材料损伤研究的热力学基础

第ｌＯ卷第２期　２０１０年４月　鸡两大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＪｌＸｌ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏ１．ＩＯ　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０１０　文章编号：１６７２—６７５８（２０１０）０２—００７４—２　混凝土冻融损伤机理研究　李　跃　摘要：通过对影响混凝土冻融损伤的力学、物理化学机理进行分析，为混凝土在恶劣条件下的耐久性　评估及寿命预测提供了一定理论依据，为工程设计和施工提供参考。　关键词：混凝土冻融损伤；物理化学机理；耐久性　中图分类号－ＴＵ３７７．９　文献标识码：Ａ　混凝土冻融破坏是我国北方地区混凝土工程的常见　的劣化现象。大量的研究表明［１—４］，造成混凝土冻融　剥蚀的主要原因是混凝土微孔隙中水，在温度正负交互　作用下，形成冰胀压力和渗透压力联合作用的疲劳应力，　从而使混凝土产生由表及里的剥蚀破坏，并导致混凝土　强度降低。为了更好的理解其冻融本质，本文从混凝土　的材料组成及微观的物理化学性能等方面对其抗冻性能　做一分析，以求对研究、设计和施工有所帮助。　１水泥浆冻融机理　冻融破坏属于物理作用，混凝土产生冻融破坏必须　有两个条件：一是混凝土必须与水接触或混凝土中有一　定的含水量；二是混凝土建筑物必须经受反复交替的正　负温度。　（１）水压力作用　当冰冻时多余水压力推动向附近气泡排除时，材料　本身将受到推移水分前进的反作用，可能导致材料（孔隙　器壁）受拉破坏。材料组织愈致密，对水流阻力愈大，这　是由于水流宣泄不及，疏导不畅引起的动水压力，计算如　公式①，水压力的大小一方面取决于材料组织，多孔性与　渗透性，另一方面与最邻近逃逸空间的位置有直接关系。　对于冰冻破坏最有决定意义的是其相邻气泡的距离，即　材料体内的孔隙大小及其位置分布，即水压力学说的临　界尺，如图ｌ，临界尺寸按照公式③）计算。　Ｐ：Ｏ—．ｏ９　Ｗ．ｄｍ【．删一ｄ２／２）　①　＾　式中：Ｐ一水压力；ｔ　一全部水（ｗｆ．ｍ为可冻水）；Ｋ一　水泥浆渗透系数；　一水泥浆层的半厚度（ｍ）；ｄ＿一位置　坐标；些　可冻水比率随温度变化率。　Ⅱ‘　水压力在空间分布上最大值ｄ＝Ｄ处（位于薄层中　央）　ｐ—　：　地　一只　～一　Ｋ　ｄｔ　２　一　ｒ　２ＫＢ　１　“　Ｄｃｒ　【ｏｏ．ｏ９　‘Ｊ　通过临界尺寸的图１所示可以看出水泥浆层可分为　两部分，外部临近逃逸边界Ｐ≤Ｂ处，多余水容易排出，因　而得到保护，所以是安全区，内部Ｐ＞Ｂ，水压力超过破裂　强度。这些是水泥浆在某一时刻的物理特性，随着水化　进展不断变动；而且临界尺寸愈大意味着水泥在抗冻方　面愈安全。　薄　层　多　余　水　向　两　侧　气　泡　逃　逸　捧　泄　ｄ　水泥浆薄层　

混凝土损伤本构理论研究综述

何建涛;马怀发;陈厚群

【摘 要】首先论述混凝土本构模型研究的重要性,并说明损伤力学理论较适于构建混凝土本构模型;然后对损伤变量的定义、损伤演化方程的确定、损伤本构模型的建立以及如何考虑不可恢复变形与率效应进行较为详细的论述;最后就混凝土损伤本构模型的发展方向提出了看法.

【期刊名称】《水利水电科技进展》

【年(卷),期】2010(030)003

【总页数】6页(P89-94)

【关键词】混凝土本构模型;损伤力学;率效应;综述

【作 者】何建涛;马怀发;陈厚群

【作者单位】中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京,100048;中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京,100048;中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京,100048

【正文语种】中 文

【中图分类】TV431

混凝土由于具有抗压强度高、耐久性好、适应性强、能够和钢筋较好地共同工作等优点,在很多领域得到了广泛应用。混凝土的力学性能受很多因素影响,非常复杂,目前主要采用试验和数值模拟2种方法进行研究。在数值模拟方法中,有限元法由于其适用性强而最为常用。然而,在采用有限元法研究混凝土结构的力学性能时,不可避免地会遇到一个问题,即如何构造合理的混凝土本构模型和相应的破坏准则。

目前,混凝土本构模型的研究主要采用弹性力学理论、塑性力学理论、内蕴时间理论、断裂力学理论、损伤力学理论以及上述理论的组合[1-3]。混凝土材料的性能在很大程度上取决于其内部微裂缝。在荷载作用下,混凝土内部的微裂缝会扩展和汇合,最后形成宏观裂缝,导致强度、刚度等性能的劣化甚至材料的破坏,即材料发生损伤。而损伤力学正是研究材料损伤的物理过程及其对材料行为影响的一门固体力学分支学科。根据特征尺度和研究方法,损伤理论分为微观、细观和宏观损伤理论[4]。其中,微观、细观损伤理论的研究虽已取得一定进展,但要实际应用尚存在相当难度,仍需进一步研究。宏观损伤理论(又称连续损伤力学或唯象损伤力学)假定材料均质、裂缝均布、损伤非局部,基于连续介质力学和不可逆热力学,在本构模型中引入损伤变量表征微观缺陷对材料宏观力学性质的影响,构造带有损伤变量的本构模型和损伤演化方程来真实地描述受损材料的宏观力学行为,通过试验拟合有关材料参数。由于微观、细观损伤理论是从微、细结构层次上研究损伤的形态和演化,而宏观损伤理论模拟的是材料微观、细观损伤的宏观响应,因此宏观损伤理论更容易被关心实际应用的工程人员所接受。

耦合损伤的混合强化材料模型

Lemaitre和Chaboche继承了Rabotnov的有效应力概念，在实验的基础上，基于连续介质热力学，假设材料存在能量势函数，并通过近似处理，导出了动力学本构方程和损伤演化律

Lemaitre-Chaboche模型被发现适用于金属材料，表达简洁，参数易于确定，容易通过试验验证模型的计算结果。在连续损伤力学和不可逆热力学框架下，以Lemaitre和Chaboche理论为基础，发展出了多种损伤演化方程。

本文基于由Lemaitre提出的损伤演化动力率与损伤势函数，同时考虑金属材料的强化作用以及包辛格效应，推导出了耦合损伤的混合强化材料本构方程。

A Combined isotropic and kinematic hardening model coupled with damage

Lemaitre and Chaboche inherited the effective stress concept (Rabotnov 1968) and proposed a

damage model. On the basis of experiments and continuum thermodynamics, Lemaitre and

Chaboche assumed there are state potential and dissipation potential in a certain material, from

which they can approximately derived the dynamic constitutive equation damage evolution law.

The Lemaitre and Chaboche damage model is found to fit for metal material. Its expressions are

I 摘 要 航空发动机压气机叶片在实际工作中主要承受两个方向的载荷，一个是叶片在高速旋转时产生的沿叶片展向的低频高应力的低周载荷，另一个是环境中不均匀且不稳定流场造成的垂直于叶片的高频低应力的高周振动载荷。所以压气机叶片的疲劳实际上是低周载荷叠加高周振动载荷的复合疲劳问题，压气机叶片在高低周复合疲劳载荷的作用下发生疲劳失效。Ti-6Al-4V钛合金材料由于其具有强度高、密度小、耐蚀性好等特点，一直是压气机叶片主要使用的材料。因此研究建立Ti-6Al-4V钛合金材料的高低周复合疲劳损伤寿命预测模型，并利用该模型进行压气机叶片的高低周复合疲劳损伤寿命预测具有重要的研究意义。 本文首先在连续损伤力学理论和不可逆热力学的基础上，推导建立了低周疲劳损伤模型、高周疲劳损伤模型和考虑高低周疲劳交互作用的高低周复合疲劳损伤模型。选择确定了非线性各向同性硬化模型和Chaboche非线性随动硬化模型组成的混合硬化模型来描述Ti-6Al-4V钛合金材料的弹塑性循环行为。高低周复合疲劳损伤模型与混合硬化模型一起构成了Ti-6Al-4V钛合金材料的高低周复合疲劳损伤寿命有限元预测模型。 其次，开展了Ti-6Al-4V钛合金材料的单轴拉伸、低周疲劳和高周疲劳试验。根据试验结果和数据，拟合获得了Ti-6Al-4V钛合金材料的高低周复合疲劳损伤寿命有限元预测模型的模型参数，从而得到了完整的预测模型。 将高低周复合疲劳损伤模型编写为USDFLD子程序耦合到ABAQUS有限分析软件中，分别对低周疲劳损伤模型和高周疲劳损伤模型进行了验证分析，与试验结果对比发现，低周疲劳损伤模型平均预测误差为3.878%，高周疲劳损伤模型平均预测误差为7.55%，模型预测结果与试验结果吻合良好。通过逆向建模的方法构建了压气机叶片的三维实体模型，并模拟了在最大转速为1440rpm、垂直于叶面的高周疲劳载荷幅值为0.5MPa的载荷条件下，不同高低周疲劳载荷循环比时的高低周疲劳损伤演化过程。模拟结果显示，裂纹首先从叶面根部两侧位置开始萌生，裂纹萌生寿命随着高低周疲劳循环比h的增大而快速降低。 关键词：高低周复合疲劳，压气机叶片，损伤力学，寿命预测