固體力學(xué)有哪些值得研究的領(lǐng)域？

編者按:近日小編整理發(fā)布了《自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展之戰(zhàn)略研究報(bào)告》中關(guān)于固體力學(xué)方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(詳見文后關(guān)聯(lián)閱讀),今天我們?cè)賮矸窒硪幌聢?bào)告中給出的固體力學(xué)方面建議的著重研究的領(lǐng)域。

材料本構(gòu)理論是固體力學(xué)的核心,是一切固體力學(xué)分析計(jì)算的基礎(chǔ)。與流體力學(xué)中的湍流問題相類似,材料在外載作用下經(jīng)變形、損傷到失穩(wěn)或破壞過程是固體力學(xué)家自伽利略時(shí)代以來一直為之奮斗而尚未克服的難題。

在激光加工、金屬連鑄連軋、復(fù)合材料成型及多層微結(jié)構(gòu)的封裝等工藝中,需要考慮熱、光、電、相變、固-流耦合變形等多種效應(yīng)的變化和耦合,特別是對(duì)于將帶來全球技術(shù)革命的微電子-微機(jī)械-微力學(xué)工程中微結(jié)構(gòu)、微器件的封裝和制作來說,更需要研究加工過程中及制成品的細(xì)觀力學(xué)及智能行為,進(jìn)行可靠性分析,才能設(shè)計(jì)出滿意的制造工藝和技術(shù)。當(dāng)然,傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝中同樣需要進(jìn)行類似的研究。

巖土類材料多為具有群體不連續(xù)性的介質(zhì),其典型例子包括巖體介質(zhì)、礦床介質(zhì)、散體和混凝土。這些介質(zhì)中由于缺陷、裂紋和裂隙的演化和串接,特別是伴隨有水的滲流以及有地應(yīng)力作用的情況下產(chǎn)生多種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害,如礦井崩塌、邊坡失穩(wěn)、地震發(fā)生、泥石流等等。這些現(xiàn)象所造成的災(zāi)害占全球尤其是我國國民經(jīng)濟(jì)損失的相當(dāng)大的部分,如何認(rèn)識(shí)其科學(xué)規(guī)律而進(jìn)行安全防治對(duì)國計(jì)民生有重要影響。

根據(jù)先進(jìn)結(jié)構(gòu)及重大工程要求,綜合利用固體力學(xué)的基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)資料,探討計(jì)算方法和數(shù)值仿真技術(shù),分析和設(shè)計(jì)安全經(jīng)濟(jì)而優(yōu)化的選材方案和結(jié)構(gòu)形式,研究無損檢測的理論和技術(shù),并對(duì)老齡結(jié)構(gòu)和工程(如飛機(jī)、建筑、橋梁、壓力容器)的安全性提供評(píng)估和監(jiān)測方法及規(guī)程,這里還包括基于檢測到的信號(hào)進(jìn)行反問題的分析。

復(fù)合材料具有豐富的細(xì)觀結(jié)構(gòu)組合方式,對(duì)其細(xì)觀力學(xué)的研究是當(dāng)前復(fù)合材料力學(xué)研究的主要發(fā)展方向。研究內(nèi)容包括界相力學(xué)、編織復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)建模、混凝土材料力學(xué)、靈敏復(fù)合材料力學(xué),復(fù)合材料在拉伸、壓縮、剪切、沖擊、疲勞加載下的損傷演化過程,等等。

新一代結(jié)構(gòu)復(fù)合材料采用結(jié)構(gòu)承載層與敏感元件混排的方式,并利用敏感層的輸出信號(hào)來監(jiān)測復(fù)合材料的整體完整性。這為復(fù)合材料的力學(xué)計(jì)算及材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的研究內(nèi)容。

考慮完全非線性的流固強(qiáng)耦合問題。在固體中考慮材料非線性與材料破壞,考慮大變形引起的幾何非線性問題以及屈曲現(xiàn)象等。在流體中采用納維-斯托克斯方程,考慮流體的分層、旋渦、晃動(dòng)、空化、飛濺的復(fù)雜流動(dòng)行為。在界面描述上需要融合歐拉坐標(biāo)與拉格朗日坐標(biāo),在計(jì)算格式上力圖兼顧有限元和差分法在處理流體運(yùn)動(dòng)和固體變形中的特長。發(fā)展真實(shí)、高效、高精度的流固界面模型。在流體激發(fā)振動(dòng)問題上考慮復(fù)雜的結(jié)構(gòu)陣列的復(fù)雜流體流動(dòng)。發(fā)展可應(yīng)用于典型工程流固耦合問題的分析軟件。巖土是一類具有復(fù)雜裂紋和孔隙分布且有液、氣占據(jù)裂隙的材料,其骨架的變形、破壞和裂隙中的流動(dòng)是一類特殊的流、固耦合問題。

彈性波在層狀介質(zhì)中的折射和反射以及在含孔洞或裂隙介質(zhì)中的衍射現(xiàn)象在地球物理勘探、無損檢測及結(jié)構(gòu)抗震和抗沖擊等方面起著重要的作用,當(dāng)物體受到?jīng)_擊載荷的作用,因材料及載荷強(qiáng)度的不同,除了彈性波外還可能發(fā)生粘彈性波、彈塑性波、粘彈塑性波和間斷波等,需要研究這些波的傳播以及引起的損傷、破壞或其他效應(yīng)。

所有的運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件普遍存在摩擦和磨損問題,材料的表面處理也和摩擦、磨損相關(guān)。它涉及很多基本的力學(xué)現(xiàn)象,包括:考慮彈塑性變形的接觸問題、材料的疲勞、微細(xì)裂縫的失穩(wěn)發(fā)展,碎末的形成和碎末墊層的緩沖作用、熱塑性和相變效應(yīng)等;在有潤滑流體的情形是流固耦合的問題,而在高速運(yùn)動(dòng)的情況則有局部的沖擊力學(xué)問題等。

本文摘錄自由鄭哲敏院士領(lǐng)銜的多名院士起草的《自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展之戰(zhàn)略研究報(bào)告》。