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损伤力学是固体力学中的一个新的分支,与传统的材料力学和断裂力学不同,它将工程结构材料看作是内部充满大量连续分布的微细观缺陷的介质,并用一种损伤变量来描述这些微细观缺陷对材料力学性能劣化过程的影响,这是一种更为精确的结构破坏理论。损伤力学主要研究材料内部出现宏观裂纹之前的微观缺陷的成核、扩展、汇合等劣化过程,也可以作为断裂力学的重要补充和拓展,分析带有微观缺陷的结构中的宏观裂纹力学行为。在损伤力学的研究方法中,比较常用的是连续损伤力学方法,即宏观唯象学方法,它利用了连续介质力学和不可逆热力学等基本原理,着重从宏观现象出发而不是从细观和微观层次上来考察损伤对材料的宏观力学性质的影响以及材料和结构损伤演化的过程和规律,具有简单和实用的优点,在工程中的应用中比较广泛。本文采用连续损伤力学方法,考虑微裂纹面闭合及摩擦效应建立损伤模型,分析岩石类准脆性材料和准脆性的纤维增强树脂复合材料的损伤与破坏过程。
脆性和准脆性材料内部的微裂纹在受到压剪载荷作用时,上下裂纹面之间可能会发生相对滑动,这种摩擦滑动作为一种不可逆耗散过程,一方面会影响材料内部的能量转化过程,另一方面会引起材料的塑性变形,从而对材料的损伤扩展产生重要影响;同时,材料的损伤过程也会影响这种摩擦滑动的程度。因此,材料的损伤与摩擦塑性两种非线性机制常常是耦合在一起的,它们共同决定着材料的整个破坏过程。因此,摩擦塑性和损伤耦合的研究工作是需要的,目前这方面的理论、试验和应用研究还很不充分。本文考虑岩石类准脆性材料和复合材料微裂纹损伤特点和摩擦滑动塑性的细观机理,建立了一种摩擦诱导的塑性与损伤耦合模型。该模型利用莫尔-库仑准则作为判断闭合裂纹面是否滑动的条件,采用塑性理论中的混合硬化模型来确定塑性屈服面,与现有的摩擦诱导的塑性理论相比,本文模型的特点是不需要增加新的损伤变量,形式简单,物理意义清晰,可以较为方便地将摩擦塑性产生的影响引入到各种不同的损伤本构模型中去,因此更为实用。
岩石类材料的损伤和破坏行为是相当复杂的,一些损伤力学模型可能给出简单加载路径下与实际或实验相符合的结果。Dragon等人基于不可逆热力学框架建立的准脆性材料的各向异性弹性损伤模型,可以较好地描述岩石类准脆性材料在复杂加载路径下的的应力应变响应和损伤演化过程。利用该模型,与本文的摩擦塑性理论相结合,建立了一个新的更简单的岩石类材料摩擦塑性与弹性损伤耦合模型,通过考核算例表明,该模型给出的结果与Dragon等人的结果是一致的。数值计算结果指出,在复杂加卸载路径下,闭合裂纹面之间的摩擦滑动与无滑动相比可以使材料的承载能力严重下降。由于裂纹面之间的滑动摩擦主要影响裂纹主轴方向上的剪切行为,而岩石类材料内部裂纹的大小、方向以及作用在裂纹面上的压剪载荷均与加卸载方式有关,因此由摩擦塑性造成的岩石类材料承载能力的下降程度也与加卸载路径密切相关。
纤维增强树脂复合材料属于准脆性材料,由于不均匀性和各向异性,其破坏机理更为复杂。在连续损伤复合材料模型中,一般是用两个或多个标量描述横向拉伸损伤和剪切损伤。复合材料内部微裂纹面间也存在类似的摩擦机理,这种摩擦同样可能会对复合材料及其结构的破坏过程产生重要的影响。本文将摩擦塑性模型应用于弹性和弹塑性复合材料损伤理论,讨论了复合材料层板单层在剪切和组合加载下微裂纹面间的摩擦滑动对复合材料层板损伤和破坏的影响,解释了剪切滞回效应。通过算例分析表明,摩擦塑性可能严重影响复合材料层板在复杂载荷作用下的加卸载过程,出现明显的滞回现象,从而改变复合材料内部能量的转化,摩擦耗散可使损伤演化变缓,进而影响整个层板的破坏过程。初步的数值计算结果指出,在某些循环载荷下摩擦塑性是影响复合材料疲劳损伤累积的重要因素。