固体力学的历史发展与当前进展

2017-02-27  by:CAE仿真在线  来源:互联网

固体力学是人类科学技术史上最先发展的少数学科之一,在人类文明进化过程中几度占有中心地位。

固体力学是在牛顿力学的伟大成就下得到迅速发展的一门力学学科,但远在牛顿之前就有过很多重要的固体力学研究工作:如列奥纳多·达芬奇关于线材拉伸强度的实验和伽利略关于受拉和受弯杆件破坏强度的研究。关于应力、应变和弹性的基本概念是在公元1660年到1822年期间逐步形成的。胡克、伯努利、欧拉、库仑、柯西等著名科学家为此作出了重要的历史贡献。

在18、19世纪和20世纪上半叶,借助于梁、柱、板、壳等简化理论,固体力学成为当时工业的两大支柱建筑业和机械制造业的主要技术分析手段。小变形弹性力学的一般理论在19世纪20年代由柯西总结形成,大变形弹性力学理论经过19世纪中叶格林、皮奥拉和基尔霍夫的奠基,于本世纪中期通过瑞夫林的工作推至可供实用的阶段。

工程结构的轻型化和金属加工的迅速发展推动了固体力学中另一分支学科塑性力学的发展。塑性力学的若干基本概念起源于库仑,蓬斯莱和兰金等关于延性材料屈服的研究,而近代宏观塑性理论奠基于屈雷斯加、胡伯、冯. 密赛斯、普朗特和汉基等人的研究理论之上。在战后经依留申、希尔、普拉格和德鲁克等人的工作而建立了塑性理论的数学框架。

航空与航天工程的发展要求航空航天结构物具有尽可能低但又确保可靠性的安全系数,从而使固体力学成为不可缺少的分析工具,除了关于充分发挥强度储备的塑性极限分析、薄壁结构的弹塑性稳定性分析以外,关于应力集中、疲劳、振动、减噪方面的研究得到了迅速发展。

在第二次世界大战期间美国自由轮的大量低应力脆断解体事故促使由格里菲思首先提出但未受到普遍重视的断裂力学的基本思想迅速发展为一门固体力学的重要分支学科----断裂力学。由此产生的断裂分析方法迅速应用于航空、航天、核能结构完整性、石油化工压力容器与管道防爆、以及海洋结构的安全可靠性。

固体力学本世纪发展的另一个特征在于从宏观和微观并行不悖的研究逐渐转向宏微观相结合的研究。1905年弹性力学与数学家沃尔泰拉首先分析了位错固体的弹性静态应力和位移场。1934年泰勒、奥罗万和波拉尼各自独立提出了位错的概念。上述数学和物理研究两者的结合为揭示固体塑性变形的一类基本规律奠立了基础。

位错研究是理论超前于研究、并指导人类认识的范例。它为近二三十年来固体力学与材料科学的结合打下了基础。我国固体力学研究从宏观层次向更精细物质层次的深入得益于钱学森倡导的物理力学。钱学森提出了“细观力学”的名称,专指对具有内禀材料微结构的固体连续介质的研究。

实验是提出理论模型和工程准则的基本出发点,也是检验它们的准绳。力学发展一方面受到实践中反映出来的大量新现象的推动,另一方面通过实验,更深入细致地取得第一手资料,以此做为建立理论的基础,使学科得到发展。实验固体力学不仅涉及力学,还涉及其它多种学科,特别是新技术领域。

1) 宏观固体力学已经形成一个初步框架。理性力学在50年代至70年代的迅速发展使宏观力学的基本理论在表观上形成比较严谨的体系。

2) 以有限元为代表的计算固体力学高速发展。有限元法的数学思想曾由著名数学家柯朗在1943年后加以初步描述,但该方法的物理基础却归功于固体力学家在50年代与60年代所提出的广义变分原理。有限元法在80年代广泛应用于几乎所有工程技术领域。常规的结构固体力学计算已经基本解决。

3) 断裂力学的建立(针对于断裂、损伤、疲劳、磨损、腐蚀等破坏模式)扩展了固体破坏理论,并发展了基于不同破坏特征量的缺陷评定体系。

4) 固体的宏观本构理论描述尽管尚不封闭,但在材料对称性描述和通常条件下的弹塑性大变形本构方面取得了重要进展。

5) 固体力学的测试技术更新换代。用计算机控制加载路径的试验机已取代了老式试验机; 光测法的精度已提高到微米乃至纳米量级; 计算机控制的振动平台可对大型机械和结构进行实测; 动态测试的应变率已达到106~108/秒量级; 无损探伤技术得到了发展。

6) 细观力学于70年代兴起,至今已初具轮廓。细观固体力学与材料科学相结合,在晶体塑性理论和结构材料的强韧性力学原理研究中取得了重要进展,使科学家们对材料的强度和韧性有了更深层次的认识。

7) 固体力学在工程结构的完整性和可靠性方面取得了重要成果。对航空航天结构、核动力结构、锅炉与压力容器、近海石油平台、管道等重要工程结构建立了损伤容限评定或结构完整性评定的第一代标准。

尽管固体力学已呈现出一个高度发达学科的某些特征,但仍有一批基本问题尚未得到解决:

首先是固体本构理论在宏观连续介质层次上未能实现封闭,破坏的发生和传播机制在宏观层次上并不清楚。材料在外界作用下经变形、损伤到失稳或破坏的过程是固体力学中最大的难题。固体的破坏同缺陷和微结构形态紧密相关;该过程不仅对材料细观结构和损伤形态敏感,对固态物质微观层次上的缺陷也敏感。

与上述问题相对应的一个事实是目前工程材料可实现的强度与其理论强度相差1至2个量级。举例来说:现在已知许多纳米陶瓷具有比常规陶瓷高得多的韧性,许多纳米晶体具有比常规大小的晶体高得多的强度。这些纳米材料的塑性变形的基本机制并不清楚。如何由晶界区域塑性滑错、纳米晶粒转动及纳米晶粒内部和短程位错开动来实现纳米材料的超塑性组合变形还是一个非常模糊的问题。

固体破坏行为的许多反常困惑不仅发生在细微观世界,也发生于尺度巨大的结构中。通常的标度律有时并不得到遵守。如对北极巨大冰试件进行的冲击试验表明,其断裂韧性是实验室试件的10倍。大冰块的大量缺陷在加载时起着吸能的作用。

固体疲劳行为的根本机制还远未得到阐明。目前尚缺乏理论模型来说明累积塑性变形与疲劳断裂行为的关系。在大循环数非规则应力应变加载下的循环塑性本构描述也一直未能取得突破性的进展。

现有的结构完整性评定体系还不能完全描述实际的破坏行为。很多原来认为是材料常数的破坏特征量被实验证明与结构的几何形状有关。例如,美国核管会和国家标准局模拟热力断裂事故的巨型试验结果表明: 原来认为可逐渐延性止裂的结构在实验中呈现出由延性破坏突转至脆性加速破坏的反常行为。

地震预报是另一个与固体力学有关的重大疑难问题。断层在地应力作用下发生灾难性的裂纹扩展前在地层表面会出现何种可观测的力学信号是一个与人类安全有关的重要课题。

有生命的固体(如人体和动物的骨胳、肌肉、内脏,头颅和植物的茎、根、叶等)与无生命的固体在本构响应上有什么不同?在它们的本构描述中如何嵌入记忆功能、学习功能、控制功能、条件反射功能和衰老特征?动物和植物是怎样在自然界的长期斗争和适应过程中获得在本身能力限制下最佳的结构响应特征?这些都是生物固体力学尚未解决的重要问题。还可举出薄壁结构的后屈曲、材料和结构在动载荷下的响应、固体材料的流变以及多孔介质中流固耦合等问题。

上述问题仅是固体力学尚待解决问题中露出的冰山一角,固体力学的学科进展是无止境的。

本文摘录自《自然科学学科发展之战略研究报告》。

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