非均质材料断裂问题的构型力理论

Inhomogeneous materials have been widely used in the engineering for the desired functionality through the flexible design of composition and structure according to the real service demand. However, there are few effective fracture theories dealing with the crack problems of inhomogeneous materials due to its inhomogeneity and discontinuity. The present project is to establish the configurational force theory in fracture mechanics of inhomogeneous materials accounting for the great advantage of material configurational mechanics to treat the problems of inhomogeneity. First, the constitutive equations and damage evolution equations of inhomogeneous materials are deduced according to the law of thermodynamics where the material configurational forces are adopted as initial variables of irreversible damage process. These damage constitutive equations are universal and can be used to describe the degradation process induced by the damage and fracture of inhomogeneous materials. Second, the damage evolution laws of inhomogeneous materials with deformation or time under various loading conditions are investigated to search the effective governing parameters of the crack problem and the fracture mechanism of inhomogeneous materials. Finally, a series of applications of configurational force theory are made to deal with the crack problems in inhomogeneous materials. Moreover, the strength theory based on the configurational force makes it possible for the strength checking and life prediction of inhomogeneous material used in engineering structures and provides a strong tool to solve the problems during structure optimization and performance design of inhomogeneous materials.

非均质材料可根据使用的服役需求，对其组成、结构等进行灵活设计而达到预期的功能要求，现已广泛应用于工程实际中。但由于其非均匀特性，目前尚缺乏有效的断裂理论方法对其强度进行正确地评估预测。本项目将充分利用构型力在处理非均质性问题中的优势，建立描述非均质材料断裂问题的构型力强度理论，为解决非均质材料断裂问题提供一个强有力的工具。首先，通过选取材料构型力作为热力学内变量，获取非均质材料的损伤本构演化方程，建立描述非均质材料损伤和断裂的统一性分析方法；其次，给出非均质材料在各种加载条件下，材料内非均质体随着变形或时间的损伤演化规律，寻求非均质材料断裂问题的有效控制参数，揭示非均质材料的断裂机理；最后，开展构型力理论在非均质材料断裂问题中的若干具体应用。针对非均质材料断裂问题的构型力强度理论，可最终实现工程结构中非均质材料的强度校核和寿命预测，为非均质材料的结构优化和性能设计提供理论支撑。

本项目基于材料构型力学理论，选取材料构型力作为热力学内变量，获取非均质材料的损伤本构演化方程，建立描述非均质材料损伤和断裂的统一性分析方法。主要研究内容及重要结论包括：.[1]基于构型力学的非均质材料损伤模型。研究中，区别于传统损伤力学中内变量的概念，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。.[3]基于M积分的非均质粘弹性材料断裂问题。采用M积分表征非均质粘弹性材料在承载过程中的多缺陷损伤行为。针对典型的粘弹性材料复合固体推进剂，讨论了M积分表征的固体推进剂中得裂纹扩展行为。.[4]基于构型力的挠曲电材料断裂问题。基于构型力的物理意义，建立挠曲电性铁电材料的断裂性能表征方法及损伤演化的断裂准则，探讨挠曲电材料效应影响下铁电材料的断裂机理，为挠曲电性铁电材料在智能结构中得应用和优化设计提供有价值的理论基础。.[5]研究中提出了一种基于构型力的复合型弹塑性疲劳裂纹扩展规律的新模型，开发了有限元计算程序，实现疲劳裂纹扩展的数值模拟。该模型不仅能计算弹塑性疲劳裂纹扩展寿命，而且还可以预测复合型弹塑性裂纹的扩展方向。.[6]基于构型力的界面损伤及断裂问题。基于双弹性体的能量分析，给出界面材料构型力表达式，通过构型力的离散化方法，实现了其在有限元中的数值计算。定义构型力为界面损伤变量，建立了基于构型力的损伤演化模型来描述界面的损伤失效问题。.2018-2021年，本项目的研究方法和相关成果将为非均质材料的断裂问题分析提供理论支撑，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，IJSS等权威期刊发表论文26篇，SCI论文20篇。