固體力學應用研究的發展趨勢

2017-02-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

導讀:與整個力學學科一樣,固體力學兼具技術科學與基礎科學的屬性,它既為工程設計和發展生產力服務,也為發展自然科學服務。因此探討固體力學的發展趨勢可以從應用研究和學科研究兩個角度進行。本文首先討論應用研究發展趨勢。

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1、工程技術的跨世紀發展態勢

工程技術的跨世紀發展的特征是:

① 工業文明從機器時代轉入信息時代。在硬件上導致各種精微力電系統的出現,在軟件上需求大規模并行計算技術,在安全運行上提出更高的可靠性要求。

② 人類將追求更干凈的環境和更清潔的能源。快中子堆技術、高壩技術和高功率水力發電技術將成為引導我國走向能源現代化的關鍵技術。

③ 人類將對防災、減災和改善事故安全提出更高要求,由此需要對老齡工程結構和運輸工具進行更科學的安全評估。

④ 高新技術材料和仿真材料將大量出現,集傳感功能和驅動功能為一身的智能型結構材料將進入各種用途。人們將在細微觀力學原理下指導精細制造工藝和材料設計。

⑤ 航空與航天工程將呈持續發展勢頭。設計和研制空天飛機和高超音速客機提出了新的固體力學課題。

⑥ 生物醫學工程和生命系統仿真技術將由定性的功能開發階段轉向定量的分析、實驗和模擬階段。

長期以來,固體力學始終與土建、機械、船舶、航空等工程技術緊密結合,這個結合今后還將繼續加強。與此同時,在全世界高新技術迅速發展的今天,概括上述工程技術的跨世紀發展態勢,固體力學將與材料科學、微電子微機械工程(或稱微力電系統)與精密制造工藝這三個重要工程技術領域形成新的密切結合點,并引導具有重大工程意義的技術突破。

與此同時,固體力學將在基礎設施建設、能源工程、航空航天工程取得新的技術進展,建立新一代航空航天結構的強度設計準則和確保老齡運輸工具和能源結構的安全運行評價標準。在21世紀上半葉,固體力學將滲入和指導生物醫學工程和生命仿真技術的進展。

大型基礎設施建設,運載工具發展,加工工藝精細化,以及微電子元件、微機械等新技術的出現,提出了眾多的實驗力學問題。例如橋梁鋼索的張力,橋塔的變形監測;水壩因湖汐的變形和長時變形;超高建筑的抗振性能和風載下的變形;艦艇受沖擊波或高壓下的變形和強度問題;航天工程中火箭的整體振動,飛船對接的碰撞;低溫工程中的材料在極低溫度下的力學性能;微電子封裝的可靠性分析;核電站結構的安全監測;無損檢測等等。

上述問題為工程中的實驗力學量測提出了要求:如殘余應力、熱應力的測量,細微觀應力與變形測量,材料在極端條件下力學性能的測量等。在上述測試要求中,一部分已列入規范,但部分的力學測試有待更新和探索。

2、材料科學與固體力學

材料科學領域在本世紀末期出現了百舸爭流的繁榮態勢,涌現了包括超導材料、鐵電靈敏材料、精細高韌性陶瓷、高性能結晶控制合金、金屬間化合物、形狀記憶合金、高強韌性高分子材料、功能梯度材料等一批新技術材料,以適應各種高技術發展的要求。固體力學與材料科學相結合所取得的典型成功例子包括:

① 發展了以Si3N4、SiC、Al2O3及ZrO2為代表的新型結構陶瓷,其抗彎強度從100MPa提高到2500MPa,應力強度因子K從5MPam1/2提高到30MPam1/2。這一發展是與材料強韌化力學原理的指導緊密相關的。

② 熱致液晶高聚物與熱塑性樹脂在分子水平上的原位復合是近年來增強塑料合成途徑的重要突破,制成了基體強度和模量提高2至3倍的所謂21世紀塑料或超級工程塑料。

③ 作為材料強韌化力學原理指導作用的一個里程碑,美國在戰略防御計劃中推出太空抗強沖擊輕型鋁基/碳化硅晶須加強復合材料,采用碳化硅晶須的蜂窩狀排列而構成增韌層與增強層網絡交布的最佳細觀力學設計,使其沖擊韌性超過常規材料的20至100倍。

④ 具有超硬、強韌化性能的薄膜、多層膜類微細結構的力學行為研究(包括在力學場作用下的功能行為)已成為本世紀末的新熱點。

綜上所述,由于材料科學與力學、物理學、計算機科學的交緣,由于若干類新型強韌結構材料的誕生,由于制約結構材料強韌性的一些基本規律的發展,在強韌化力學原理的指導下,結構材料領域在本世紀末可能會取得突破性的進展。

目前國際上在結構材料的強韌化力學原理研究方面取得的學科突破有:

① 提出了相變塑性、延性相誘發耗能、裂紋面橋聯等對脆性基體的增韌機理與模型,并運用于結構陶瓷和結構高分子材料。

② 建立了制約微孔洞和微裂紋形成和演化的細觀損傷理論,并已應用于金屬、陶瓷和混凝土材料的本構描述與強韌性計算。

③ 界面力學的興起以及對纖維、晶須增強、延性界面、復合相增韌的研究。界面韌性的適度設計思想及復合材料鍍層技術在強韌化設計中得到應用。

④ 納米材料和納觀力學(nanomechanics)飛速發展。原子移位技術的出現,使材料原子結構設計制造和原子固體力學的輝煌前景得以展現。

目前在材料與微結構強韌性力學原理這一研究領域所存在的兩個主要問題是:

① 對強韌化原理的研究水平還停留在“分析解釋材料的力學行為”這一階段; 還未能達到“定量設計和試制具有高性能的各類材料”這一更高的境界。

② 強韌化力學原理的運用還停留在唯象力學的層次,未能進入將宏觀力學參量與微觀物理事件相定量貫通的物理力學層次。

固體力學的方法論不僅適用于研究結構材料的力學性能,也可運用于研究其他電、磁、熱、光學等性能。固體力學的研究對象已從結構材料拓展至功能材料,并在靈敏、智能材料的本構響應與變位控制,微電子材料可靠性,多層外延超晶格材料的位錯控制等方面取得了初步研究成果。固體力學面臨的另一重要挑戰在于將對塊體材料的研究推廣至薄膜和納米材料的研究。

材料內部初始就可能有宏觀或細觀缺陷。實驗固體力學研究的一個重要任務在于開展對材料內部缺陷的演變的實驗研究,以此為基礎建立從損傷直至破壞的理論模型。

光學透明材料可以用眾多的方法來研究,如光彈性、全息光彈、散斑散射等。對光學不透明材料,聲波、毫米波、同步輻射光和射線,都是可以用于給出內部信息的波。各種波的全息術、層析照相或顯微層息照相,能給出空間分辨率很高的內部信息。關鍵是接收器的分辨率、加載機構的精確和計算軟件的優劣。光聲光熱效應也是獲取材料性質和內部缺陷的有力手段。

3、微機電系統

信息科學與技術是高新技術的關鍵之一,也是跨世紀科學發展的主流之一。微電子技術中,大規模和超大規模電路的微型化是技術發展的一個主流。

近年來,出現了微機械和微傳感器。由具有感知功能的微傳感器,具有電腦功能的微電子元器件,及具有致動功能的微執行器可組成一個集感官、思維、動作為一身的微機電系統。這一組合展現了微機械人的前景,可能帶來新的工業革命。這一聯合學科的研究在國際上稱為“Mechtronics”,標志著固體力學研究領域的拓寬。與此相關的多媒體力學量測技術和鐵電致動器細微力學加載技術也必然引起實驗力學的突破性進展。

從80年代起,微電子元器件的幾何構形開始從基底上的單層亞微米薄膜發展為數百層疊合膜。集成電路失效的重要原因在于未處理好力學、熱學和電學的耦合效應。因此多層微電子元器件及封裝的熱失配、變形、損傷、細觀斷裂和焊點破壞的研究及內導線(interconnects)的電遷移研究,對于高可靠性的器件及封裝的失效防范是十分必要的。

在中國微電子產業的跨世紀發展中,將形成微電子機械系統(MEMS)的新領域。微細加工工藝、微致動技術、微機電系統的設計、微機械的應用等分支提出了涉及材料、微機構、微傳感、微制動、微加工工藝等細觀力學研究課題。

這一領域已成為美、日等國高技術競爭的前沿。國內研究正在起步,在薄膜力學,光電學缺陷觀察、電遷移損傷、穿層位錯引致失效、鐵電致動器斷裂疲勞研究等方面取得了一定的研究進展。

4、精細加工

精細加工與傳統的機械加工不同,需要考慮材料的細微觀形態,以及加工歷史所可能造成的影響,因此需要引入細微觀力學的定量描述。精細加工技術包括:①伴隨有相變過程(液-固或固-固)的加工工藝;②激光加工過程;③原子移位技術;④晶界工程;⑤成形過程的織構動力學;⑥薄膜與界面的沉積過程;⑦精密機械加工。

綜合利用細微觀的力學、熱學與物理學的知識將為該領域的發展提供定量的分析框架。其中一個重要的方向為研究材料微結構在制造與加工過程的演化,包括形貌演化、相結構演化、缺陷結構演化等。此外,薄壁結構加工中的非線性動力學包括塑性穩定性和結構演化;連續鑄造與橡塑成形過程則要研究流固狀態共存的情況。

5、能源工程

能源緊張已成當今人類面臨的最嚴重問題之一,能源問題對我國更顯得緊迫。石油勘探,深層煤資源利用,太陽能、風能、潮汐能的開發,近海能源的海洋工程,尤其是即將修建的三峽工程,都對力學特別是固體力學提出新的挑戰。其典型問題包括減災力學研究、高壩失效模式仿真、超大功率水電機械強度失效分析、三峽船閘高邊坡穩定問題等。

快中子增殖堆,由于壁厚薄、工作溫度高,需要研究如蠕變與疲勞交互作用、高溫蠕變損傷、地震誘發的動力失穩、液態鈉晃濺與固體結構的相互作用、假想堆芯爆炸等失效模式。這問題已成為每兩年一屆國際反應堆結構力學(SMIRT)大會的重要議題。

6、航空航天與交通工程

在20~21世紀之交,將可能出現高超音速飛機和空天飛機等新一代的航空運輸工具,并對復合材料的力學設計,復合材料構件的成形加工,耐高溫材料研制,結構強度設計,缺陷識別反問題和可靠性分析,高超音速下的振動噪聲控制,航天器的循環熱匹配等提出新的要求。

交通工具的高速化也反映在地面和海洋運載工具上。高速鐵路和高速公路將成為我國跨世紀期間基礎設施建設的重點。列車高速運行時,振動、摩擦、撞擊磨損等對固體力學提出更高的要求。汽車運行的高速化可能造成更多撞車事故,需要在中國開展耐撞性(crash-worthiness)研究,涉及到沖擊力學和塑性動力學等領域。高速公路的施工質量和路面龜裂的問題涉及對路基、道路載荷譜和路面材料細觀結構進行綜合力學設計。對已服役路面的損傷監控也要根據實時測量和力學反問題分析來解決。

7、老齡工程結構的安全評估

我國從50年代起開始進行大規模工程結構建設。到世紀之交,很多航空、能源、石油化工、民用建筑結構將陸續進入老齡期。老齡結構的安全評估最近被提到了一個突出重視的地位。如美國DARPA和ONR去年把老齡飛機(aging aircafts)的安全評估確立為近期固體力學應用研究的兩個重點之一。

核電站主壓力回路和鍋爐及石油化工壓力容器的老齡化也是與固體力學有關的一項關鍵問題。美國核管會(NRC)將中老齡核電站的運行安全列為最重要的未解決安全問題。美國時代周刊在科學欄里以突出的地位對此進行了報道。近期發展的漏后斷(LBB)準則被認為是集熱工流體力學與彈塑性斷裂力學之大成而處理這一問題的范例。我國大量的鍋爐和壓力容器在長期的應力、腐蝕和疲勞作用下已進入老齡階段,也存在應用研究的課題。

8、巖石力學與工程應用

巖石力學探討巖石在其周圍物理和工程環境中變形、強度和破壞的力學性質和力學效應。巖石力學的理論基礎涉及彈塑性理論、流變學、流體力學、結構力學、工程地質、地球物理學、礦物學和水化學等學科。巖石力學的工程應用涉及采礦、交通、水電、石油、工民建、地震、國防工程和核廢料處理等巖土工程領域。近年來,斷裂力學、損傷力學、分形幾何、分岔、混沌、突變理論、協同論等學科分支和研究方法相繼滲入,推動巖石力學的不斷發展。

巖石是自然界的產物,是由多種礦物晶粒、孔隙和膠結物組成的混雜體。經過億萬年的地質演變和多期復雜的構造運動,使巖石中形成各種斷裂,如裂隙、夾層和斷層等。所以巖石結構是極其復雜的非連續和非均質體,它的力學屬性具有非線性、各向異性及隨時間變化的流變特性。巖石的變形和破壞性質不但和巖石的復雜結構密切相關,而且還受溫度、圍壓、孔隙水等環境因素的影響。

巖石力學研究是伴隨對巖石物理力學性質認識的逐漸深入而不斷發展的,對巖石變形破壞特性的描述,是在廣義虎克定律基礎上,不斷深入到巖石的非彈性變形、體積膨脹、各向異性、硬化及軟化、流變大變形。傳統的巖石屈服函數通常采用庫侖和德魯克-普拉格準則,以及近年來發展的帽蓋型臨界狀態模型等。考慮到巖石屈服面與破壞面相異,在力學本構模型中采用非關聯塑性流動法則以及多重屈服面模型和邊界面模型等。各種流變模型的建立旨在反映巖石粘、彈、塑流變變形性質。

巖石材料具有多種內部缺陷是造成巖石非彈性變形的主要原因。為描述巖石的狀態,巖石損傷力學引入內變量來刻劃巖石介質微觀結構的變化,有各種定義下的損傷變量和損傷演化規律。目前,很多學者試圖由巖石的細觀結構的裂隙變形擴展,得出巖石宏觀破壞的力學準則。其中,分形、混沌、分岔等現代數學理論的應用為描述巖石細觀結構及演化過程開辟了新的途徑。同時,也為分形巖石力學、巖石分岔理論等新學科分支的建立提供了可能。

在距地表十幾公里內的地層,特別是涉及工程范圍內的巖體,受地質構造運動的影響,存在大量的斷層、節理、層理和地質弱面。這些地質結構面的存在,破壞了巖層的整體性,它們的性質和空間分布極大影響著巖體的變形、強度和氣、液通導特性。不連續性、非均勻性和各向異性是巖石材料最主要特性。節理巖體的性質在很大程度上取決于巖塊系統的構成,而不是巖石材料本身。運用連續介質力學方法一般將結構面及其鄰域作為分析單元,建立了節理本構模型并與巖石本構模型耦合計算非連續巖體的運動、變形和失穩。

此外,提出了非連續介質力學解析方法和力學模型,如可變形塊體平衡理論及離散單元法。但事實上,目前對巖體結構面的幾何形態和力學性質的描述依然十分粗糙,特別是環境因素對它們的影響尚缺乏可靠的實驗依據。這是重大巖土工程的力學分析中亟待解決的問題。

巖體中的孔隙和裂縫網絡是液體、氣體的自然通道。從不同工程背景出發,巖石力學一方面須研究滲流對裂隙巖體力學性質的影響(如由水庫裂隙水誘發的地震),提出巖體穩定性力學準則和加固方案,如對三峽壩基與邊坡、鐵路交通橋梁基礎與隧道等長期穩定性問題的研究的預測;另一方面要研究液體、氣體在不同外力場作用和裂隙分布的巖體中的流動規律,在一定條件下,流體的流動與巖體的變形和破壞產生耦合的作用。

在工程應用方面,可以采用人工方法制造巖體裂縫以改變原始應力場及提高滲透率,如應用于油氣田開采,煤礦瓦斯抽放,地熱開發、煤的地下氣化等。在地學中,礦液的運移與成礦關系也是一個重要課題。目前,國內外對巖石固液耦合力學研究已引起普遍關注,有著廣闊的應用前景。

巖石力學基礎研究的成就已大大促進了巖土工程的發展。60年代初,巖石彈塑性理論在巖土地下工程穩定性分析中的應用,使人們認清了巖土工程結構的本質與特性,認識到地下工程圍巖即是一種載荷,也是一種結構,提出了以新奧法為代表的新的巖石支護與施工方法,革新了傳統支護的觀念與思想,充分發揮圍巖的自承能力,產生了巨大的經濟效益。

70年代,巖石粘彈、粘彈塑性理論研究使巖石流變學取得了巨大的進展,為預測巖土工程的長期穩定性、核廢料的長期埋藏提供了理論基礎。巖石剛性壓力伺服實驗機使得巖石應力、應變全過程得到準確測定,為研究巖石超過最大載荷后的力學行為,為采場礦壓分析、礦柱設計、巖石失穩研究、巖爆與地震機理研究提供了實驗基礎。巖石破裂與破碎的研究,大大改進了爆破技術和礦石粉碎工藝,以及石油鉆井技術與壓裂增產石油工藝。

多孔介質力學理論為研究油藏工藝、煤礦瓦斯抽放技術、地下水滲流問題奠定了基礎。巖石中的應力波動理論促進了巖石聲發射技術、超聲波測試技術的發展,為巖石破壞與失穩的無損監測提供了強有力的手段。現代計算機技術的迅速發展,正對巖石力學產生深遠的影響。

在最近幾年中,巖石力學與巖土工程的重心已有相當大的轉移,也就是由傳統簡單的理論分析、經驗類比轉向更復雜、更符合實際的理論分析和巖土工程數值模擬。巖石人工智能、專家系統與神經元網絡系統使復雜巖土工程設計與施工的決策更趨于合理與可靠。

特殊及惡劣環境下的巖石力學問題的研究已經得到極大的關注,包括: 巖爆力學的研究,礦井深部開采和高地應力引起的沖擊地壓、瓦斯突出和礦井災害的預測與預報,膨脹巖(軟巖)中巷道變形與維護,建筑物、鐵路、河流下采礦引起的地表移動、破壞和地面保護,承壓水體上采礦引起的突水及巖層控制,以及海洋下石油和礦物開采與煤炭地下氣化、液化的巖石力學問題。

9、土力學與工程應用

土力學的近代理論由太沙基(K. Terzaghi)所奠基,它成為一門技術科學只有70余年的歷史。土是由三相(固、水、氣)組成的碎散體,由巖石風化后經搬運和沉積而形成,其力學性質復雜且富于變化。土力學的理論基礎涉及彈塑性理論、流變學、流體力學、工程地質、礦物學和水化學等學科。它的應用涉及到工民建、水利、水電、海洋、交通、國防、地震、采礦和環境等工程領域。大型高土石壩、高層建筑、重型廠房和大型海洋鉆井平臺的建造給土力學提出了許多新的研究課題。

土力學的理論研究集中在土的本構理論研究。包括土工離心模型試驗,滲水力模型試驗和足尺模型試驗技術等土力學試驗手段在近年來得到迅速發展。理論與實驗研究的重點包括:地震中土的液化的土動力學,海洋工程中土在循環加載及主應力旋轉下的力學特征,與濕陷性黃土和膨脹土有關的非飽和土的力學特征等。近年來,斷裂力學、損傷力學、分形幾何、模糊數學、分岔、混沌、突變等理論相繼用于描述土的力學和物理特性。

值得提出,近來國際上物理學界對沙土的力學行為引起濃厚興趣,因為沙土具有獨特的性質,主要來自顆粒間的摩擦和非彈性碰撞等耗散性,不能簡單地把沙土視為通常的固體、液體或氣體。物理學家發現沙堆的力學特征與凝聚態物理中耗散系統的某些特征具有類比性,可以通過沙堆中的松弛、垮塌等非線性行為的研究促進和加深自旋玻璃中的松弛、半導體的擊穿及自組織臨界行為等的認識。這就進一步說明了土力學這門學科的豐富多彩。

我國在土力學領域的若干個重要發展方向為:

① 土力學中理論與計算的工程驗證(如高土石壩工程)。

② 土的本構理論研究,包括復雜應力路徑下的本構關系、土的各向異性力學特征、主應力旋轉時土的應力應變關系、不飽和土的變形特征、本構模型的實用化等。

③ 現代土工試驗量測技術。如發展劍橋式真三軸儀、空心扭剪儀、方向剪切儀、大中型土工離心機等先進試驗量測手段。

④ 地質災害中的土力學問題,如沖刷侵蝕、塌方、滑坡、泥石流的機制與防治等。

綜上所述,固體力學既與2、3、4中所描述的三項跨世紀工程技術的發展結下不解之緣,也和我國跨世紀期間大規模基礎建設的需求有關,同時還與傳統工程技術的新問題有密切聯系。工程應用將是我國廣大的固體力學研究工作者的主戰場。固體力學的研究工作者應深入到相關的工程技術領域和工程技術人員并肩努力,搞清現象的機理,建立有效而準確的數學物理模型。這樣才能使固體力學再創輝煌,在跨世紀科技發展中發揮重要的作用。

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