固体力学有哪些值得研究的领域？

编者按:近日小编整理发布了《自然科学学科发展之战略研究报告》中关于固体力学方面的研究现状和发展趋势(详见文后关联阅读),今天我们再来分享一下报告中给出的固体力学方面建议的着重研究的领域。

材料本构理论是固体力学的核心,是一切固体力学分析计算的基础。与流体力学中的湍流问题相类似,材料在外载作用下经变形、损伤到失稳或破坏过程是固体力学家自伽利略时代以来一直为之奋斗而尚未克服的难题。

在激光加工、金属连铸连轧、复合材料成型及多层微结构的封装等工艺中,需要考虑热、光、电、相变、固-流耦合变形等多种效应的变化和耦合,特别是对于将带来全球技术革命的微电子-微机械-微力学工程中微结构、微器件的封装和制作来说,更需要研究加工过程中及制成品的细观力学及智能行为,进行可靠性分析,才能设计出满意的制造工艺和技术。当然,传统的机械加工工艺中同样需要进行类似的研究。

岩土类材料多为具有群体不连续性的介质,其典型例子包括岩体介质、矿床介质、散体和混凝土。这些介质中由于缺陷、裂纹和裂隙的演化和串接,特别是伴随有水的渗流以及有地应力作用的情况下产生多种严重的地质灾害,如矿井崩塌、边坡失稳、地震发生、泥石流等等。这些现象所造成的灾害占全球尤其是我国国民经济损失的相当大的部分,如何认识其科学规律而进行安全防治对国计民生有重要影响。

根据先进结构及重大工程要求,综合利用固体力学的基础理论和数据资料,探讨计算方法和数值仿真技术,分析和设计安全经济而优化的选材方案和结构形式,研究无损检测的理论和技术,并对老龄结构和工程(如飞机、建筑、桥梁、压力容器)的安全性提供评估和监测方法及规程,这里还包括基于检测到的信号进行反问题的分析。

复合材料具有丰富的细观结构组合方式,对其细观力学的研究是当前复合材料力学研究的主要发展方向。研究内容包括界相力学、编织复合材料的细观力学建模、混凝土材料力学、灵敏复合材料力学,复合材料在拉伸、压缩、剪切、冲击、疲劳加载下的损伤演化过程,等等。

新一代结构复合材料采用结构承载层与敏感元件混排的方式,并利用敏感层的输出信号来监测复合材料的整体完整性。这为复合材料的力学计算及材料的优化设计提供了新的研究内容。

考虑完全非线性的流固强耦合问题。在固体中考虑材料非线性与材料破坏,考虑大变形引起的几何非线性问题以及屈曲现象等。在流体中采用纳维-斯托克斯方程,考虑流体的分层、旋涡、晃动、空化、飞溅的复杂流动行为。在界面描述上需要融合欧拉坐标与拉格朗日坐标,在计算格式上力图兼顾有限元和差分法在处理流体运动和固体变形中的特长。发展真实、高效、高精度的流固界面模型。在流体激发振动问题上考虑复杂的结构阵列的复杂流体流动。发展可应用于典型工程流固耦合问题的分析软件。岩土是一类具有复杂裂纹和孔隙分布且有液、气占据裂隙的材料,其骨架的变形、破坏和裂隙中的流动是一类特殊的流、固耦合问题。

弹性波在层状介质中的折射和反射以及在含孔洞或裂隙介质中的衍射现象在地球物理勘探、无损检测及结构抗震和抗冲击等方面起着重要的作用,当物体受到冲击载荷的作用,因材料及载荷强度的不同,除了弹性波外还可能发生粘弹性波、弹塑性波、粘弹塑性波和间断波等,需要研究这些波的传播以及引起的损伤、破坏或其他效应。

所有的运动机械部件普遍存在摩擦和磨损问题,材料的表面处理也和摩擦、磨损相关。它涉及很多基本的力学现象,包括:考虑弹塑性变形的接触问题、材料的疲劳、微细裂缝的失稳发展,碎末的形成和碎末垫层的缓冲作用、热塑性和相变效应等;在有润滑流体的情形是流固耦合的问题,而在高速运动的情况则有局部的冲击力学问题等。

本文摘录自由郑哲敏院士领衔的多名院士起草的《自然科学学科发展之战略研究报告》。