[发明专利]一种韧性材料二维局部微缺陷群体损伤的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用损伤力学和固体力学守恒积分来测量韧性材料二维局部微缺陷群体损伤的方法。

背景技术

韧性材料如金属材料被广泛应用于工程结构。由于使用期间的各种意外，表面或者内部不可避免的出现局部的微缺陷群体损伤，许多损伤还是穿透性的，可以作为二维损伤处理。这些损伤直接影响着构件的安全和服役寿命。评价这些损伤的级别、稳定性、危险性非常重要。

M积分参量的最早提出可以追溯到半个多世纪以前英国著名学者Eshelby的开创性的工作。在以后的几十年里，人们逐步认识了其在断裂力学中的内在的物理意义及其应用前景，其表达式如下：

这里w，T_k，u_k和n_i分别表示应变能密度、力、位移向量和所选择的闭合积分路径C的外法线方向向量，而x_i则表示坐标向量。

在断裂力学的研究中，针对单裂纹问题，Budiansky和Rice[B.Budiansky，J.R.Rice.Conservation laws and energy release rates.ASME Journal of AppliedMechanics，vol.40，pp.201-203，1973.]已经指出围绕该整个单裂纹的M积分可以表征该单裂纹自相似扩展的能量释放率。众所周知，围绕裂纹单个裂尖的J积分，表征了该单个裂尖沿裂纹方向扩展的能量释放率。其作为韧性材料断裂韧性的参数，已广泛应用于航空航天器及大量工程结构的设计中，其几种测试方法也早已作为材料试验规范出现在美国材料试验协会(ASTM)及中国国家标准中。我们研究发现，M积分也是一个表征脆性材料损伤特性的参量，但其潜在的应用前景直到最近几年才逐步被发现的。然而，Chieng等人在我们工作基础上采用有线元方法对损伤的研究，并提出的M_C参数却是构型相关的，不是工程上可以直接使用的一个材料常数[Hu Y.F.，and Chen Yi-Heng，(2009)，M-integral div for a strip with two holes before and aftercoalescence，Acta Mechanica，Vol.204(1)，109-120；Hu Y.F.，and Chen Yi-Heng，(2009)，M-integral div for a strip with two cracks before and aftercoalescence，ASME Journal Applied Mechaics，Vol.76，November，061017-1-12.]。我们发现，仅仅两条裂纹或者两个孔洞这样的问题，M积分的临界值就和构型相关。可见，M积分参量尽管描述着微缺陷群损伤，但它必须做必要的修正方可应用到工程实际中去。这就需要引入新的参量，使得它们的结合可以对正交各向同性下的各种损伤区具有广泛的价值，由此提出损伤驱动力的新概念(Damage Driving Force)，方可在结构完整性评估中将发挥重要的作用。

基于M积分的相关测量技术：

二十多年前，King和Herrmann[R.B.King and Herrmann G..Application ofultrasonic stress measurements to nondestructive evaluation of the J integral inelast

1、M积分数值是和损伤区内的具体构型相关的。一种构型，例如，多空洞或者多裂纹，会测量出一种M积分的临界数值，没有统一的度量，无法直接应用到工程构件中去。

2、测量的M积分数值还和损伤区尺寸有关，同一块平板，相同的微裂纹构型，大的损伤区往往导致大的M积分数值。例如，相同尺寸的五个空洞(或者五条裂纹)比两个空洞(或者两条裂纹)的M积分值大(临界值小)。没有统一的临界值，需要引出微缺陷密度和损伤区尺寸的参数。

3、最为重要的是M_C并不是材料常数，没有普适性，这和韧性断裂力学中在一定限制条件下的J_C近似是材料常数大不相同。