中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 热防护材料及其力学问题 杜善义 (哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,黑龙江哈尔滨市,150001) 超高声速飞行器是现代飞行器发展的主要趋势,随着飞行器飞行速度的不断提高,服役环境越 来越恶劣,耐高温材料是该类飞行器成败的关键之一.在热力环境中,材料的力学行为和结构安全 性分析至关重要.新材料与结构在超高温环境下的损伤及失效模式与传统材料相比有重要区别,因此,研究其性能表征和新的评价方法,并在此基础上设计材料是值得探索的问题.只有从根本上解 决了这些问题,才能满足现代飞行器发展的需求.本文将侧重讨论现代飞行器结构热防护材料的研 发与应用现状及其有待解决的力学问题,如: 热防护材料的需求与研发趋势 飞行器的生存能力是实现其功能和突防能力的前提条件, 结构安全是飞行器生存能力的最重 要体现,研究热防护材料实际上是保证在高温或超高温与力共同作用环境下飞行器结构的安全 性,从而保证其生存能力. 典型的热环境包括:高超声速飞行的大面积防热问题,战略导弹再入大气层的烧蚀问题, 先进或高超声速发动机(如超燃发动机)的高热与复杂力学环境问题等.这些环境不仅要求材 料耐高温,同时又要具有高比强、高比模以及其他功能.因此,发展结构/功能一体化或多功能 材料势在必行. 为适应此特种或极端环境要求,材料与力学以及设计工作者进行了大量研究,一系列耐高 温材料与结构应运而生.如特种高温合金,碳和陶瓷基复合材料等.本文将重点讨论碳/碳、混 杂碳/碳的一些耐温和抗烧蚀、抗冲击的特性.介绍耐高温高强体系材料,提出超高温(1800 0 C) 材料的耐高温、耐氧化、强韧化一些未解决的问题. 超高温环境下烧蚀材料应用及力学问题 热防护材料研究中有许多力学问题需要材料与力学工作者合作,进行学科交叉融合来解决. 本文介绍了超高温环境下力学性能测试手段,并用此对碳/碳等材料在超高温环境下的力学性能 进行了测试,给出了 2800 0 C 以上材料的强度和模量,同时也给出 2800 0 C 以上材料的热导率等 热物理性能,并进行了理论预报. 用自制的交流等离子电弧加热器模拟系统实现了对超高温和 力学环境的地面模拟,并用光谱分析方法测试烧蚀产物,并揭示了烧蚀机理.根据材料体系和 环境特征,建立了数值模拟理论和方法,并将数值模拟结果与实验进行比较,使实验模拟与数 值模拟相互完善.在此基础上,将烧蚀分为面烧蚀和体烧蚀两种,测试和分析了烧蚀率后退率, 建立了体烧蚀的分析模型,预报了体烧蚀后的宏观力学性能. 热防护材料性能表征与评价 提出材料在超高温下的性能表征方法以及环境因素对表征的影响,分析微结构演化对材料 宏观性能影响,以及基于防热和力学考虑的材料优化设计问题.对于一些新体系材料,如特殊 陶瓷体系材料热冲击下的氧化机理与强韧化问题,提出了非烧蚀材料在超高温环境下应用的有 关力学问题. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 多相超弹性介质中的表/界面效应 黄筑平 王建祥 (北京大学力学与工程科学系 100871) 用来预测非均质材料等效性质的经典细观力学无法描述夹杂的尺度效应.然而,在微小粒 子填充的复合材料等效性质的研究中,尺度效应往往是较为显著的.目前,有几种理论可以预 测具有尺度效应的复合材料的等效性质,如应变梯度理论、微极理论等等.但如何通过实验来 得到这些理论中材料的内禀尺寸仍有待于进一步研究. 材料在表/界面附近的力学性质往往与内部的性质不同.因此,对于微小尺度的结构和微小粒 子填充的复合材料来说,当其表/界面积与体积之比逐渐增大时,表/界面效应对其宏观力学行为 的影响将不再是可被忽略的.如果在分析中考虑了表/界面效应,那么,材料的力学行为自然与尺度 有关.近年来,随着微机电系统和纳米复合材料力学研究的不断深入,表/界面效应对微小结构和 含微小粒子填充复合材料力学行为影响的研究已愈来愈受到人们的关注. 对于计及表/界面效应的多相介质,除经典连续介质力学中的基本方程之外,还需要补充两类 方程: (1)关于表/界面性质的本构关系; (2)表/界面上的面力间断条件,即Young-Laplace 方程.然而,在以往的文献中,以上两类方程仅仅局限于一个"构型"的讨论,或一开始就以"小变 形"形式给出,因此无法直接用来对微小结构和纳米复合材料在变形过程中的宏观力学响应进行合 理的描述.这主要是因为: (1)即使在没有任何外力作用的参考构形中,也存在由表/界面应力所 诱导的"残余应力场" ,要描述微小结构和纳米复合材料的宏观力学响应,就需要考察从参考构形到 当前构形的变形过程中,由于上述"残余应力场"的变化所产生的影响. (2)要考察"残余应力场" 的变化, 就需要给出由于表/界面的面积和形状变化而引起的表/界面应力变化和曲率张量变化的定 量关系式.因此,对于计及表/界面效应的力学响应问题的研究,首先应该建立在有限变形分析的 基础上,然后才能进行"小变形"的简化. 根据以上讨论,本文系统地给出了能够用来描述具有表/界面效应的多相超弹性介质宏观力学 行为的理论框架.首先,本文给出了有限变形下多相超弹性介质的界面应力本构关系,并根据本文作 者提出的能量泛函的驻值条件,导出了 Lagrange 描述下的广义 Young-Laplace 方程.其次,本文给 出了用来描述由于"构型变化"所导致的"残余应力场"变化的基本方程,并进而对这组基本方程 作了"小变形"近似.本文还以球形粒子填充复合材料为例,给出了计及表/界面效应的复合材料 有效弹性模量的解析表达式.结果表明,具有液体表面性质的表/界面张力同样也影响纳米复合材 料的宏观力学行为,从而澄清了现有文献在这一问题上的错误认识. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 微尺度下材料的损伤机制及模型研究 李振环 (华中科技大学力学系,湖北省武汉,430074) 金属材料的塑性变形源于位错的运动,位错运动受阻是材料硬化的内在物理机制.在微米或亚 微米尺度下,由于晶界、相界、缺陷等微结构约束的阻碍作用,必然会在微结构约束前形成位错塞 积,为了维持微约束附近晶格变形的协调性,几何必需位错(GND)会不断地萌生和增殖,从而导致 细观变形的不均匀性.当非均匀变形的波长(或特征长度)与材料的"内禀特征尺寸"处于同一量 级时,材料变形的微尺度效应就凸现出来. 一般地讲,材料中细观变形的非均匀性可以来源于外加变形场的非均匀性,但即使在宏观均匀 变形场下,由于材料中"尺寸约束"和各种"微约束"的存在,细观尺度上的变形也是不均匀的. 因此,在微尺度下,材料变形、强化的尺度效应是内在的、普遍的.在过去的十余年中,一系列的 离散位错动力学模拟和微细观力学性能试验,如微压痕、微弯曲、微扭转、界面开裂、薄膜微拉伸、 含增强颗粒的金属基复合材料的变形,令人信服地证实了这种微尺度效应. 近年来,由于微机电技术的快速发展,各种微结构、微器件的尺度常常处在微米或亚微米量级, 研究尺度相关的损伤机制和模型对于各种微结构、微器件的强度设计和安全评定具有重要的理论意 义和工程价值. 本文从基于梯度塑性的理论分析、有限元计算和离散位错模拟等方面总结了我们在尺度相关的 损伤机制及损伤模型等方面的研究进展: (1)微米尺度下孔洞形核机理研究.通过引入基体/夹杂界面能,分析了夹杂尺度、形状对材 料细观应力场的耦合影响.结果表明,夹杂内部和夹杂/基体界面上的应力集中因子的大 小及其分布强烈地依赖于夹杂的尺寸和形状,并可能导致孔洞形核机理的改变,这对于深 入理解微尺度下孔洞的形核机制具有参考意义. (2)微米尺度下孔洞长大规律研究.通过对含椭球微孔洞的无限大体模型在远场三轴应力作用 下的宏、细观行为的研究,探讨了孔洞形状和尺度对其长大的耦合作用.研究结果表明, 存在与材料特征长度相关的临界孔洞尺寸,当椭球孔洞的等效半径小于临界孔洞半径时, 孔洞的长大受到明显抑制. (3)含微孔洞材料的尺度相关塑性势研究. 采用特殊的正交曲线坐标系并引入 "核函数"概念, "统一" 地研究了含长椭球、 球性和扁椭球孔洞的椭球体胞模型在三轴应力下的宏观响应, 得到了一种新的尺度相关的孔洞演化模型和宏观塑性本构势,该模型将 Gurson 和GLD 模 型的适用范围扩展到了微尺度范围. (4)金属基复合材料的尺度相关本构关系研究.基于含轴对称椭球夹杂问题的弹性位移场,构 造了基体位移场的结构;在此基础上,求解了含椭球夹杂(长椭球、球性和扁椭球)的椭 球体胞模型在远场应力场作用下的宏观响应,研究了椭球夹杂的形状、尺寸对金属基复合 材料宏观本构行为的影响. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 超轻多孔金属的多功能复合特性 卢天健 (西安交通大学 710049) 超轻多孔金属是在近年来随着材料制备和成形加工技术的发展而出现的一类新颖多功能材料, 按其微结构规则程度可分为无序和有序两大类,前者包括泡沫化材料,而后者主要是点阵材料.超 轻多孔金属与传统材料的最大不同在于其具有千变万化的微结构,在保持高孔隙率的前提下,孔径 可逐渐由毫米级减小到微米甚至纳米级.因此,多孔金属具有良好的可设计性,可以根据不同应用 的需求在制备前对其微细观结构进行创新构型优化设计及多功能、多学科协同设计. 多孔金属具有超轻(孔隙率>90%)、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能, 以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性质,既可作为许多应用的结构材料,也可作为 一些场合的功能材料,而一般情况下它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能工程材 料.多孔金属材料和结构在高能耗装备(汽车、高速列车、航空航天器、轮船等)的广泛应用,不 仅会大幅度降低对常规能源的需求,同时也可减少环境污染.本文将侧重讨论超轻多孔金属的如下 多功能复合特性: 超轻 超轻多孔材料的密度大大低于传统的固体材料.不同多孔材料的制备方法和工艺迥异,但 超轻多孔材料的孔隙率都很高( 90%) ,有时甚至高达 99%.也就是说其密度最小可以只有其 基体材料的 1%.以多孔泡沫铝为例,如果其空隙率是 96%,那么其密度则只有 0.108g/cm > 3 ,仅 是水密度的十分之一. 高强韧、耐撞击 大量的试验结果表明,多孔金属在承受压应力时其应力~应变曲线上的塑性变 形阶段(名义应变在 0.5%~75%范围)的应力几乎恒定不变.它们在变形时大量的能量被转变 为塑性能,以热量形式耗散,是用作撞击防护的优良材料.此外,多孔金属还是典型的韧性材 料,可以防止多孔金属构件存在裂纹和缺陷时发生瞬间的灾难性破坏,有利于人们监测其损伤 及发展.例如,泡沫铝合金填充结构在汽车上的应用包括用于正面碰撞的碰撞盒或卡车的 underride 保护器. 高比强、高比刚度 在航空工业已得到广泛应用的蜂窝铝层合板壳(闭孔)有很好的机械性能, 但其价格昂贵,同时其性能有很强的方向性.人们发现制造成本相对低得多的点阵材料的比刚 度几乎可与蜂窝材料相媲美,而其比强度甚至更高.同时,由于点阵材料多是开孔结构,它们 还具备有蜂窝材料所欠缺的多种其它功能,如强迫对流散热、降噪等. 高效散热、隔热 开孔的多孔金属在强迫对流下是优良的传热介质,可以作为承受高密度热流的 结构(如空天飞行器、超高速列车)和微电子器件(如高速芯体)的散热装置.此外,在高孔 隙率点阵桁架结构中填充隔热纤维(如Safill 氧化铝纤维) ,可达到隔热与承载的双重目的, 在航天结构隔热部件、电子设备热防护层、核电厂交换器隔热层等领域有广泛应用. 噪声管理 现有的初步研究表明,开孔的泡沫金属和点阵材料的吸声效果良好,而且当孔径在 0.1~0.5mm 之间时其吸声效果达到最优[15].与传统吸声材料相比,多孔金属具有高比刚度、 高比强度、无毒、耐腐蚀和耐高温等明显优势. 多功能集成 除了上述优点之外,多孔金属的另一特点在于其拥有大量的内部空间,较易实现多 功能集成.例如,如果把泡沫镍用作层合板的层芯,由于其具有极高的比表面积,还可同时作 为电池的化学反应媒介来提高其化学反应效率和电流密度,这样该材料既可用作结构部件来承 受机械载荷,又可以用作储能材料;如果将多孔材料制成层合结构(层芯以冷却剂流通加强散 热[18])且外层辅以更好的耐热(或烧蚀)材料,则可作为航天和空天飞行器中非常重要的高 效轻质隔热和散热结构材料;经过微结构优化设计的多孔材料与外表面吸波材料相结合可以更 好地在飞机和舰船上实现隐身和降噪;如果在多孔材料的某些部位有选择性地引入传感元件和 促动元件, 则可以实现机敏结构的各种功能, 用于飞行器形貌的主动控制、 展开式 (deployable) 空间望远镜及卫星反射等等. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 铁电材料非线性本构行为 王自强 刘峰(中国科学院力学研究所 LNM, 北京北四环西路 15 号100080) 铁电材料由于其力电耦合性能,被广泛应用于传感器、致动器、换能器等电子元件.作为智能 结构的核心材料,它还被应用于航空航天、精密仪器、自动控制、微机电系统等领域.大量实验研 究发现,当外加电场接近或超过矫顽电场时,铁电材料表现出强烈的非线性本构行为,这归结于铁 电材料的自发极化和电畴翻转. 物理实验证实铁电材料的畴变是一个复杂的物理过程.它主要由下列四个阶段组成:新畴成核、 新畴的纵向长大、新畴的横向扩张、新畴的合并.因此每个单电畴材料元素的电畴翻转并不是瞬间 完成的,而是随着外加应力场和电场的逐渐增加而逐渐完成的,也就是说畴变运动是个渐变过程. 目前许多理论来解释铁电材料的非线性本构行为.这些理论大体上可分为两类:一类是基于电畴翻 转的细观力学模型,另一类是基于热力学的宏观唯象模型.在Hwang 和MeMeeking(1998,1999) , Chen 和Lynch(1999) ,Steinkopff(1999)等的有限元计算中,都考虑了晶粒间的相互作用,并且 认为,当单位体积的材料发生电畴翻转释放的能量大于能量壁垒时,电畴发生瞬时完全的翻转,但 是电畴翻转会受到周围单元的约束,这种突然的电畴翻转会引起应力场和电场的局部集中,导致周 围的材料元素难以发生电畴翻转. 在裂纹尖端甚至会引起已经发生电畴翻转的材料元素又翻转回来, 从而造成电畴翻转的来回反复,使计算难以进行下去.为了避免这一问题,本文从畴壁运动是渐变 过程这一基本物理事实出发,引入材料元素电畴翻转体积分数. 本文发展了考虑电畴翻转体积分数的铁电材料本构关系.也就是说在本构关系中不仅考虑了力 电耦合作用和自发极化的影响,而且也考虑了电畴逐渐翻转对铁电材料本构关系的影响.建立了以 位移、电位移和电畴翻转体积分数为基本未知量的最小能量原理.以此为基础,导出了电畴翻转的 能量准则,该准则是 Hwang 等人提出的电畴翻转能量准则的推广和发展.利用该准则建立了求解电 畴翻转体积分数的解析公式,该解析公式是以电畴翻转体积分数为未知量的线性代数方程.该方程 的系数只含有未知的应变和电场强度,一旦应变和电场强度给定,就可以从这组线性代数方程解出 电畴翻转体积分数.本文进一步提出了以位移、电势和电畴翻转体积分数为基本未知量的最小势能 原理和相应的有限元计算公式.结合求解电畴翻转体积分数的解析公式,确定了有限元迭代算法. 从而使计算过程中材料元素的电畴翻转逐步完成,不会因为瞬时突然翻转导致局部的应力集中和电 场强度集中,使得整个计算能够顺利进行.整个计算是在外加载荷和外加电场强度逐步递增过程中 完成的. 针对 Lynch(1996)的实验提出了简化的二维计算模型.对力电耦合加载的实验进行了系统的 有限元分析.计算结果包括力电耦合加载下,铁电试样的电滞回线、蝶形曲线、材料元素电畴翻转 体积分数的演化过程和整个试样电畴翻转的演化过程,并且详细论述了单元开始电畴翻转以及电畴 翻转完成时的载荷状况.理论预测与实验结果符合良好. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 灾害环境下重大工程安全性基础研究进展* 谢和平 (四川大学,四川成都市,610065) 以南水北调、西电东送、西气东输、青藏铁路为标志的西部大开发基础设施正以前所未有的速 度在我国西部地区营建.我国西部地区具有全球最独特、最复杂的地质构造,第四纪以来,印度板 块向欧亚板块俯冲与挤压,致使青藏高原以 9.5mm/a 的速度快速隆升,波及范围横跨西部大部分地 区,由此派生出最强烈的现代地壳活动和高地应力场,致使西部地质环境的特殊性是我国其它地区 不可比拟的,强烈的构造活动也是世界上其它地区所没有的.且我国西部也是地质灾害频发的区域, 地质灾害表现为频度高、强度大、范围广、种类多,且呈现大型、群发和突发的特点.90 年代后期, 地质灾害发生的频率迅速增长,据不完全统计,1990-1995 年平均每年死亡 372 人,1996-2000 每年 死亡 1156 人,地质灾害给国民经济造成的损失高达 200 亿/年. 到2020 年,我国将重点建设 3.5 万公里高等级公路,还准备兴建川藏铁路、滇藏铁路,未来 10 年间,我国将在西部营建 10-20 个世界级大型水利水电工程,南水北调西线一期工程也在紧锣密 鼓的策划中.西部地区地质条件复杂,频发的地质灾害势必严重威胁重大工程的安全,另一方面, 重大工程的建设又会影响脆弱的地质环境、触发地质灾害.因此如何处理重大工程建设与脆弱地质 环境之间的关系,保障重大工程建设与运营过程中的安全性,减少重大工程对环境的扰动和破坏, 做到环境友好,是摆在我们面前急待解决的问题. 针对上述问题,科技部于 2002 年12 月正式启动了题为"灾害环境下重大工程安全性的基础研 究"的国家重点基础研究发展规划项目,旨在以高原、高山峡谷特殊环境、复杂地质条件和自然灾 害频发地区的重大基础设施建设中高陡边坡、深埋长隧洞、大型地下硐室以及高坝等典型工程结构 的安全性为背景,通过地学、力学、信息科学和工程科学的交叉综合分析,系统研究灾害环境下重 大工程安全性的基础科学问题,涉及复杂工程地质体结构及其力学特性的多尺度建模理论和方法、 多场耦合对复杂地质体的影响规律及其引起灾变的机理、灾害环境作用下工程体地质体变形破坏过 程及突发性灾害的成灾机理、地质工程系统在灾变过程中的响应模式与自适应性机理和规律、灾害 的时空预测理论与工程的安全防护原理等方面.经过项目组过去两年多的联合攻关,已在一些方向 上取得重要进展.本文将总结项目的部分研究进展尤其是出现创新性苗头的研究方向: (1) 基于工程体-地质体相互作用机理的两体力学模型.工程体-地质体相互作用机理一直是重 大工程稳定性研究的一个基本问题,研究重点集中在接触界面附近的材料非线性、几何非线性以及 渐进破坏过程研究.两体力学模型是针对地质体和结构体相互作用而提出的,通过研究两体的变形 和破坏过程,获得两体稳定和破坏准则,为工程体-地质体整体稳定性研究探索一条新途径.根据不 同接触界面涉及的两体问题,抽象出两体力学模型,进一步基于重力坝-坝基相互作用特点建立了两 体力学概化模型,将非均匀性和损伤本构引入到接触界面力学特性中,建立一个重力坝-坝基相互作 用有厚度非均质的接触面单元,揭示了重力坝-坝基-库水相互作用下重力坝表层滑移、浅层滑移和 深层滑移机理,再现了灾害环境下重大工程整体失稳过程. (2) 基于能量耗散与释放原理的岩体损伤强度模型与灾变准则.通过实验室和现场试验,分析 了岩体变形破坏过程中的损伤、能量释放与强度之间的本质联系,提出了基于能量耗散和能量释放 原理的岩体损伤强度模型和灾变破坏准则.指出岩体不连续变形破坏过程是一个能量耗散与能量释 放的过程,能量耗散使岩体产生损伤,并导致岩体力学性能劣化和强度丧失,而能量释放则是引发 单元突然破坏的内在原因.定义了岩体单元的耗散能、可释放应变能、强度丧失和灾变的概念,给 出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的灾变准则,以及各种应力状态下岩体单元 灾变的临界应力条件.基于能量耗散的损伤强度模型和基于可释放能量的灾变准则可以定量地解释 岩体静态和动态破坏行为的差别. * 国家 973 计划(2002CB412700)资助. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 光测力学新技术及应用 谢惠民 (清华大学工程力学系,北京,100084) 光测技术是实验力学中的重要手段,在宏观结构的应力、位移及变形测量中发挥了重要 作用.近二十年来,以云纹干涉、电子散斑干涉、数字相关分析为代表的全场变形光测技术 发展迅速,并在宏细观尺度下的全场变形研究中得到了推广应用.进入二十一世纪以来,微 纳米技术、信息技术和生物工程技术成为科学技术发展的火车头, 它们给力学学科发展带来 了机遇,提出了许多新问题, 解决这些问题,迫切需要发展实验力学新方法、新技术. 微/纳米力学实验方法的研究是当前实验力学学科的热点方向之一, 当前开辟沟通宏观到 微/纳观尺度位移、变形测量的技术途径有两类 [ :一类是以已有的宏观实验力学方法为基础, 提高测量变形的灵敏度和空间分辨率,向微观、纳观层次不断深入.以激光技术为基础的各 种干涉方法的倍增或相移技术已经使位移测量灵敏度达到百分之一波长,即纳米量级.另一 类则是从微/纳观向细观、宏观沟通,即利用先进的物理实验手段,如透射电子显微镜、扫描 电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等扫描探针显微技术, 利用其极高的空间分辨率的特点观测物质微结构的演化和发展过程.在基于变形的光测技术 中,解决视场和变形灵敏度的匹配问题是倍受关注的难点. 本文回顾了近期宏、微/纳观光测实验力学技术的研究进展,介绍了微/纳米尺度变形载 体制作新技术及其在相关和非相关光学测量中的应用.详细分析了微/纳观变形测量中,已有 相关和非相关光学方法的适用性.文中给出了相关和非相关光学变形测量技术在固体力学、 材料科学、微电子工程及其他交叉学科中应用的具体实例. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 含液多相多孔介质的稳定性问题 与失效破坏分析* 张洪武 ** (大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室、工程力学系,大连,116024) 含液多孔材料大量存在,如土壤、混凝土、生物组织材料以及具有特殊功能的空天结构材料等 等.含液多孔介质应变局部化问题的研究由于其内在的耦合作用使其比单相固体材料在数学背景上 要复杂的多.大量的实验研究已经证实了液体相的存在对材料总体性能的影响,例如结构基础土壤 内部孔隙水与气体流动与压力变化过程会对滑坡失稳演变过程的影响,应考虑渗流作用下介质破坏 的逐步演变过程(图1) . 在含液渗流多孔介质应变局部化有限元分析研究工作的现状进行简要的评述的基础上,介绍了 作者近年来在本领域的部分研究成果,其中主要包括:1) 含液材料应变局部化分析的稳定性理论与 材料的内尺度律预测问题 [1,10] ;2) 利用广义塑性本构模型对饱和土基应变局部化进行分析 [4, 7] ,其中 包括适用于广义塑性本构模型的一致性算法构建 [6] ;3) 引入梯度塑性模型与率相关本构模型进行含 液多孔介质的应变局部化分析 [2, 9] ,使有限元分析的正则性机制得到保证,但应当特别关注由于液相 存在引起的内禀尺度之间的相互作用问题 [3] ,为此提出了此时内尺度律预测的一个基本方法,并对问 题进行了稳定性分析,讨论了不同情况下实波速存在的条件,给出了在给定渗透系数情况下实波速 存在的波数区间 [1] (图2) ;4) 含液多孔材料的弹塑性应变局部化分析的解的不唯一性与分岔问题 [7, 8] ,研究了强间断情况下的分岔特征,讨论了常规解不唯一与应变局部化发生时解不唯一两者之间的 联系,特别关注渗流作用对分岔特征的影响,指出渗透系数将成为内尺度律参数而发生作用.5) 研 究了波动载荷下含液多孔介质的稳定性问题 [5] ,以及由于材料的各向异性特征对应变局部化特征的 影响等. -12.0 -10.0 -8.0 -6.0 -4.0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 K Log(k) 实波速区 K A Ⅰ K0 Log(k) K Log( k ) 图1应变局部化状态下剪切带内的饱和度特征 图2引入梯度塑性模型后的实波速对应的波数区域 (横轴:波数, 纵轴:渗透率的对数值) * 国家自然科学基金(10225212、10421002、10332010)与长江学者奖励计划资助项目 ** Tel. 0411-84706249, zhanghw@dlut.edu.cn 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 参考文献1. 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A. An internal length scale in dynamic strain localisation of multiphase porous media. Mechanics of Cohesive-Frictional Materials and Structures, 4, 443-460,1999. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 功能梯度材料与结构的力学研究进展 仲政(同济大学航空航天与力学学院 ,上海 200092) 功能梯度材料是一种多相材料,其设计思想是在材料的制备过程中,连续地控制各组分含量的 分布,使材料宏观特性在空间位置上呈现梯度变化,从而满足结构元件不同部位对材料使用性能的 不同要求,达到优化结构整体使用性能的目的.功能梯度材料在自然界早就存在,例如,竹子、贝 壳和动物的骨头就是天然的功能梯度材料.但是功能梯度材料作为一种材料设计的概念是日本科学 家在上个世纪 80 年代中期首先提出来的, 旨在满足航天、国防等高新技术领域对材料提出的苛刻 要求.最早研制的功能梯度材料一面为耐高温的陶瓷,而另一面为高强度、高韧性的金属,中间部 分为不同混合比的陶瓷和金属相.这种材料及结构中各组分相呈连续变化,不存在明显的界面,相 应的热力学性能和物理性能也呈现梯度变化的形式.通过对梯度材料进行剪裁,可设计出理想的功 能梯度复合材料及结构,使高温条件下表层陶瓷和底层金属之间热膨胀失配导致的热应力得到很大 程度的缓解.功能梯度复合材料的出现首先是高新技术发展的需要,而材料制造技术的进步及计算 机科学的发展又反过来推动了功能梯度材料的研制和发展. 由于功能梯度材料集功能与结构于一体, 具有良好的耐热性能、抗热冲击性能、抗热疲劳性能和较高的强度,因此它代表着超高温材料发展 的一个重要方向.近几年来,功能梯度材料及结构已引起国际学术界和工程界的广泛关注.现在人 们发现在核能源、电子、化学、光学、声学、生物医学等技术领域,功能梯度材料都有十分广阔的 应用前景. 功能梯度材料与结构的设计、制造与服役过程中提出了大量富有挑战性的力学研究课题,如功 能梯度材料与结构的静态与动态响应分析、破坏分析、材料基本力学性能测试、多场耦合问题、参 数识别、多目标的优化设计理论等.功能梯度材料固有的材料性能不均匀性,给力学分析带来了很 大的困难,以往针对均匀材料引入和发展的力学概念、理论、计算方案和实验手段有许多已不再适 用于功能梯度材料,需要进行探索和创新.对这些力学问题的深入研究,是进一步推广应用功能梯 度材料所不可缺少的,同时也推动了非均匀介质力学研究的发展.因此,对功能梯度材料与结构的 关键力学问题进行系统深入的研究,具有重要的理论意义和广阔的应用前景. 本文介绍了功能梯度材料与结构研制与使用中提出的关键力学问题, 论述了以下四个方面的力 学研究现状及发展趋势: (1)功能梯度材料的基本力学性能测试与表征; (2)功能梯度材料梁、板、壳结构分析的理论和 数值计算方法; (3)功能梯度材料的破坏与失效分析; (4)功能梯度材料与结构的优化设计. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 高温超导体磁热相互作用的磁通跳跃 稳定性研究进展1 周又和 2 杨小斌 (兰州大学力学系, 甘肃兰州,730000) 超导体在极低温环境条件下由磁热相互作用导致的磁通跳跃失稳现象自上世纪 60 年代在传统 II 型超导体中发现以来,有关超导磁通跳跃的实验研究与其临界磁场的理论预测一直是超导材料研 究的重要课题, 一方面是这类磁通跳跃现象将导致超导体的失超而使超导材料的应用范围受到限制, 另一方面通过模拟这类现象以达到揭示超导现象物理机制的目的.在高稳超导材料(即临界温度高 于液氮沸点温度的超导材料)于上世纪 80 年代后期发现以来,高温超导材料特性的研究就成为其应 用的热点研究内容之一,随之在高温块材的实验中也发现磁通跳跃失稳现象.实验研究发现:高温 超导体的磁通跳跃临界磁场和跳跃次数在低稳环境(小于 10K)不仅与致冷剂的环境温度有关,而 且还与外加磁场的速率有关;当外加磁场速率很高(大于 1T/s)时,超导体在发生第一次磁通跳跃 后不再发生磁通跳跃,而是在一低磁化水平下的磁滞回线.为了从理论上揭示出超导体磁通跳跃的 发生机制,目前主要采用的理论分析模式有两类:在热扩散与磁扩散相互耦合基础上, (1)在局部 绝热条件假设下,当受扰动后的热(或磁场强度)增量如果大于原始扰动热(或磁场强度)量,则 认为磁通跳跃发生,由此导出的临界磁场预测公式仅与环境温度相关联,而与外磁场变化速率无关; (2)假设在超导体内产生的扰动热量不产生体内温度上升,并假设如果系统能将全部扰动热量排除 到致冷剂内时,则不发生磁通跳跃,否则就发生磁通跳跃;在此假定下导出的磁通跳跃临界磁场不 仅与环境温度相关联,而且与外磁场变化速率的二次方根或三次方根成反比.其次,这两类模型均 给出环境温度直至超导体的临界温度(大于 77K)时超导体总可以发生磁通跳跃失稳的理论预测, 且在临界温度时磁通跳跃的临界磁场临界值为零,这与实验测得的温度相关特征也是不一致的,其次,所有目前的论文分析均不能给出超导体内的温度变化特征.比较理论预测的定量结果与实验测 量结果发现:前一模型预测的临界磁场要低于实验值约一个数量级,且不能反映出临界磁场随外磁 场速率变化的特征;后一模型的预测值则高于实验值一倍左右,且在很高外磁场速率时却均给出发 生磁通跳跃的预测.上述理论预测与实验测量特征及其定量结果之间的差异一直激励研究工作者进 一步寻找能刻画超导体磁通跳跃的模型,以揭示其发生机理.显然上述两模型采用的假设均与实际 发生较大偏差,且在超导体的电流-电压关系上处理过于简单.兰州大学电磁固体力学研究小组一直 致力于超导悬浮与失制以及超导磁体力学特性的研究.在超导磁通跳跃这一研究主题中,在放弃局 部绝热与等温假设与预先的失稳判剧后,通过考虑超导体的热传导(扩散)与Maxwell 电磁物理相 互耦合,以及在微观热助动磁通蠕动唯像理论基础上通过考虑 Kim-Anderson 超导模型导出的电压- 电流非线性特征关系(内含磁场与温度变量)所组成的基本模型,借助于差分法与叠代法对其非线 1 本项目研究受到科技部重点基础研究发展规划前期预研项目基金、国家自然科学基金重点项目基金、和国家自然科 学基金面上项目基金的资助 2 通讯作者:电子邮址:zhouyh@lzu.edu.cn, 联系电话:(0931)-8910340 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 性耦合问题进行数值求解来获得定量结果,在此基础上通过采用变步长方法搜索得到磁通跳跃的临 界磁场值.通过对 Si-超导体的模拟结果发现:目前的所有相关超导体的磁通跳跃实验特征不仅在 定性上均能给出良好预测,而且在临界磁场的预测定量结果上均与相关实验测量值保持良好一致, 从而在理论上有效地揭示了高稳超导体在极低温环境下发生磁通跳跃失稳的物理机制.理论模拟结 果表明:对于不太高的磁场速度情形(小于 1T/s),对应于每一次磁通跳跃失稳,超导体中心的温 度均对应发生一次跳跃,然后超导体随着超导临界温度升高导致临界电流的降低和热量迅速扩散使 超导体内的温度迅速返回到致冷剂的环境温度,超导体重新处于超导状态又开始新一轮磁热相互作 用下的磁通跳跃失稳,而且不同磁通跳跃和温度跳跃的幅度与超导体经历的外加磁场历程相关联. 对于在很高外磁场速率情形,所模拟结果揭示出了一新的磁热相互作用机制:其超导体在经历第一 次磁通跳跃后(相应内部中心点的温度上升 18K 左右) ,其内部中心温度不再跳回到致冷剂的环境温 度(4.2K) ,而是围绕14K左右的新的平衡工作温度以动态平衡方式上下波动(在10-18K范 围内) ,相应的磁化曲线变化特征与实验测量结果十分吻合,即处于低磁化水平下连续变化的磁滞回 线. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn
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中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 热防护材料及其力学问题 杜善义 (哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,黑龙江哈尔滨市,150001) 超高声速飞行器是现代飞行器发展的主要趋势,随着飞行器飞行速度的不断提高,服役环境越 来越恶劣,耐高温材料是该类飞行器成败的关键之一.在热力环境中,材料的力学行为和结构安全 性分析至关重要.新材料与结构在超高温环境下的损伤及失效模式与传统材料相比有重要区别,因此,研究其性能表征和新的评价方法,并在此基础上设计材料是值得探索的问题.只有从根本上解 决了这些问题,才能满足现代飞行器发展的需求.本文将侧重讨论现代飞行器结构热防护材料的研 发与应用现状及其有待解决的力学问题,如: 热防护材料的需求与研发趋势 飞行器的生存能力是实现其功能和突防能力的前提条件, 结构安全是飞行器生存能力的最重 要体现,研究热防护材料实际上是保证在高温或超高温与力共同作用环境下飞行器结构的安全 性,从而保证其生存能力. 典型的热环境包括:高超声速飞行的大面积防热问题,战略导弹再入大气层的烧蚀问题, 先进或高超声速发动机(如超燃发动机)的高热与复杂力学环境问题等.这些环境不仅要求材 料耐高温,同时又要具有高比强、高比模以及其他功能.因此,发展结构/功能一体化或多功能 材料势在必行. 为适应此特种或极端环境要求,材料与力学以及设计工作者进行了大量研究,一系列耐高 温材料与结构应运而生.如特种高温合金,碳和陶瓷基复合材料等.本文将重点讨论碳/碳、混 杂碳/碳的一些耐温和抗烧蚀、抗冲击的特性.介绍耐高温高强体系材料,提出超高温(1800 0 C) 材料的耐高温、耐氧化、强韧化一些未解决的问题. 超高温环境下烧蚀材料应用及力学问题 热防护材料研究中有许多力学问题需要材料与力学工作者合作,进行学科交叉融合来解决. 本文介绍了超高温环境下力学性能测试手段,并用此对碳/碳等材料在超高温环境下的力学性能 进行了测试,给出了 2800 0 C 以上材料的强度和模量,同时也给出 2800 0 C 以上材料的热导率等 热物理性能,并进行了理论预报. 用自制的交流等离子电弧加热器模拟系统实现了对超高温和 力学环境的地面模拟,并用光谱分析方法测试烧蚀产物,并揭示了烧蚀机理.根据材料体系和 环境特征,建立了数值模拟理论和方法,并将数值模拟结果与实验进行比较,使实验模拟与数 值模拟相互完善.在此基础上,将烧蚀分为面烧蚀和体烧蚀两种,测试和分析了烧蚀率后退率, 建立了体烧蚀的分析模型,预报了体烧蚀后的宏观力学性能. 热防护材料性能表征与评价 提出材料在超高温下的性能表征方法以及环境因素对表征的影响,分析微结构演化对材料 宏观性能影响,以及基于防热和力学考虑的材料优化设计问题.对于一些新体系材料,如特殊 陶瓷体系材料热冲击下的氧化机理与强韧化问题,提出了非烧蚀材料在超高温环境下应用的有 关力学问题. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 多相超弹性介质中的表/界面效应 黄筑平 王建祥 (北京大学力学与工程科学系 100871) 用来预测非均质材料等效性质的经典细观力学无法描述夹杂的尺度效应.然而,在微小粒 子填充的复合材料等效性质的研究中,尺度效应往往是较为显著的.目前,有几种理论可以预 测具有尺度效应的复合材料的等效性质,如应变梯度理论、微极理论等等.但如何通过实验来 得到这些理论中材料的内禀尺寸仍有待于进一步研究. 材料在表/界面附近的力学性质往往与内部的性质不同.因此,对于微小尺度的结构和微小粒 子填充的复合材料来说,当其表/界面积与体积之比逐渐增大时,表/界面效应对其宏观力学行为 的影响将不再是可被忽略的.如果在分析中考虑了表/界面效应,那么,材料的力学行为自然与尺度 有关.近年来,随着微机电系统和纳米复合材料力学研究的不断深入,表/界面效应对微小结构和 含微小粒子填充复合材料力学行为影响的研究已愈来愈受到人们的关注. 对于计及表/界面效应的多相介质,除经典连续介质力学中的基本方程之外,还需要补充两类 方程: (1)关于表/界面性质的本构关系; (2)表/界面上的面力间断条件,即Young-Laplace 方程.然而,在以往的文献中,以上两类方程仅仅局限于一个"构型"的讨论,或一开始就以"小变 形"形式给出,因此无法直接用来对微小结构和纳米复合材料在变形过程中的宏观力学响应进行合 理的描述.这主要是因为: (1)即使在没有任何外力作用的参考构形中,也存在由表/界面应力所 诱导的"残余应力场" ,要描述微小结构和纳米复合材料的宏观力学响应,就需要考察从参考构形到 当前构形的变形过程中,由于上述"残余应力场"的变化所产生的影响. (2)要考察"残余应力场" 的变化, 就需要给出由于表/界面的面积和形状变化而引起的表/界面应力变化和曲率张量变化的定 量关系式.因此,对于计及表/界面效应的力学响应问题的研究,首先应该建立在有限变形分析的 基础上,然后才能进行"小变形"的简化. 根据以上讨论,本文系统地给出了能够用来描述具有表/界面效应的多相超弹性介质宏观力学 行为的理论框架.首先,本文给出了有限变形下多相超弹性介质的界面应力本构关系,并根据本文作 者提出的能量泛函的驻值条件,导出了 Lagrange 描述下的广义 Young-Laplace 方程.其次,本文给 出了用来描述由于"构型变化"所导致的"残余应力场"变化的基本方程,并进而对这组基本方程 作了"小变形"近似.本文还以球形粒子填充复合材料为例,给出了计及表/界面效应的复合材料 有效弹性模量的解析表达式.结果表明,具有液体表面性质的表/界面张力同样也影响纳米复合材 料的宏观力学行为,从而澄清了现有文献在这一问题上的错误认识. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 微尺度下材料的损伤机制及模型研究 李振环 (华中科技大学力学系,湖北省武汉,430074) 金属材料的塑性变形源于位错的运动,位错运动受阻是材料硬化的内在物理机制.在微米或亚 微米尺度下,由于晶界、相界、缺陷等微结构约束的阻碍作用,必然会在微结构约束前形成位错塞 积,为了维持微约束附近晶格变形的协调性,几何必需位错(GND)会不断地萌生和增殖,从而导致 细观变形的不均匀性.当非均匀变形的波长(或特征长度)与材料的"内禀特征尺寸"处于同一量 级时,材料变形的微尺度效应就凸现出来. 一般地讲,材料中细观变形的非均匀性可以来源于外加变形场的非均匀性,但即使在宏观均匀 变形场下,由于材料中"尺寸约束"和各种"微约束"的存在,细观尺度上的变形也是不均匀的. 因此,在微尺度下,材料变形、强化的尺度效应是内在的、普遍的.在过去的十余年中,一系列的 离散位错动力学模拟和微细观力学性能试验,如微压痕、微弯曲、微扭转、界面开裂、薄膜微拉伸、 含增强颗粒的金属基复合材料的变形,令人信服地证实了这种微尺度效应. 近年来,由于微机电技术的快速发展,各种微结构、微器件的尺度常常处在微米或亚微米量级, 研究尺度相关的损伤机制和模型对于各种微结构、微器件的强度设计和安全评定具有重要的理论意 义和工程价值. 本文从基于梯度塑性的理论分析、有限元计算和离散位错模拟等方面总结了我们在尺度相关的 损伤机制及损伤模型等方面的研究进展: (1)微米尺度下孔洞形核机理研究.通过引入基体/夹杂界面能,分析了夹杂尺度、形状对材 料细观应力场的耦合影响.结果表明,夹杂内部和夹杂/基体界面上的应力集中因子的大 小及其分布强烈地依赖于夹杂的尺寸和形状,并可能导致孔洞形核机理的改变,这对于深 入理解微尺度下孔洞的形核机制具有参考意义. (2)微米尺度下孔洞长大规律研究.通过对含椭球微孔洞的无限大体模型在远场三轴应力作用 下的宏、细观行为的研究,探讨了孔洞形状和尺度对其长大的耦合作用.研究结果表明, 存在与材料特征长度相关的临界孔洞尺寸,当椭球孔洞的等效半径小于临界孔洞半径时, 孔洞的长大受到明显抑制. (3)含微孔洞材料的尺度相关塑性势研究. 采用特殊的正交曲线坐标系并引入 "核函数"概念, "统一" 地研究了含长椭球、 球性和扁椭球孔洞的椭球体胞模型在三轴应力下的宏观响应, 得到了一种新的尺度相关的孔洞演化模型和宏观塑性本构势,该模型将 Gurson 和GLD 模 型的适用范围扩展到了微尺度范围. (4)金属基复合材料的尺度相关本构关系研究.基于含轴对称椭球夹杂问题的弹性位移场,构 造了基体位移场的结构;在此基础上,求解了含椭球夹杂(长椭球、球性和扁椭球)的椭 球体胞模型在远场应力场作用下的宏观响应,研究了椭球夹杂的形状、尺寸对金属基复合 材料宏观本构行为的影响. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 超轻多孔金属的多功能复合特性 卢天健 (西安交通大学 710049) 超轻多孔金属是在近年来随着材料制备和成形加工技术的发展而出现的一类新颖多功能材料, 按其微结构规则程度可分为无序和有序两大类,前者包括泡沫化材料,而后者主要是点阵材料.超 轻多孔金属与传统材料的最大不同在于其具有千变万化的微结构,在保持高孔隙率的前提下,孔径 可逐渐由毫米级减小到微米甚至纳米级.因此,多孔金属具有良好的可设计性,可以根据不同应用 的需求在制备前对其微细观结构进行创新构型优化设计及多功能、多学科协同设计. 多孔金属具有超轻(孔隙率>90%)、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能, 以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性质,既可作为许多应用的结构材料,也可作为 一些场合的功能材料,而一般情况下它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能工程材 料.多孔金属材料和结构在高能耗装备(汽车、高速列车、航空航天器、轮船等)的广泛应用,不 仅会大幅度降低对常规能源的需求,同时也可减少环境污染.本文将侧重讨论超轻多孔金属的如下 多功能复合特性: 超轻 超轻多孔材料的密度大大低于传统的固体材料.不同多孔材料的制备方法和工艺迥异,但 超轻多孔材料的孔隙率都很高( 90%) ,有时甚至高达 99%.也就是说其密度最小可以只有其 基体材料的 1%.以多孔泡沫铝为例,如果其空隙率是 96%,那么其密度则只有 0.108g/cm > 3 ,仅 是水密度的十分之一. 高强韧、耐撞击 大量的试验结果表明,多孔金属在承受压应力时其应力~应变曲线上的塑性变 形阶段(名义应变在 0.5%~75%范围)的应力几乎恒定不变.它们在变形时大量的能量被转变 为塑性能,以热量形式耗散,是用作撞击防护的优良材料.此外,多孔金属还是典型的韧性材 料,可以防止多孔金属构件存在裂纹和缺陷时发生瞬间的灾难性破坏,有利于人们监测其损伤 及发展.例如,泡沫铝合金填充结构在汽车上的应用包括用于正面碰撞的碰撞盒或卡车的 underride 保护器. 高比强、高比刚度 在航空工业已得到广泛应用的蜂窝铝层合板壳(闭孔)有很好的机械性能, 但其价格昂贵,同时其性能有很强的方向性.人们发现制造成本相对低得多的点阵材料的比刚 度几乎可与蜂窝材料相媲美,而其比强度甚至更高.同时,由于点阵材料多是开孔结构,它们 还具备有蜂窝材料所欠缺的多种其它功能,如强迫对流散热、降噪等. 高效散热、隔热 开孔的多孔金属在强迫对流下是优良的传热介质,可以作为承受高密度热流的 结构(如空天飞行器、超高速列车)和微电子器件(如高速芯体)的散热装置.此外,在高孔 隙率点阵桁架结构中填充隔热纤维(如Safill 氧化铝纤维) ,可达到隔热与承载的双重目的, 在航天结构隔热部件、电子设备热防护层、核电厂交换器隔热层等领域有广泛应用. 噪声管理 现有的初步研究表明,开孔的泡沫金属和点阵材料的吸声效果良好,而且当孔径在 0.1~0.5mm 之间时其吸声效果达到最优[15].与传统吸声材料相比,多孔金属具有高比刚度、 高比强度、无毒、耐腐蚀和耐高温等明显优势. 多功能集成 除了上述优点之外,多孔金属的另一特点在于其拥有大量的内部空间,较易实现多 功能集成.例如,如果把泡沫镍用作层合板的层芯,由于其具有极高的比表面积,还可同时作 为电池的化学反应媒介来提高其化学反应效率和电流密度,这样该材料既可用作结构部件来承 受机械载荷,又可以用作储能材料;如果将多孔材料制成层合结构(层芯以冷却剂流通加强散 热[18])且外层辅以更好的耐热(或烧蚀)材料,则可作为航天和空天飞行器中非常重要的高 效轻质隔热和散热结构材料;经过微结构优化设计的多孔材料与外表面吸波材料相结合可以更 好地在飞机和舰船上实现隐身和降噪;如果在多孔材料的某些部位有选择性地引入传感元件和 促动元件, 则可以实现机敏结构的各种功能, 用于飞行器形貌的主动控制、 展开式 (deployable) 空间望远镜及卫星反射等等. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 铁电材料非线性本构行为 王自强 刘峰(中国科学院力学研究所 LNM, 北京北四环西路 15 号100080) 铁电材料由于其力电耦合性能,被广泛应用于传感器、致动器、换能器等电子元件.作为智能 结构的核心材料,它还被应用于航空航天、精密仪器、自动控制、微机电系统等领域.大量实验研 究发现,当外加电场接近或超过矫顽电场时,铁电材料表现出强烈的非线性本构行为,这归结于铁 电材料的自发极化和电畴翻转. 物理实验证实铁电材料的畴变是一个复杂的物理过程.它主要由下列四个阶段组成:新畴成核、 新畴的纵向长大、新畴的横向扩张、新畴的合并.因此每个单电畴材料元素的电畴翻转并不是瞬间 完成的,而是随着外加应力场和电场的逐渐增加而逐渐完成的,也就是说畴变运动是个渐变过程. 目前许多理论来解释铁电材料的非线性本构行为.这些理论大体上可分为两类:一类是基于电畴翻 转的细观力学模型,另一类是基于热力学的宏观唯象模型.在Hwang 和MeMeeking(1998,1999) , Chen 和Lynch(1999) ,Steinkopff(1999)等的有限元计算中,都考虑了晶粒间的相互作用,并且 认为,当单位体积的材料发生电畴翻转释放的能量大于能量壁垒时,电畴发生瞬时完全的翻转,但 是电畴翻转会受到周围单元的约束,这种突然的电畴翻转会引起应力场和电场的局部集中,导致周 围的材料元素难以发生电畴翻转. 在裂纹尖端甚至会引起已经发生电畴翻转的材料元素又翻转回来, 从而造成电畴翻转的来回反复,使计算难以进行下去.为了避免这一问题,本文从畴壁运动是渐变 过程这一基本物理事实出发,引入材料元素电畴翻转体积分数. 本文发展了考虑电畴翻转体积分数的铁电材料本构关系.也就是说在本构关系中不仅考虑了力 电耦合作用和自发极化的影响,而且也考虑了电畴逐渐翻转对铁电材料本构关系的影响.建立了以 位移、电位移和电畴翻转体积分数为基本未知量的最小能量原理.以此为基础,导出了电畴翻转的 能量准则,该准则是 Hwang 等人提出的电畴翻转能量准则的推广和发展.利用该准则建立了求解电 畴翻转体积分数的解析公式,该解析公式是以电畴翻转体积分数为未知量的线性代数方程.该方程 的系数只含有未知的应变和电场强度,一旦应变和电场强度给定,就可以从这组线性代数方程解出 电畴翻转体积分数.本文进一步提出了以位移、电势和电畴翻转体积分数为基本未知量的最小势能 原理和相应的有限元计算公式.结合求解电畴翻转体积分数的解析公式,确定了有限元迭代算法. 从而使计算过程中材料元素的电畴翻转逐步完成,不会因为瞬时突然翻转导致局部的应力集中和电 场强度集中,使得整个计算能够顺利进行.整个计算是在外加载荷和外加电场强度逐步递增过程中 完成的. 针对 Lynch(1996)的实验提出了简化的二维计算模型.对力电耦合加载的实验进行了系统的 有限元分析.计算结果包括力电耦合加载下,铁电试样的电滞回线、蝶形曲线、材料元素电畴翻转 体积分数的演化过程和整个试样电畴翻转的演化过程,并且详细论述了单元开始电畴翻转以及电畴 翻转完成时的载荷状况.理论预测与实验结果符合良好. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 灾害环境下重大工程安全性基础研究进展* 谢和平 (四川大学,四川成都市,610065) 以南水北调、西电东送、西气东输、青藏铁路为标志的西部大开发基础设施正以前所未有的速 度在我国西部地区营建.我国西部地区具有全球最独特、最复杂的地质构造,第四纪以来,印度板 块向欧亚板块俯冲与挤压,致使青藏高原以 9.5mm/a 的速度快速隆升,波及范围横跨西部大部分地 区,由此派生出最强烈的现代地壳活动和高地应力场,致使西部地质环境的特殊性是我国其它地区 不可比拟的,强烈的构造活动也是世界上其它地区所没有的.且我国西部也是地质灾害频发的区域, 地质灾害表现为频度高、强度大、范围广、种类多,且呈现大型、群发和突发的特点.90 年代后期, 地质灾害发生的频率迅速增长,据不完全统计,1990-1995 年平均每年死亡 372 人,1996-2000 每年 死亡 1156 人,地质灾害给国民经济造成的损失高达 200 亿/年. 到2020 年,我国将重点建设 3.5 万公里高等级公路,还准备兴建川藏铁路、滇藏铁路,未来 10 年间,我国将在西部营建 10-20 个世界级大型水利水电工程,南水北调西线一期工程也在紧锣密 鼓的策划中.西部地区地质条件复杂,频发的地质灾害势必严重威胁重大工程的安全,另一方面, 重大工程的建设又会影响脆弱的地质环境、触发地质灾害.因此如何处理重大工程建设与脆弱地质 环境之间的关系,保障重大工程建设与运营过程中的安全性,减少重大工程对环境的扰动和破坏, 做到环境友好,是摆在我们面前急待解决的问题. 针对上述问题,科技部于 2002 年12 月正式启动了题为"灾害环境下重大工程安全性的基础研 究"的国家重点基础研究发展规划项目,旨在以高原、高山峡谷特殊环境、复杂地质条件和自然灾 害频发地区的重大基础设施建设中高陡边坡、深埋长隧洞、大型地下硐室以及高坝等典型工程结构 的安全性为背景,通过地学、力学、信息科学和工程科学的交叉综合分析,系统研究灾害环境下重 大工程安全性的基础科学问题,涉及复杂工程地质体结构及其力学特性的多尺度建模理论和方法、 多场耦合对复杂地质体的影响规律及其引起灾变的机理、灾害环境作用下工程体地质体变形破坏过 程及突发性灾害的成灾机理、地质工程系统在灾变过程中的响应模式与自适应性机理和规律、灾害 的时空预测理论与工程的安全防护原理等方面.经过项目组过去两年多的联合攻关,已在一些方向 上取得重要进展.本文将总结项目的部分研究进展尤其是出现创新性苗头的研究方向: (1) 基于工程体-地质体相互作用机理的两体力学模型.工程体-地质体相互作用机理一直是重 大工程稳定性研究的一个基本问题,研究重点集中在接触界面附近的材料非线性、几何非线性以及 渐进破坏过程研究.两体力学模型是针对地质体和结构体相互作用而提出的,通过研究两体的变形 和破坏过程,获得两体稳定和破坏准则,为工程体-地质体整体稳定性研究探索一条新途径.根据不 同接触界面涉及的两体问题,抽象出两体力学模型,进一步基于重力坝-坝基相互作用特点建立了两 体力学概化模型,将非均匀性和损伤本构引入到接触界面力学特性中,建立一个重力坝-坝基相互作 用有厚度非均质的接触面单元,揭示了重力坝-坝基-库水相互作用下重力坝表层滑移、浅层滑移和 深层滑移机理,再现了灾害环境下重大工程整体失稳过程. (2) 基于能量耗散与释放原理的岩体损伤强度模型与灾变准则.通过实验室和现场试验,分析 了岩体变形破坏过程中的损伤、能量释放与强度之间的本质联系,提出了基于能量耗散和能量释放 原理的岩体损伤强度模型和灾变破坏准则.指出岩体不连续变形破坏过程是一个能量耗散与能量释 放的过程,能量耗散使岩体产生损伤,并导致岩体力学性能劣化和强度丧失,而能量释放则是引发 单元突然破坏的内在原因.定义了岩体单元的耗散能、可释放应变能、强度丧失和灾变的概念,给 出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的灾变准则,以及各种应力状态下岩体单元 灾变的临界应力条件.基于能量耗散的损伤强度模型和基于可释放能量的灾变准则可以定量地解释 岩体静态和动态破坏行为的差别. * 国家 973 计划(2002CB412700)资助. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 光测力学新技术及应用 谢惠民 (清华大学工程力学系,北京,100084) 光测技术是实验力学中的重要手段,在宏观结构的应力、位移及变形测量中发挥了重要 作用.近二十年来,以云纹干涉、电子散斑干涉、数字相关分析为代表的全场变形光测技术 发展迅速,并在宏细观尺度下的全场变形研究中得到了推广应用.进入二十一世纪以来,微 纳米技术、信息技术和生物工程技术成为科学技术发展的火车头, 它们给力学学科发展带来 了机遇,提出了许多新问题, 解决这些问题,迫切需要发展实验力学新方法、新技术. 微/纳米力学实验方法的研究是当前实验力学学科的热点方向之一, 当前开辟沟通宏观到 微/纳观尺度位移、变形测量的技术途径有两类 [ :一类是以已有的宏观实验力学方法为基础, 提高测量变形的灵敏度和空间分辨率,向微观、纳观层次不断深入.以激光技术为基础的各 种干涉方法的倍增或相移技术已经使位移测量灵敏度达到百分之一波长,即纳米量级.另一 类则是从微/纳观向细观、宏观沟通,即利用先进的物理实验手段,如透射电子显微镜、扫描 电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等扫描探针显微技术, 利用其极高的空间分辨率的特点观测物质微结构的演化和发展过程.在基于变形的光测技术 中,解决视场和变形灵敏度的匹配问题是倍受关注的难点. 本文回顾了近期宏、微/纳观光测实验力学技术的研究进展,介绍了微/纳米尺度变形载 体制作新技术及其在相关和非相关光学测量中的应用.详细分析了微/纳观变形测量中,已有 相关和非相关光学方法的适用性.文中给出了相关和非相关光学变形测量技术在固体力学、 材料科学、微电子工程及其他交叉学科中应用的具体实例. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 含液多相多孔介质的稳定性问题 与失效破坏分析* 张洪武 ** (大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室、工程力学系,大连,116024) 含液多孔材料大量存在,如土壤、混凝土、生物组织材料以及具有特殊功能的空天结构材料等 等.含液多孔介质应变局部化问题的研究由于其内在的耦合作用使其比单相固体材料在数学背景上 要复杂的多.大量的实验研究已经证实了液体相的存在对材料总体性能的影响,例如结构基础土壤 内部孔隙水与气体流动与压力变化过程会对滑坡失稳演变过程的影响,应考虑渗流作用下介质破坏 的逐步演变过程(图1) . 在含液渗流多孔介质应变局部化有限元分析研究工作的现状进行简要的评述的基础上,介绍了 作者近年来在本领域的部分研究成果,其中主要包括:1) 含液材料应变局部化分析的稳定性理论与 材料的内尺度律预测问题 [1,10] ;2) 利用广义塑性本构模型对饱和土基应变局部化进行分析 [4, 7] ,其中 包括适用于广义塑性本构模型的一致性算法构建 [6] ;3) 引入梯度塑性模型与率相关本构模型进行含 液多孔介质的应变局部化分析 [2, 9] ,使有限元分析的正则性机制得到保证,但应当特别关注由于液相 存在引起的内禀尺度之间的相互作用问题 [3] ,为此提出了此时内尺度律预测的一个基本方法,并对问 题进行了稳定性分析,讨论了不同情况下实波速存在的条件,给出了在给定渗透系数情况下实波速 存在的波数区间 [1] (图2) ;4) 含液多孔材料的弹塑性应变局部化分析的解的不唯一性与分岔问题 [7, 8] ,研究了强间断情况下的分岔特征,讨论了常规解不唯一与应变局部化发生时解不唯一两者之间的 联系,特别关注渗流作用对分岔特征的影响,指出渗透系数将成为内尺度律参数而发生作用.5) 研 究了波动载荷下含液多孔介质的稳定性问题 [5] ,以及由于材料的各向异性特征对应变局部化特征的 影响等. -12.0 -10.0 -8.0 -6.0 -4.0 0 4 8 12 16 20 24 28 32 K Log(k) 实波速区 K A Ⅰ K0 Log(k) K Log( k ) 图1应变局部化状态下剪切带内的饱和度特征 图2引入梯度塑性模型后的实波速对应的波数区域 (横轴:波数, 纵轴:渗透率的对数值) * 国家自然科学基金(10225212、10421002、10332010)与长江学者奖励计划资助项目 ** Tel. 0411-84706249, zhanghw@dlut.edu.cn 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 参考文献1. Zhang H. W., Schrefler B. A. Particular aspects of internal length scales in strain localization analysis of multiphase porous materials. Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 193, 2867–2884, 2004. 2. Zhang H. W., Zhang, X. W., Chen, J. S. A new algorithm for numerical solution of dynamic elastic-plastic hardening and softening problems. Computers and Structures, 81(17), 1739-1749, 2003. 3. Zhang H. W., Schrefler B. A. Wriggers P., Interaction between different internal length scales for strain localisation analysis of single phase materials. Computational Mechanics, 30, 212–219, 2003. 4. Zhang H. W., Schrefler B. A., Analytical and numerical investigation of uniqueness and localization in saturated porous media. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 26(14), 1429-1448, 2002. 5. Li X. K., Zhang J. B., Zhang H. W. Instability of wave propagation in saturated poroelastoplastic media. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 26(6), 563-578, 2002. 6. Zhang H. W., Heeres O. M., de Borst R., Schrefler B. A. Implicit integration of a generalized plasticity constitutive model for partially saturated soil. Engineering Computations, 18(1/2), 314-336, 2001. 7. Zhang H. W. and Schrefler B. A. Uniqueness and localisation analysis of elastic-plastic saturated porous media. Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech., 25, 29-48, 2001. 8. Zhang H. W., Sanavia L. and Schrefler B. A., Numerical analysis of dynamic strain localisation in initially water saturated dense sand with a modified generalised plasticity model. Computers and Structures, 79, 441-459, 2001. 9. Zhang H. W. and Schrefler B. A. Gradient-dependent plasticity model and dynamic strain localisation analysis of saturated and partially saturated porous media: one dimensional model. European Journal of Solid Mechanics, A/Solids, 19(3), 503-524, 2000. 10. Zhang H. W., Sanavia L., Schrefler B. A. An internal length scale in dynamic strain localisation of multiphase porous media. Mechanics of Cohesive-Frictional Materials and Structures, 4, 443-460,1999. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 功能梯度材料与结构的力学研究进展 仲政(同济大学航空航天与力学学院 ,上海 200092) 功能梯度材料是一种多相材料,其设计思想是在材料的制备过程中,连续地控制各组分含量的 分布,使材料宏观特性在空间位置上呈现梯度变化,从而满足结构元件不同部位对材料使用性能的 不同要求,达到优化结构整体使用性能的目的.功能梯度材料在自然界早就存在,例如,竹子、贝 壳和动物的骨头就是天然的功能梯度材料.但是功能梯度材料作为一种材料设计的概念是日本科学 家在上个世纪 80 年代中期首先提出来的, 旨在满足航天、国防等高新技术领域对材料提出的苛刻 要求.最早研制的功能梯度材料一面为耐高温的陶瓷,而另一面为高强度、高韧性的金属,中间部 分为不同混合比的陶瓷和金属相.这种材料及结构中各组分相呈连续变化,不存在明显的界面,相 应的热力学性能和物理性能也呈现梯度变化的形式.通过对梯度材料进行剪裁,可设计出理想的功 能梯度复合材料及结构,使高温条件下表层陶瓷和底层金属之间热膨胀失配导致的热应力得到很大 程度的缓解.功能梯度复合材料的出现首先是高新技术发展的需要,而材料制造技术的进步及计算 机科学的发展又反过来推动了功能梯度材料的研制和发展. 由于功能梯度材料集功能与结构于一体, 具有良好的耐热性能、抗热冲击性能、抗热疲劳性能和较高的强度,因此它代表着超高温材料发展 的一个重要方向.近几年来,功能梯度材料及结构已引起国际学术界和工程界的广泛关注.现在人 们发现在核能源、电子、化学、光学、声学、生物医学等技术领域,功能梯度材料都有十分广阔的 应用前景. 功能梯度材料与结构的设计、制造与服役过程中提出了大量富有挑战性的力学研究课题,如功 能梯度材料与结构的静态与动态响应分析、破坏分析、材料基本力学性能测试、多场耦合问题、参 数识别、多目标的优化设计理论等.功能梯度材料固有的材料性能不均匀性,给力学分析带来了很 大的困难,以往针对均匀材料引入和发展的力学概念、理论、计算方案和实验手段有许多已不再适 用于功能梯度材料,需要进行探索和创新.对这些力学问题的深入研究,是进一步推广应用功能梯 度材料所不可缺少的,同时也推动了非均匀介质力学研究的发展.因此,对功能梯度材料与结构的 关键力学问题进行系统深入的研究,具有重要的理论意义和广阔的应用前景. 本文介绍了功能梯度材料与结构研制与使用中提出的关键力学问题, 论述了以下四个方面的力 学研究现状及发展趋势: (1)功能梯度材料的基本力学性能测试与表征; (2)功能梯度材料梁、板、壳结构分析的理论和 数值计算方法; (3)功能梯度材料的破坏与失效分析; (4)功能梯度材料与结构的优化设计. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 高温超导体磁热相互作用的磁通跳跃 稳定性研究进展1 周又和 2 杨小斌 (兰州大学力学系, 甘肃兰州,730000) 超导体在极低温环境条件下由磁热相互作用导致的磁通跳跃失稳现象自上世纪 60 年代在传统 II 型超导体中发现以来,有关超导磁通跳跃的实验研究与其临界磁场的理论预测一直是超导材料研 究的重要课题, 一方面是这类磁通跳跃现象将导致超导体的失超而使超导材料的应用范围受到限制, 另一方面通过模拟这类现象以达到揭示超导现象物理机制的目的.在高稳超导材料(即临界温度高 于液氮沸点温度的超导材料)于上世纪 80 年代后期发现以来,高温超导材料特性的研究就成为其应 用的热点研究内容之一,随之在高温块材的实验中也发现磁通跳跃失稳现象.实验研究发现:高温 超导体的磁通跳跃临界磁场和跳跃次数在低稳环境(小于 10K)不仅与致冷剂的环境温度有关,而 且还与外加磁场的速率有关;当外加磁场速率很高(大于 1T/s)时,超导体在发生第一次磁通跳跃 后不再发生磁通跳跃,而是在一低磁化水平下的磁滞回线.为了从理论上揭示出超导体磁通跳跃的 发生机制,目前主要采用的理论分析模式有两类:在热扩散与磁扩散相互耦合基础上, (1)在局部 绝热条件假设下,当受扰动后的热(或磁场强度)增量如果大于原始扰动热(或磁场强度)量,则 认为磁通跳跃发生,由此导出的临界磁场预测公式仅与环境温度相关联,而与外磁场变化速率无关; (2)假设在超导体内产生的扰动热量不产生体内温度上升,并假设如果系统能将全部扰动热量排除 到致冷剂内时,则不发生磁通跳跃,否则就发生磁通跳跃;在此假定下导出的磁通跳跃临界磁场不 仅与环境温度相关联,而且与外磁场变化速率的二次方根或三次方根成反比.其次,这两类模型均 给出环境温度直至超导体的临界温度(大于 77K)时超导体总可以发生磁通跳跃失稳的理论预测, 且在临界温度时磁通跳跃的临界磁场临界值为零,这与实验测得的温度相关特征也是不一致的,其次,所有目前的论文分析均不能给出超导体内的温度变化特征.比较理论预测的定量结果与实验测 量结果发现:前一模型预测的临界磁场要低于实验值约一个数量级,且不能反映出临界磁场随外磁 场速率变化的特征;后一模型的预测值则高于实验值一倍左右,且在很高外磁场速率时却均给出发 生磁通跳跃的预测.上述理论预测与实验测量特征及其定量结果之间的差异一直激励研究工作者进 一步寻找能刻画超导体磁通跳跃的模型,以揭示其发生机理.显然上述两模型采用的假设均与实际 发生较大偏差,且在超导体的电流-电压关系上处理过于简单.兰州大学电磁固体力学研究小组一直 致力于超导悬浮与失制以及超导磁体力学特性的研究.在超导磁通跳跃这一研究主题中,在放弃局 部绝热与等温假设与预先的失稳判剧后,通过考虑超导体的热传导(扩散)与Maxwell 电磁物理相 互耦合,以及在微观热助动磁通蠕动唯像理论基础上通过考虑 Kim-Anderson 超导模型导出的电压- 电流非线性特征关系(内含磁场与温度变量)所组成的基本模型,借助于差分法与叠代法对其非线 1 本项目研究受到科技部重点基础研究发展规划前期预研项目基金、国家自然科学基金重点项目基金、和国家自然科 学基金面上项目基金的资助 2 通讯作者:电子邮址:zhouyh@lzu.edu.cn, 联系电话:(0931)-8910340 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn 中国力学学会学术大会 2005(CCTAM2005) 性耦合问题进行数值求解来获得定量结果,在此基础上通过采用变步长方法搜索得到磁通跳跃的临 界磁场值.通过对 Si-超导体的模拟结果发现:目前的所有相关超导体的磁通跳跃实验特征不仅在 定性上均能给出良好预测,而且在临界磁场的预测定量结果上均与相关实验测量值保持良好一致, 从而在理论上有效地揭示了高稳超导体在极低温环境下发生磁通跳跃失稳的物理机制.理论模拟结 果表明:对于不太高的磁场速度情形(小于 1T/s),对应于每一次磁通跳跃失稳,超导体中心的温 度均对应发生一次跳跃,然后超导体随着超导临界温度升高导致临界电流的降低和热量迅速扩散使 超导体内的温度迅速返回到致冷剂的环境温度,超导体重新处于超导状态又开始新一轮磁热相互作 用下的磁通跳跃失稳,而且不同磁通跳跃和温度跳跃的幅度与超导体经历的外加磁场历程相关联. 对于在很高外磁场速率情形,所模拟结果揭示出了一新的磁热相互作用机制:其超导体在经历第一 次磁通跳跃后(相应内部中心点的温度上升 18K 左右) ,其内部中心温度不再跳回到致冷剂的环境温 度(4.2K) ,而是围绕14K左右的新的平衡工作温度以动态平衡方式上下波动(在10-18K范 围内) ,相应的磁化曲线变化特征与实验测量结果十分吻合,即处于低磁化水平下连续变化的磁滞回 线. 中国学术会议在线 www.meeting.edu.cn