斷裂與損傷力學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用

【摘要】斷裂力學(xué)是固體力學(xué)的新分支，斷裂力學(xué)作為一門真正的學(xué)科，還只是近十幾年的事。但它發(fā)展異常快速，是目前固體力學(xué)中最活躍的一個(gè)分支，在許多工程技術(shù)部門都產(chǎn)生了重大的影響，體現(xiàn)了它巨大的生命力量，已經(jīng)被廣泛地用來(lái)解決各種工程實(shí)際問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)外都有不少應(yīng)用斷裂與損傷力學(xué)解決工程成功的案例。隨著科技的發(fā)展，我們逐漸的把斷裂與損傷力學(xué)應(yīng)用到了混凝土的領(lǐng)域，并也取得了一定的成就。由于斷裂力學(xué)還是新興學(xué)科，歷史還比較短，在實(shí)踐方面還有很多經(jīng)驗(yàn)不足。

【關(guān)鍵詞】斷裂與損傷力學(xué)；基本理論；斷裂準(zhǔn)則

斷裂與損傷力學(xué)作為一門真正的學(xué)科，還只是近十幾年的事。在最近的幾十年里，在第二次世界大戰(zhàn)之后，隨著設(shè)備和結(jié)構(gòu)的大型化、設(shè)計(jì)應(yīng)力的提高、高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度材料的使用、焊接工藝的普遍采用以及設(shè)備與結(jié)構(gòu)使用條件的嚴(yán)酷化（溫度、介質(zhì)、原子輻照、栽荷變動(dòng)等），常規(guī)強(qiáng)度理論發(fā)生不合理的情況日益變多。按原來(lái)的理論思想設(shè)計(jì)的設(shè)備或結(jié)構(gòu)，會(huì)在短期內(nèi)發(fā)生災(zāi)難性的破壞。斷裂力學(xué)應(yīng)用力學(xué)起步于結(jié)構(gòu)和材料，由于斷裂與損傷力學(xué)與結(jié)構(gòu)和材料直接相關(guān)，雖然歷史很短，但已經(jīng)解決了不少的工程實(shí)際問(wèn)題。損傷力學(xué)只是固體力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，是遇到實(shí)際工程意義而產(chǎn)生的。它經(jīng)歷了從無(wú)到有的過(guò)程，是一個(gè)非常熱門的學(xué)科。

1、斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的應(yīng)用

1.1 巖石斷裂與損傷力學(xué)

巖石破壞類型可以分為縱向破壞、剪切破壞、拉伸破壞。縱向破壞主要是在極限抗壓情況下，產(chǎn)生與軸向一致的裂縫，與受力方向一致。在圍壓和軸壓的共同作用下會(huì)出現(xiàn)剪切變形，裂縫與主應(yīng)力方向呈現(xiàn)一定的夾角就是剪切變形。這種破壞類型大都出現(xiàn)在地表斷層和地震受損的房層中。拉伸破壞是在軸對(duì)稱中心受拉所產(chǎn)生的破壞，破壞面有很明顯的分離，破壞面與破壞面之間有較大的錯(cuò)層。巖石斷裂力學(xué)是研究巖石介質(zhì)的不均勻性對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞程度的大小，因此它要面臨受壓、受拉等多種不同情況。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，閉合裂紋大都是受壓過(guò)程產(chǎn)生的，閉合裂紋有以下特征： 1）剪切破壞，是因?yàn)閮蓚€(gè)裂紋面之間只產(chǎn)滑移。2） 由于裂紋面的本構(gòu)關(guān)系，隨著摩擦的增大，變形呈非線性關(guān)系，與此同時(shí)它還會(huì)影響裂紋最尖端部位的發(fā)展。通過(guò)做大量的平板實(shí)驗(yàn)，受壓裂紋總是出現(xiàn)以下的特性： 在裂紋開口處開始擴(kuò)展，最開始的方向與裂紋方向不一致，總是會(huì)錯(cuò)開很大的角度； 裂縫的延伸呈現(xiàn)一條曲線狀，一直延伸到最大壓力處。閉合裂紋的延伸會(huì)出現(xiàn)一定的張性，使得受壓構(gòu)件一部分體積增大。當(dāng)這些裂紋都同時(shí)擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)使整個(gè)構(gòu)件都在不規(guī)則的增大。在承受一定量的壓力條件下，裂紋是不會(huì)擴(kuò)展的，只有在增大荷載時(shí)，構(gòu)件的裂紋才會(huì)繼續(xù)延伸。

1.2 斷裂力學(xué)的老齡鋼橋剩余壽

評(píng)價(jià)鋼橋是不是安全的以及它的剩余使用壽命，首先就要識(shí)別鋼橋的哪些構(gòu)件會(huì)導(dǎo)致橋梁的承重不足和破壞，根據(jù)上面的結(jié)論可以得出4個(gè)類型構(gòu)件：①串聯(lián)構(gòu)件，只在縱向承受荷載，橫向不承受荷載；②冗余構(gòu)件，它是存在超靜定結(jié)構(gòu)中的，相對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)多出來(lái)的約束，這些構(gòu)件的損壞不會(huì)立馬使橋梁受損；③次要構(gòu)件，主要是負(fù)責(zé)把力傳給主要構(gòu)件，當(dāng)它們受到破壞時(shí)，會(huì)增加主要受力桿件的負(fù)擔(dān)；④橋面系，它的損壞對(duì)整個(gè)橋梁的受力基本沒(méi)有什么影響，只會(huì)影響局部。

2、微裂縫的演化

構(gòu)件中的裂縫不會(huì)隨便延伸的，它最開始是在裂縫尖端的微裂縫中產(chǎn)生的，在臨界狀態(tài)下這些微裂縫開始延伸，一直延伸到宏觀裂縫處并與它們合并成一處裂縫。微裂縫剛開始時(shí)并不多，是相互獨(dú)立的。隨著裂縫數(shù)量的增多，微裂縫之間的相互作用就不能忽略。巖石的破壞大致分為兩個(gè)階段： 第一階段，微裂紋的不規(guī)律產(chǎn)生； 第二階段，隨著力量的逐漸增大，裂縫不斷的延伸，最后合并成為一處，這個(gè)時(shí)期的裂紋發(fā)展數(shù)度相當(dāng)快，呈現(xiàn)出一種不穩(wěn)定的破壞狀態(tài)。微裂縫先是在大面積的產(chǎn)生，然后通過(guò)相互作用，逐漸合并成為一個(gè)裂紋。裂紋端部裂縫寬度最小，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，也會(huì)是最先發(fā)展的地方。微裂縫一般是不會(huì)延伸的，只有隨著荷載的增大裂縫才會(huì)開始延伸。微裂縫內(nèi)部集中區(qū)的區(qū)域比外部集中區(qū)要小很多，因此微裂縫內(nèi)部集中區(qū)的應(yīng)力也要比外部集中區(qū)要大很多。

結(jié)語(yǔ)：

在工科領(lǐng)域中，斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的研究前景是非常有潛力的，是有很大的研究方向的，斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)在各行業(yè)的研究并出現(xiàn)一系列的成果會(huì)給各個(gè)工科行業(yè)帶來(lái)很大的進(jìn)步。從而推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步，人類的發(fā)展，由于斷裂力學(xué)能對(duì)材料進(jìn)行安全性分析，現(xiàn)在對(duì)這個(gè)行業(yè)就越來(lái)越重視了。目前線彈性力學(xué)發(fā)展得較為成熟，已經(jīng)在很多行業(yè)得到了應(yīng)用，發(fā)展得比較迅速，它是當(dāng)前斷裂力學(xué)的主要研究方向之。斷裂動(dòng)力學(xué)是一門新出現(xiàn)的學(xué)科，對(duì)于線性材料還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)它的探索；對(duì)于那些非線性的材料，研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。尋找到更好的數(shù)據(jù)規(guī)律，進(jìn)一步做大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)更有價(jià)值的事也是我們需要解決的事。

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