基于构型力学描述材料损伤和失效的新准则

The effective and appropriate failure criteria to predict the damage and failure of multi-defected material are unavailable within the frame of traditional damage mechanics and fracture mechanics. The present research is to propose the new damage and failure criteria based on the theory of material configurational mechanics. First, the concept of material configurational stress is used to describe the defect configuration evolution and the material damage evolution and further it is used to predict the damage process of material such as initial crack, crack expansion, crack coalescence et al. Second, a new failure criterion is proposed via the concept of invariant integrals. The complicated theoretical formula is simplified to meet the requirement of engineering application which is used to perform the real-time evaluation of failure of material. Finally, the experimental measurement of configurational damage parameter and invariant integral failure parameter are proposed by digital image correlation (DIC). The present project innovatively adopts the material configurational stress as the inner variable to describe the damage evolution while the invariant integrals as the outer variable to predict the final failure of material. The newly proposed damage and failure criteria can solve the problem of multi-defected material where the traditional damage mechanics and fracture mechanics are unable. The final goal is to assess the levels of damage and failure of engineering structure and material by the proposed criteria.

对于含复杂缺陷的工程材料损伤与失效问题，传统的损伤力学和断裂力学并没有一套行之有效的判定准则。本课题将基于材料构型力学理论建立材料的损伤与失效新准则。首先，利用构型应力概念表征材料缺陷构型变化以及材料损伤演化过程，进而描述缺陷在载荷作用下的启裂、扩展、聚合等损伤过程；其次，基于守恒积分概念建立材料宏观失效的判定准则，把复杂的理论公式简化到实际工程应用水平，以有效地对材料的破损状态进行实时评估；最后，利用数字散斑相关技术，开发一种含复杂缺陷材料的构型力损伤准则参数和守恒积分失效准则参数的实验测量方法。本项目创新性地利用材料构型应力张量作为内变量描述材料内部的损伤演化，利用守恒积分作为外变量描述结构材料的最终失效。其最终建立的微观损伤演化与宏观材料失效的新判定准则，可以解决传统损伤力学和断裂力学无法解决的含复杂缺陷破坏问题，最终目标是应用于工程材料和结构的损伤与失效评估。

本项目从材料构型力学理论出发，基于构型应力张量发展出新的"内变量理论"描述材料的损伤演化；利用守恒积分作为"外部变量"，建立材料失效新准则；并开发构型应力损伤参数和守恒积分失效参数的实验测量方法。主要研究内容及重要结论包括：.[1]基于构型力学的新材料损伤模型。研究中，区别于传统损伤力学中内变量的概念（如：等效密度，孔洞体积比等），采用构型力作为物体不可逆损伤过程的内变量，该模型可用于描述任何细观结构缺陷引起的材料劣化过程。.[2]研究中提出了一种描述复合型疲劳裂纹扩展规律的新模型，开发了构型力的有限元计算程序，实现疲劳裂纹扩展的数值模拟。该模型不仅能计算裂纹扩展寿命，而且还可以预测复合型裂纹的扩展方向。.[3]研究中提出一种基于M-积分的材料等效损伤面积/体积标定方法，提出复杂微缺陷构型的损伤水平以具有相同M-积分值的圆孔面积或球孔体积来标定，从而实现不同类型微缺陷真实损伤水平的统一表征，有益于工程材料及结构的损伤容限设计及完整性评估。.[4]基于M-积分提出了一个材料失效新准则，用于描述双轴载荷作用下多缺陷弹塑性材料的损伤失效。研究发现，基于M-积分的无量纲∏-参数的临界值并不是一个材料常数，而是与双轴载荷比有关的参数，且双轴载荷比在泊松比附近时，材料损伤最明显，相应的载荷模式在工程实际中应该避免。.[5]研究中利用材料构型力学中的守恒Jk-积分，分析了热生长氧化物在热载荷作用下的热生长、热失配应变对陶瓷顶层中表面裂纹的屏蔽/反屏蔽及偏转影响规律。本研究旨在利用解析的方式来研究热生长氧化物高温氧化生长行为对热障涂层系统失效影响因素的规律，有益于指导热障涂层的结构及材料设计。.[6]研究中针对含缺陷铁电材料的失效原理，基于相场法理论，发现极化场的畴变扩散是从电极尖端开始并逐渐向外扩散开的，极化场和应力场的演化都具有出蠕变的特性，验证了构型力作为一种断裂性能判定准则的可靠性。. 2015-2018年，本项目的研究方法和相关成果将为含多缺陷材料或结构的强度分析提供理论支撑，为结构优化和性能设计提供有益指导。累计在国内著名期刊IJF，EFM，TAFM等权威期刊发表论文21篇，SCI论文16篇。2015年获陕西省自然科学一等奖（第二完成人）。2016年出版专著《高等断裂力学》。