固体力学应用研究的发展趋势

2017-02-27 by:CAE仿真在线来源:互联网

导读:与整个力学学科一样,固体力学兼具技术科学与基础科学的属性,它既为工程设计和发展生产力服务,也为发展自然科学服务。因此探讨固体力学的发展趋势可以从应用研究和学科研究两个角度进行。本文首先讨论应用研究发展趋势。

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1、工程技术的跨世纪发展态势

工程技术的跨世纪发展的特征是:

① 工业文明从机器时代转入信息时代。在硬件上导致各种精微力电系统的出现,在软件上需求大规模并行计算技术,在安全运行上提出更高的可靠性要求。

② 人类将追求更干净的环境和更清洁的能源。快中子堆技术、高坝技术和高功率水力发电技术将成为引导我国走向能源现代化的关键技术。

③ 人类将对防灾、减灾和改善事故安全提出更高要求,由此需要对老龄工程结构和运输工具进行更科学的安全评估。

④ 高新技术材料和仿真材料将大量出现,集传感功能和驱动功能为一身的智能型结构材料将进入各种用途。人们将在细微观力学原理下指导精细制造工艺和材料设计。

⑤ 航空与航天工程将呈持续发展势头。设计和研制空天飞机和高超音速客机提出了新的固体力学课题。

⑥ 生物医学工程和生命系统仿真技术将由定性的功能开发阶段转向定量的分析、实验和模拟阶段。

长期以来,固体力学始终与土建、机械、船舶、航空等工程技术紧密结合,这个结合今后还将继续加强。与此同时,在全世界高新技术迅速发展的今天,概括上述工程技术的跨世纪发展态势,固体力学将与材料科学、微电子微机械工程(或称微力电系统)与精密制造工艺这三个重要工程技术领域形成新的密切结合点,并引导具有重大工程意义的技术突破。

与此同时,固体力学将在基础设施建设、能源工程、航空航天工程取得新的技术进展,建立新一代航空航天结构的强度设计准则和确保老龄运输工具和能源结构的安全运行评价标准。在21世纪上半叶,固体力学将渗入和指导生物医学工程和生命仿真技术的进展。

大型基础设施建设,运载工具发展,加工工艺精细化,以及微电子元件、微机械等新技术的出现,提出了众多的实验力学问题。例如桥梁钢索的张力,桥塔的变形监测;水坝因湖汐的变形和长时变形;超高建筑的抗振性能和风载下的变形;舰艇受冲击波或高压下的变形和强度问题;航天工程中火箭的整体振动,飞船对接的碰撞;低温工程中的材料在极低温度下的力学性能;微电子封装的可靠性分析;核电站结构的安全监测;无损检测等等。

上述问题为工程中的实验力学量测提出了要求:如残余应力、热应力的测量,细微观应力与变形测量,材料在极端条件下力学性能的测量等。在上述测试要求中,一部分已列入规范,但部分的力学测试有待更新和探索。

2、材料科学与固体力学

材料科学领域在本世纪末期出现了百舸争流的繁荣态势,涌现了包括超导材料、铁电灵敏材料、精细高韧性陶瓷、高性能结晶控制合金、金属间化合物、形状记忆合金、高强韧性高分子材料、功能梯度材料等一批新技术材料,以适应各种高技术发展的要求。固体力学与材料科学相结合所取得的典型成功例子包括:

① 发展了以Si3N4、SiC、Al2O3及ZrO2为代表的新型结构陶瓷,其抗弯强度从100MPa提高到2500MPa,应力强度因子K从5MPam1/2提高到30MPam1/2。这一发展是与材料强韧化力学原理的指导紧密相关的。

② 热致液晶高聚物与热塑性树脂在分子水平上的原位复合是近年来增强塑料合成途径的重要突破,制成了基体强度和模量提高2至3倍的所谓21世纪塑料或超级工程塑料。

③ 作为材料强韧化力学原理指导作用的一个里程碑,美国在战略防御计划中推出太空抗强冲击轻型铝基/碳化硅晶须加强复合材料,采用碳化硅晶须的蜂窝状排列而构成增韧层与增强层网络交布的最佳细观力学设计,使其冲击韧性超过常规材料的20至100倍。

④ 具有超硬、强韧化性能的薄膜、多层膜类微细结构的力学行为研究(包括在力学场作用下的功能行为)已成为本世纪末的新热点。

综上所述,由于材料科学与力学、物理学、计算机科学的交缘,由于若干类新型强韧结构材料的诞生,由于制约结构材料强韧性的一些基本规律的发展,在强韧化力学原理的指导下,结构材料领域在本世纪末可能会取得突破性的进展。

目前国际上在结构材料的强韧化力学原理研究方面取得的学科突破有:

① 提出了相变塑性、延性相诱发耗能、裂纹面桥联等对脆性基体的增韧机理与模型,并运用于结构陶瓷和结构高分子材料。

② 建立了制约微孔洞和微裂纹形成和演化的细观损伤理论,并已应用于金属、陶瓷和混凝土材料的本构描述与强韧性计算。

③ 界面力学的兴起以及对纤维、晶须增强、延性界面、复合相增韧的研究。界面韧性的适度设计思想及复合材料镀层技术在强韧化设计中得到应用。

④ 纳米材料和纳观力学(nanomechanics)飞速发展。原子移位技术的出现,使材料原子结构设计制造和原子固体力学的辉煌前景得以展现。

目前在材料与微结构强韧性力学原理这一研究领域所存在的两个主要问题是:

① 对强韧化原理的研究水平还停留在“分析解释材料的力学行为”这一阶段; 还未能达到“定量设计和试制具有高性能的各类材料”这一更高的境界。

② 强韧化力学原理的运用还停留在唯象力学的层次,未能进入将宏观力学参量与微观物理事件相定量贯通的物理力学层次。

固体力学的方法论不仅适用于研究结构材料的力学性能,也可运用于研究其他电、磁、热、光学等性能。固体力学的研究对象已从结构材料拓展至功能材料,并在灵敏、智能材料的本构响应与变位控制,微电子材料可靠性,多层外延超晶格材料的位错控制等方面取得了初步研究成果。固体力学面临的另一重要挑战在于将对块体材料的研究推广至薄膜和纳米材料的研究。

材料内部初始就可能有宏观或细观缺陷。实验固体力学研究的一个重要任务在于开展对材料内部缺陷的演变的实验研究,以此为基础建立从损伤直至破坏的理论模型。

光学透明材料可以用众多的方法来研究,如光弹性、全息光弹、散斑散射等。对光学不透明材料,声波、毫米波、同步辐射光和射线,都是可以用于给出内部信息的波。各种波的全息术、层析照相或显微层息照相,能给出空间分辨率很高的内部信息。关键是接收器的分辨率、加载机构的精确和计算软件的优劣。光声光热效应也是获取材料性质和内部缺陷的有力手段。

3、微机电系统

信息科学与技术是高新技术的关键之一,也是跨世纪科学发展的主流之一。微电子技术中,大规模和超大规模电路的微型化是技术发展的一个主流。

近年来,出现了微机械和微传感器。由具有感知功能的微传感器,具有电脑功能的微电子元器件,及具有致动功能的微执行器可组成一个集感官、思维、动作为一身的微机电系统。这一组合展现了微机械人的前景,可能带来新的工业革命。这一联合学科的研究在国际上称为“Mechtronics”,标志着固体力学研究领域的拓宽。与此相关的多媒体力学量测技术和铁电致动器细微力学加载技术也必然引起实验力学的突破性进展。

从80年代起,微电子元器件的几何构形开始从基底上的单层亚微米薄膜发展为数百层叠合膜。集成电路失效的重要原因在于未处理好力学、热学和电学的耦合效应。因此多层微电子元器件及封装的热失配、变形、损伤、细观断裂和焊点破坏的研究及内导线(interconnects)的电迁移研究,对于高可靠性的器件及封装的失效防范是十分必要的。

在中国微电子产业的跨世纪发展中,将形成微电子机械系统(MEMS)的新领域。微细加工工艺、微致动技术、微机电系统的设计、微机械的应用等分支提出了涉及材料、微机构、微传感、微制动、微加工工艺等细观力学研究课题。

这一领域已成为美、日等国高技术竞争的前沿。国内研究正在起步,在薄膜力学,光电学缺陷观察、电迁移损伤、穿层位错引致失效、铁电致动器断裂疲劳研究等方面取得了一定的研究进展。

4、精细加工

精细加工与传统的机械加工不同,需要考虑材料的细微观形态,以及加工历史所可能造成的影响,因此需要引入细微观力学的定量描述。精细加工技术包括:①伴随有相变过程(液-固或固-固)的加工工艺;②激光加工过程;③原子移位技术;④晶界工程;⑤成形过程的织构动力学;⑥薄膜与界面的沉积过程;⑦精密机械加工。

综合利用细微观的力学、热学与物理学的知识将为该领域的发展提供定量的分析框架。其中一个重要的方向为研究材料微结构在制造与加工过程的演化,包括形貌演化、相结构演化、缺陷结构演化等。此外,薄壁结构加工中的非线性动力学包括塑性稳定性和结构演化;连续铸造与橡塑成形过程则要研究流固状态共存的情况。

5、能源工程

能源紧张已成当今人类面临的最严重问题之一,能源问题对我国更显得紧迫。石油勘探,深层煤资源利用,太阳能、风能、潮汐能的开发,近海能源的海洋工程,尤其是即将修建的三峡工程,都对力学特别是固体力学提出新的挑战。其典型问题包括减灾力学研究、高坝失效模式仿真、超大功率水电机械强度失效分析、三峡船闸高边坡稳定问题等。

快中子增殖堆,由于壁厚薄、工作温度高,需要研究如蠕变与疲劳交互作用、高温蠕变损伤、地震诱发的动力失稳、液态钠晃溅与固体结构的相互作用、假想堆芯爆炸等失效模式。这问题已成为每两年一届国际反应堆结构力学(SMIRT)大会的重要议题。

6、航空航天与交通工程

在20~21世纪之交,将可能出现高超音速飞机和空天飞机等新一代的航空运输工具,并对复合材料的力学设计,复合材料构件的成形加工,耐高温材料研制,结构强度设计,缺陷识别反问题和可靠性分析,高超音速下的振动噪声控制,航天器的循环热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运载工具上。高速铁路和高速公路将成为我国跨世纪期间基础设施建设的重点。列车高速运行时,振动、摩擦、撞击磨损等对固体力学提出更高的要求。汽车运行的高速化可能造成更多撞车事故,需要在中国开展耐撞性(crash-worthiness)研究,涉及到冲击力学和塑性动力学等领域。高速公路的施工质量和路面龟裂的问题涉及对路基、道路载荷谱和路面材料细观结构进行综合力学设计。对已服役路面的损伤监控也要根据实时测量和力学反问题分析来解决。

7、老龄工程结构的安全评估

我国从50年代起开始进行大规模工程结构建设。到世纪之交,很多航空、能源、石油化工、民用建筑结构将陆续进入老龄期。老龄结构的安全评估最近被提到了一个突出重视的地位。如美国DARPA和ONR去年把老龄飞机(aging aircafts)的安全评估确立为近期固体力学应用研究的两个重点之一。

核电站主压力回路和锅炉及石油化工压力容器的老龄化也是与固体力学有关的一项关键问题。美国核管会(NRC)将中老龄核电站的运行安全列为最重要的未解决安全问题。美国时代周刊在科学栏里以突出的地位对此进行了报道。近期发展的漏后断(LBB)准则被认为是集热工流体力学与弹塑性断裂力学之大成而处理这一问题的范例。我国大量的锅炉和压力容器在长期的应力、腐蚀和疲劳作用下已进入老龄阶段,也存在应用研究的课题。

8、岩石力学与工程应用

岩石力学探讨岩石在其周围物理和工程环境中变形、强度和破坏的力学性质和力学效应。岩石力学的理论基础涉及弹塑性理论、流变学、流体力学、结构力学、工程地质、地球物理学、矿物学和水化学等学科。岩石力学的工程应用涉及采矿、交通、水电、石油、工民建、地震、国防工程和核废料处理等岩土工程领域。近年来,断裂力学、损伤力学、分形几何、分岔、混沌、突变理论、协同论等学科分支和研究方法相继渗入,推动岩石力学的不断发展。

岩石是自然界的产物,是由多种矿物晶粒、孔隙和胶结物组成的混杂体。经过亿万年的地质演变和多期复杂的构造运动,使岩石中形成各种断裂,如裂隙、夹层和断层等。所以岩石结构是极其复杂的非连续和非均质体,它的力学属性具有非线性、各向异性及随时间变化的流变特性。岩石的变形和破坏性质不但和岩石的复杂结构密切相关,而且还受温度、围压、孔隙水等环境因素的影响。

岩石力学研究是伴随对岩石物理力学性质认识的逐渐深入而不断发展的,对岩石变形破坏特性的描述,是在广义虎克定律基础上,不断深入到岩石的非弹性变形、体积膨胀、各向异性、硬化及软化、流变大变形。传统的岩石屈服函数通常采用库仑和德鲁克-普拉格准则,以及近年来发展的帽盖型临界状态模型等。考虑到岩石屈服面与破坏面相异,在力学本构模型中采用非关联塑性流动法则以及多重屈服面模型和边界面模型等。各种流变模型的建立旨在反映岩石粘、弹、塑流变变形性质。

岩石材料具有多种内部缺陷是造成岩石非弹性变形的主要原因。为描述岩石的状态,岩石损伤力学引入内变量来刻划岩石介质微观结构的变化,有各种定义下的损伤变量和损伤演化规律。目前,很多学者试图由岩石的细观结构的裂隙变形扩展,得出岩石宏观破坏的力学准则。其中,分形、混沌、分岔等现代数学理论的应用为描述岩石细观结构及演化过程开辟了新的途径。同时,也为分形岩石力学、岩石分岔理论等新学科分支的建立提供了可能。

在距地表十几公里内的地层,特别是涉及工程范围内的岩体,受地质构造运动的影响,存在大量的断层、节理、层理和地质弱面。这些地质结构面的存在,破坏了岩层的整体性,它们的性质和空间分布极大影响着岩体的变形、强度和气、液通导特性。不连续性、非均匀性和各向异性是岩石材料最主要特性。节理岩体的性质在很大程度上取决于岩块系统的构成,而不是岩石材料本身。运用连续介质力学方法一般将结构面及其邻域作为分析单元,建立了节理本构模型并与岩石本构模型耦合计算非连续岩体的运动、变形和失稳。

此外,提出了非连续介质力学解析方法和力学模型,如可变形块体平衡理论及离散单元法。但事实上,目前对岩体结构面的几何形态和力学性质的描述依然十分粗糙,特别是环境因素对它们的影响尚缺乏可靠的实验依据。这是重大岩土工程的力学分析中亟待解决的问题。

岩体中的孔隙和裂缝网络是液体、气体的自然通道。从不同工程背景出发,岩石力学一方面须研究渗流对裂隙岩体力学性质的影响(如由水库裂隙水诱发的地震),提出岩体稳定性力学准则和加固方案,如对三峡坝基与边坡、铁路交通桥梁基础与隧道等长期稳定性问题的研究的预测;另一方面要研究液体、气体在不同外力场作用和裂隙分布的岩体中的流动规律,在一定条件下,流体的流动与岩体的变形和破坏产生耦合的作用。

在工程应用方面,可以采用人工方法制造岩体裂缝以改变原始应力场及提高渗透率,如应用于油气田开采,煤矿瓦斯抽放,地热开发、煤的地下气化等。在地学中,矿液的运移与成矿关系也是一个重要课题。目前,国内外对岩石固液耦合力学研究已引起普遍关注,有着广阔的应用前景。

岩石力学基础研究的成就已大大促进了岩土工程的发展。60年代初,岩石弹塑性理论在岩土地下工程稳定性分析中的应用,使人们认清了岩土工程结构的本质与特性,认识到地下工程围岩即是一种载荷,也是一种结构,提出了以新奥法为代表的新的岩石支护与施工方法,革新了传统支护的观念与思想,充分发挥围岩的自承能力,产生了巨大的经济效益。

70年代,岩石粘弹、粘弹塑性理论研究使岩石流变学取得了巨大的进展,为预测岩土工程的长期稳定性、核废料的长期埋藏提供了理论基础。岩石刚性压力伺服实验机使得岩石应力、应变全过程得到准确测定,为研究岩石超过最大载荷后的力学行为,为采场矿压分析、矿柱设计、岩石失稳研究、岩爆与地震机理研究提供了实验基础。岩石破裂与破碎的研究,大大改进了爆破技术和矿石粉碎工艺,以及石油钻井技术与压裂增产石油工艺。

多孔介质力学理论为研究油藏工艺、煤矿瓦斯抽放技术、地下水渗流问题奠定了基础。岩石中的应力波动理论促进了岩石声发射技术、超声波测试技术的发展,为岩石破坏与失稳的无损监测提供了强有力的手段。现代计算机技术的迅速发展,正对岩石力学产生深远的影响。

在最近几年中,岩石力学与岩土工程的重心已有相当大的转移,也就是由传统简单的理论分析、经验类比转向更复杂、更符合实际的理论分析和岩土工程数值模拟。岩石人工智能、专家系统与神经元网络系统使复杂岩土工程设计与施工的决策更趋于合理与可靠。

特殊及恶劣环境下的岩石力学问题的研究已经得到极大的关注,包括: 岩爆力学的研究,矿井深部开采和高地应力引起的冲击地压、瓦斯突出和矿井灾害的预测与预报,膨胀岩(软岩)中巷道变形与维护,建筑物、铁路、河流下采矿引起的地表移动、破坏和地面保护,承压水体上采矿引起的突水及岩层控制,以及海洋下石油和矿物开采与煤炭地下气化、液化的岩石力学问题。

9、土力学与工程应用

土力学的近代理论由太沙基(K. Terzaghi)所奠基,它成为一门技术科学只有70余年的历史。土是由三相(固、水、气)组成的碎散体,由岩石风化后经搬运和沉积而形成,其力学性质复杂且富于变化。土力学的理论基础涉及弹塑性理论、流变学、流体力学、工程地质、矿物学和水化学等学科。它的应用涉及到工民建、水利、水电、海洋、交通、国防、地震、采矿和环境等工程领域。大型高土石坝、高层建筑、重型厂房和大型海洋钻井平台的建造给土力学提出了许多新的研究课题。

土力学的理论研究集中在土的本构理论研究。包括土工离心模型试验,渗水力模型试验和足尺模型试验技术等土力学试验手段在近年来得到迅速发展。理论与实验研究的重点包括:地震中土的液化的土动力学,海洋工程中土在循环加载及主应力旋转下的力学特征,与湿陷性黄土和膨胀土有关的非饱和土的力学特征等。近年来,断裂力学、损伤力学、分形几何、模糊数学、分岔、混沌、突变等理论相继用于描述土的力学和物理特性。

值得提出,近来国际上物理学界对沙土的力学行为引起浓厚兴趣,因为沙土具有独特的性质,主要来自颗粒间的摩擦和非弹性碰撞等耗散性,不能简单地把沙土视为通常的固体、液体或气体。物理学家发现沙堆的力学特征与凝聚态物理中耗散系统的某些特征具有类比性,可以通过沙堆中的松弛、垮塌等非线性行为的研究促进和加深自旋玻璃中的松弛、半导体的击穿及自组织临界行为等的认识。这就进一步说明了土力学这门学科的丰富多彩。

我国在土力学领域的若干个重要发展方向为:

① 土力学中理论与计算的工程验证(如高土石坝工程)。

② 土的本构理论研究,包括复杂应力路径下的本构关系、土的各向异性力学特征、主应力旋转时土的应力应变关系、不饱和土的变形特征、本构模型的实用化等。

③ 现代土工试验量测技术。如发展剑桥式真三轴仪、空心扭剪仪、方向剪切仪、大中型土工离心机等先进试验量测手段。

④ 地质灾害中的土力学问题,如冲刷侵蚀、塌方、滑坡、泥石流的机制与防治等。

综上所述,固体力学既与2、3、4中所描述的三项跨世纪工程技术的发展结下不解之缘,也和我国跨世纪期间大规模基础建设的需求有关,同时还与传统工程技术的新问题有密切联系。工程应用将是我国广大的固体力学研究工作者的主战场。固体力学的研究工作者应深入到相关的工程技术领域和工程技术人员并肩努力,搞清现象的机理,建立有效而准确的数学物理模型。这样才能使固体力学再创辉煌,在跨世纪科技发展中发挥重要的作用。

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