆性和準(zhǔn)脆性材料內(nèi)部的微裂紋在受到壓剪載荷作用時(shí)，上下裂紋面之間可能

3、會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，這種摩擦滑動(dòng)作為一種不可逆耗散過(guò)程，一方面會(huì)影響材料內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，另一方面會(huì)引起材料的塑性變形，從而對(duì)材料的損傷擴(kuò)展產(chǎn)生重要影響；同時(shí)，材料的損傷過(guò)程也會(huì)影響這種摩擦滑動(dòng)的程度。因此，材料的損傷與摩擦塑性兩種非線性機(jī)制常常是耦合在一起的，它們共同決定著材料的整個(gè)破壞過(guò)程。因此，摩擦塑性和損傷耦合的研究工作是需要的，目前這方面的理論、試驗(yàn)和應(yīng)用研究還很不充分。本文考慮巖石類(lèi)準(zhǔn)脆性材料和復(fù)合材料微裂紋損傷特點(diǎn)和摩擦滑動(dòng)

4、塑性的細(xì)觀機(jī)理，建立了一種摩擦誘導(dǎo)的塑性與損傷耦合模型。該模型利用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則作為判斷閉合裂紋面是否滑動(dòng)的條件，采用塑性理論中的混合硬化模型來(lái)確定塑性屈服面，與現(xiàn)有的摩擦誘導(dǎo)的塑性理論相比，本文模型的特點(diǎn)是不需要增加新的損傷變量，形式簡(jiǎn)單，物理意義清晰，可以較為方便地將摩擦塑性產(chǎn)生的影響引入到各種不同的損傷本構(gòu)模型中去，因此更為實(shí)用。 巖石類(lèi)材料的損傷和破壞行為是相當(dāng)復(fù)雜的，一些損傷力學(xué)模型可能給出簡(jiǎn)單加載路徑下與實(shí)際或?qū)嶒?yàn)相

5、符合的結(jié)果。Dragon等人基于不可逆熱力學(xué)框架建立的準(zhǔn)脆性材料的各向異性彈性損傷模型，可以較好地描述巖石類(lèi)準(zhǔn)脆性材料在復(fù)雜加載路徑下的的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)和損傷演化過(guò)程。利用該模型，與本文的摩擦塑性理論相結(jié)合，建立了一個(gè)新的更簡(jiǎn)單的巖石類(lèi)材料摩擦塑性與彈性損傷耦合模型，通過(guò)考核算例表明，該模型給出的結(jié)果與Dragon等人的結(jié)果是一致的。數(shù)值計(jì)算結(jié)果指出，在復(fù)雜加卸載路徑下，閉合裂紋面之間的摩擦滑動(dòng)與無(wú)滑動(dòng)相比可以使材料的承載能力嚴(yán)重下降。由

6、于裂紋面之間的滑動(dòng)摩擦主要影響裂紋主軸方向上的剪切行為，而巖石類(lèi)材料內(nèi)部裂紋的大小、方向以及作用在裂紋面上的壓剪載荷均與加卸載方式有關(guān)，因此由摩擦塑性造成的巖石類(lèi)材料承載能力的下降程度也與加卸載路徑密切相關(guān)。 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料屬于準(zhǔn)脆性材料，由于不均勻性和各向異性，其破壞機(jī)理更為復(fù)雜。在連續(xù)損傷復(fù)合材料模型中，一般是用兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)量描述橫向拉伸損傷和剪切損傷。復(fù)合材料內(nèi)部微裂紋面間也存在類(lèi)似的摩擦機(jī)理，這種摩擦同樣可能會(huì)對(duì)復(fù)

7、合材料及其結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程產(chǎn)生重要的影響。本文將摩擦塑性模型應(yīng)用于彈性和彈塑性復(fù)合材料損傷理論，討論了復(fù)合材料層板單層在剪切和組合加載下微裂紋面間的摩擦滑動(dòng)對(duì)復(fù)合材料層板損傷和破壞的影響，解釋了剪切滯回效應(yīng)。通過(guò)算例分析表明，摩擦塑性可能?chē)?yán)重影響復(fù)合材料層板在復(fù)雜載荷作用下的加卸載過(guò)程，出現(xiàn)明顯的滯回現(xiàn)象，從而改變復(fù)合材料內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)化，摩擦耗散可使損傷演化變緩，進(jìn)而影響整個(gè)層板的破壞過(guò)程。初步的數(shù)值計(jì)算結(jié)果指出，在某些循環(huán)載荷下摩擦塑性