準脆性材料及復(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)分布的微細觀缺陷的介質(zhì)，并用一種損傷變量來描述這些微細觀缺陷對材料力學(xué)性能劣化過程的影響，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、擴展、匯合等劣化過程，也可以作為斷裂力學(xué)的重要補充和拓展，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)而不是從細觀和微觀層次上來考察損傷對材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響以及材料和結(jié)構(gòu)損傷演化的過程和規(guī)律，具有簡單和實用的優(yōu)點，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，分析巖石類準脆性材料和準脆性的纖維增強樹脂復(fù)合材料的損傷與破壞過程。 脆性和準脆性材料內(nèi)部的微裂紋在受到壓剪載荷作用時，上下裂紋面之間可能

3、會發(fā)生相對滑動，這種摩擦滑動作為一種不可逆耗散過程，一方面會影響材料內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化過程，另一方面會引起材料的塑性變形，從而對材料的損傷擴展產(chǎn)生重要影響；同時，材料的損傷過程也會影響這種摩擦滑動的程度。因此，材料的損傷與摩擦塑性兩種非線性機制常常是耦合在一起的，它們共同決定著材料的整個破壞過程。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、試驗和應(yīng)用研究還很不充分。本文考慮巖石類準脆性材料和復(fù)合材料微裂紋損傷特點和摩擦滑動

4、塑性的細觀機理，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-庫侖準則作為判斷閉合裂紋面是否滑動的條件，采用塑性理論中的混合硬化模型來確定塑性屈服面，與現(xiàn)有的摩擦誘導(dǎo)的塑性理論相比，本文模型的特點是不需要增加新的損傷變量，形式簡單，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，因此更為實用。 巖石類材料的損傷和破壞行為是相當復(fù)雜的，一些損傷力學(xué)模型可能給出簡單加載路徑下與實際或?qū)嶒炏?/p>

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準脆性材料在復(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，建立了一個新的更簡單的巖石類材料摩擦塑性與彈性損傷耦合模型，通過考核算例表明，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與無滑動相比可以使材料的承載能力嚴重下降。由

6、于裂紋面之間的滑動摩擦主要影響裂紋主軸方向上的剪切行為，而巖石類材料內(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)。 纖維增強樹脂復(fù)合材料屬于準脆性材料，由于不均勻性和各向異性，其破壞機理更為復(fù)雜。在連續(xù)損傷復(fù)合材料模型中，一般是用兩個或多個標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似的摩擦機理，這種摩擦同樣可能會對復(fù)

7、合材料及其結(jié)構(gòu)的破壞過程產(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對復(fù)合材料層板損傷和破壞的影響，解釋了剪切滯回效應(yīng)。通過算例分析表明，摩擦塑性可能嚴重影響復(fù)合材料層板在復(fù)雜載荷作用下的加卸載過程，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，進而影響整個層板的破壞過程。初步的數(shù)值計算結(jié)果指出，在某些循環(huán)載荷下摩擦塑性