李鵬 北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院

 

    研究背景

 

    在金屬材料中，應(yīng)力松弛是使結(jié)構(gòu)的性能顯著下降的一種常見方式。現(xiàn)代工業(yè)中，金屬材料的廣泛應(yīng)用， 以及對高安全性、高可靠性的更加關(guān)注，使我們不得不對應(yīng)力松弛現(xiàn)象引起重視。比如，在長期貯存條件下的導(dǎo)彈，螺栓結(jié)構(gòu)預(yù)緊力會隨著時(shí)間的增長逐漸變小，嚴(yán)重降低導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的可靠性。另外對于常處于高溫的工作環(huán)境下的金屬材料，應(yīng)力松弛現(xiàn)象就更加顯著。例如在核工業(yè)中，核電站汽輪機(jī)螺栓，工作溫度常在200℃以上，又由于存在較大的預(yù)緊力，就更容易發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，降低結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，甚至使結(jié)構(gòu)失效。在這種背景下，研究應(yīng)力松弛問題就有了現(xiàn)實(shí)意義。

 

    損傷力學(xué)近三十年來取得了快速發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于疲勞破壞等問題分析中，然而，將損傷力學(xué)與應(yīng)力松弛結(jié)合起來卻鮮有研究。目前對應(yīng)力松弛的研究多數(shù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加經(jīng)驗(yàn)公式的方法，是在表象上對應(yīng)力松弛問題進(jìn)行研究，無法反映出應(yīng)力松弛過程中，材料的本身性能會隨著應(yīng)力的下降產(chǎn)生退化這一事實(shí)。而將損傷力學(xué)與應(yīng)力松弛問題相結(jié)合，不僅能起到有效描述應(yīng)力松弛現(xiàn)象，并揭示在發(fā)生應(yīng)力松弛過程中材料本身力學(xué)性能如剛度等產(chǎn)生損傷和退化的這一現(xiàn)象，還為解決應(yīng)力松弛與其他環(huán)境因素耦合條件下對材料性能的損傷提供便利，為今后分析和解釋多場耦合下的、復(fù)雜的材料破壞機(jī)理提供統(tǒng)一的衡量因子。

 

    本文基于以上思想建立了基于損傷力學(xué)的金屬應(yīng)力松弛的力學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，這種思想能有效描述應(yīng)力松弛現(xiàn)象，充分說明了損傷力學(xué)的在描述力學(xué)問題中的廣泛適用性。本文的應(yīng)力松弛損傷模型是通過對應(yīng)力松弛特點(diǎn)的分析下提出的假設(shè)模型，其模型形式并非唯一，可以根據(jù)描述問題的特點(diǎn)進(jìn)行合理假設(shè)。而且本文假設(shè)模型僅適用于存在明顯應(yīng)力松弛極限條件下的應(yīng)力松弛問題，對于少數(shù)無應(yīng)力松弛極限的情況，可以對模型進(jìn)一步改進(jìn)。