固體力學的歷史發(fā)展與當前進展

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

固體力學是人類科學技術史上最先發(fā)展的少數(shù)學科之一,在人類文明進化過程中幾度占有中心地位。

固體力學是在牛頓力學的偉大成就下得到迅速發(fā)展的一門力學學科,但遠在牛頓之前就有過很多重要的固體力學研究工作:如列奧納多·達芬奇關于線材拉伸強度的實驗和伽利略關于受拉和受彎桿件破壞強度的研究。關于應力、應變和彈性的基本概念是在公元1660年到1822年期間逐步形成的。胡克、伯努利、歐拉、庫侖、柯西等著名科學家為此作出了重要的歷史貢獻。

在18、19世紀和20世紀上半葉,借助于梁、柱、板、殼等簡化理論,固體力學成為當時工業(yè)的兩大支柱建筑業(yè)和機械制造業(yè)的主要技術分析手段。小變形彈性力學的一般理論在19世紀20年代由柯西總結形成,大變形彈性力學理論經(jīng)過19世紀中葉格林、皮奧拉和基爾霍夫的奠基,于本世紀中期通過瑞夫林的工作推至可供實用的階段。

工程結構的輕型化和金屬加工的迅速發(fā)展推動了固體力學中另一分支學科塑性力學的發(fā)展。塑性力學的若干基本概念起源于庫侖,蓬斯萊和蘭金等關于延性材料屈服的研究,而近代宏觀塑性理論奠基于屈雷斯加、胡伯、馮. 密賽斯、普朗特和漢基等人的研究理論之上。在戰(zhàn)后經(jīng)依留申、希爾、普拉格和德魯克等人的工作而建立了塑性理論的數(shù)學框架。

航空與航天工程的發(fā)展要求航空航天結構物具有盡可能低但又確保可靠性的安全系數(shù),從而使固體力學成為不可缺少的分析工具,除了關于充分發(fā)揮強度儲備的塑性極限分析、薄壁結構的彈塑性穩(wěn)定性分析以外,關于應力集中、疲勞、振動、減噪方面的研究得到了迅速發(fā)展。

在第二次世界大戰(zhàn)期間美國自由輪的大量低應力脆斷解體事故促使由格里菲思首先提出但未受到普遍重視的斷裂力學的基本思想迅速發(fā)展為一門固體力學的重要分支學科----斷裂力學。由此產生的斷裂分析方法迅速應用于航空、航天、核能結構完整性、石油化工壓力容器與管道防爆、以及海洋結構的安全可靠性。

固體力學本世紀發(fā)展的另一個特征在于從宏觀和微觀并行不悖的研究逐漸轉向宏微觀相結合的研究。1905年彈性力學與數(shù)學家沃爾泰拉首先分析了位錯固體的彈性靜態(tài)應力和位移場。1934年泰勒、奧羅萬和波拉尼各自獨立提出了位錯的概念。上述數(shù)學和物理研究兩者的結合為揭示固體塑性變形的一類基本規(guī)律奠立了基礎。

位錯研究是理論超前于研究、并指導人類認識的范例。它為近二三十年來固體力學與材料科學的結合打下了基礎。我國固體力學研究從宏觀層次向更精細物質層次的深入得益于錢學森倡導的物理力學。錢學森提出了“細觀力學”的名稱,專指對具有內稟材料微結構的固體連續(xù)介質的研究。

實驗是提出理論模型和工程準則的基本出發(fā)點,也是檢驗它們的準繩。力學發(fā)展一方面受到實踐中反映出來的大量新現(xiàn)象的推動,另一方面通過實驗,更深入細致地取得第一手資料,以此做為建立理論的基礎,使學科得到發(fā)展。實驗固體力學不僅涉及力學,還涉及其它多種學科,特別是新技術領域。

1) 宏觀固體力學已經(jīng)形成一個初步框架。理性力學在50年代至70年代的迅速發(fā)展使宏觀力學的基本理論在表觀上形成比較嚴謹?shù)捏w系。

2) 以有限元為代表的計算固體力學高速發(fā)展。有限元法的數(shù)學思想曾由著名數(shù)學家柯朗在1943年后加以初步描述,但該方法的物理基礎卻歸功于固體力學家在50年代與60年代所提出的廣義變分原理。有限元法在80年代廣泛應用于幾乎所有工程技術領域。常規(guī)的結構固體力學計算已經(jīng)基本解決。

3) 斷裂力學的建立(針對于斷裂、損傷、疲勞、磨損、腐蝕等破壞模式)擴展了固體破壞理論,并發(fā)展了基于不同破壞特征量的缺陷評定體系。

4) 固體的宏觀本構理論描述盡管尚不封閉,但在材料對稱性描述和通常條件下的彈塑性大變形本構方面取得了重要進展。

5) 固體力學的測試技術更新?lián)Q代。用計算機控制加載路徑的試驗機已取代了老式試驗機; 光測法的精度已提高到微米乃至納米量級; 計算機控制的振動平臺可對大型機械和結構進行實測; 動態(tài)測試的應變率已達到106~108/秒量級; 無損探傷技術得到了發(fā)展。

6) 細觀力學于70年代興起,至今已初具輪廓。細觀固體力學與材料科學相結合,在晶體塑性理論和結構材料的強韌性力學原理研究中取得了重要進展,使科學家們對材料的強度和韌性有了更深層次的認識。

7) 固體力學在工程結構的完整性和可靠性方面取得了重要成果。對航空航天結構、核動力結構、鍋爐與壓力容器、近海石油平臺、管道等重要工程結構建立了損傷容限評定或結構完整性評定的第一代標準。

盡管固體力學已呈現(xiàn)出一個高度發(fā)達學科的某些特征,但仍有一批基本問題尚未得到解決:

首先是固體本構理論在宏觀連續(xù)介質層次上未能實現(xiàn)封閉,破壞的發(fā)生和傳播機制在宏觀層次上并不清楚。材料在外界作用下經(jīng)變形、損傷到失穩(wěn)或破壞的過程是固體力學中最大的難題。固體的破壞同缺陷和微結構形態(tài)緊密相關;該過程不僅對材料細觀結構和損傷形態(tài)敏感,對固態(tài)物質微觀層次上的缺陷也敏感。

與上述問題相對應的一個事實是目前工程材料可實現(xiàn)的強度與其理論強度相差1至2個量級。舉例來說:現(xiàn)在已知許多納米陶瓷具有比常規(guī)陶瓷高得多的韌性,許多納米晶體具有比常規(guī)大小的晶體高得多的強度。這些納米材料的塑性變形的基本機制并不清楚。如何由晶界區(qū)域塑性滑錯、納米晶粒轉動及納米晶粒內部和短程位錯開動來實現(xiàn)納米材料的超塑性組合變形還是一個非常模糊的問題。

固體破壞行為的許多反常困惑不僅發(fā)生在細微觀世界,也發(fā)生于尺度巨大的結構中。通常的標度律有時并不得到遵守。如對北極巨大冰試件進行的沖擊試驗表明,其斷裂韌性是實驗室試件的10倍。大冰塊的大量缺陷在加載時起著吸能的作用。

固體疲勞行為的根本機制還遠未得到闡明。目前尚缺乏理論模型來說明累積塑性變形與疲勞斷裂行為的關系。在大循環(huán)數(shù)非規(guī)則應力應變加載下的循環(huán)塑性本構描述也一直未能取得突破性的進展。

現(xiàn)有的結構完整性評定體系還不能完全描述實際的破壞行為。很多原來認為是材料常數(shù)的破壞特征量被實驗證明與結構的幾何形狀有關。例如,美國核管會和國家標準局模擬熱力斷裂事故的巨型試驗結果表明: 原來認為可逐漸延性止裂的結構在實驗中呈現(xiàn)出由延性破壞突轉至脆性加速破壞的反常行為。

地震預報是另一個與固體力學有關的重大疑難問題。斷層在地應力作用下發(fā)生災難性的裂紋擴展前在地層表面會出現(xiàn)何種可觀測的力學信號是一個與人類安全有關的重要課題。

有生命的固體(如人體和動物的骨胳、肌肉、內臟,頭顱和植物的莖、根、葉等)與無生命的固體在本構響應上有什么不同?在它們的本構描述中如何嵌入記憶功能、學習功能、控制功能、條件反射功能和衰老特征?動物和植物是怎樣在自然界的長期斗爭和適應過程中獲得在本身能力限制下最佳的結構響應特征?這些都是生物固體力學尚未解決的重要問題。還可舉出薄壁結構的后屈曲、材料和結構在動載荷下的響應、固體材料的流變以及多孔介質中流固耦合等問題。

上述問題僅是固體力學尚待解決問題中露出的冰山一角,固體力學的學科進展是無止境的。

本文摘錄自《自然科學學科發(fā)展之戰(zhàn)略研究報告》。

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