断裂损伤与细观力学

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1、断裂损伤与细观力学余寿文清华大学工程力学系一余,,弓弓寿文清华大学工程力学系教授年出生于福建牟至多年就读于上海同济大学结构系年毕业于清华大学工程力学研完班固体力学专业历任清华大学工程力学系助教、副教授、教授。兼任中国力学学会《固体力学学报》副主编朽年至,年获联部德国洪堡奖学金在达姆斯塔特技术大学力学研究所从事研、,究工作曾与合作者一起发表专著《弹塑性断裂力学》《弹性理论》并发表论文近知篇提,、,要本文从力学发展的角度对断裂力学损伤力学与细观力学的主要内容及其发展作了简,,要的介绍和评述指出固体力学与其它学科的交缘汇合并深入到细观结构的层次进行研究这一研究发展的势头、损伤力学与断裂力学构成了从

2、细观尺度直至宏观尺已是很明显的了细观力学度以描述材料与结构的破坏过程的破坏理论的主要内容它使得作为固体材料的力学的基本内容之,一的破坏理论面临一个新的发展阶段、损伤力学、细观力学、、固体力学关键词断裂力学破坏理论、断裂力学损伤力学及其相关的细观力学近年来成为固体力学研究的一个前沿断裂力学特,,别是非线性断裂力学近年来有大的发展它研究在各种载荷与环境下材料中的裂纹或空洞所引起的破坏过程特别是裂纹扩展的规律损伤力学着重研究材料的细观缺陷的扩展和含有细观缺陷的材料的力学性质细观力学则借助连续介质力学的方法来研究考虑细观尺度的变形过程的固体、的本构关系并把各种材料在破坏过程中的细观的不均匀性作为研究

3、的重点断裂力学损伤力学与细观力学三者组成了从细观尺度直至宏观尺度的描述材料的破坏过程的破坏理论的重要内容本文从力学发展的角度对这一学科的发展作一初步的研讨因为破坏理论即破坏过程的研究是,周体力学学科的基本问题之一所以本文先从固体力学发展的某些趋向谈起一、固体力学发展的某些趋向固体力,学是一门基础学科又是一门技术学科它研究固体在各种载荷和环境作用下固体的、,运动和变形的规律它与工程有密切的联系由于航空航天工程的需要曾引起了固体力学的,,已逐渐转变为与能源工程、、大发展时至今日环境工程材料工程等多种工程相结合而发展固体力学的新的阶段,由于工程技术发展的要求固体力学所研究的结构和材料的工作条件有了

4、新的变化、、、一海洋工程中风浪流冰等对结构物的作用需要研究流体固体的祸合作用“”‘本文曾于一九八七年八月在国家目然科学基金委员会数理学部召开的力学发展研讨会上作了交流,、核电工程与核聚变技术要求研究高温与强磁场作用下热磁与固体作用的藕合问题石油化工与海徉工程中的应力腐蚀等提出了介质扩散与固体受力变形的藕合问题,,、从作用在结构上的外载荷看由于结构物承受的载荷条件的广泛性而必须研究交变载荷爆炸冲击等因素下固体的受力与变形,这些都使得描写固体运动规律的控制方程不只限于经典的牛顿力学的框架之内而必须考虑、、、流体的热学的电磁学的化学动力学的基本方程及相应的定解条件、材料工程与材料科学的发展,使得固

5、体力学所研究的材料拓广了除了常见的金属材料··,已、、、、、、外深人到高分子材料聚合物陶瓷材料混凝土复合材料地质材料生物材料液晶一、等多相介质生物介质等一系列新的介质提到固体力学的研究者面前许多材料的描述必需采、用非均匀非连续的介质模型、、这就必然地引发了固体的材料本构关系的研究的大发展而围绕材料强度材料应用技术和·、已成为材料工程界的重制造工艺发展起来的材料本构关系理论断裂力学损伤力学等摹理论工具。,、,目前固体力学细观力学与材料学的结合已开始将材料的宏观力学性质与材料内部的细观一,。。或和微观结构联系起来人们应用固体力学的观点与方法研究,微结构的运动规律又将微结构模型的研究反过来反映在固

6、体力学之中这种宏观与细观相结合,的研究势头方兴未艾必将有大的发展,随着结构物的向大型化发展以及研究者的视野向细观直至微观层次的深人除了上述的动,,力学与物理学的方面外在运动学的角度人们也引人了随着计算机的发展而使精细计算成为可能的新的运动学模型诸如有限变形的理论考虑新的运动学自由度的微极理论和微态理论、,考虑可动边界非光滑边界和单边约束发展新的结构型式及相应的实用结构理论等等,,,形、在固体力学的范围内由实验研究出发提出固体受力变形的力学模型成初边值问题,,,的数学描述求得解析的戴数值的解这是问题的一个方面在固体力学的问题中建立相应的变,分原理也是求得固体力学问题解决的有效方法,,然而研究固

7、体受力与变形规律的固体力学从广义上理解它还包括以下的两个重要的方面认,其一是广义的强度理论或破坏理论因为研究固体力学的目的之一是研究固体材料或结,,构破坏的规律除了丧失弹性稳定性等破坏形式之外在单调载荷下其破坏主要形式是断裂和塑,性失稳两种研究上述的破坏准则及交变载荷下的疲劳破坏是固体力学的重要分支其二是关于固体力学中的优化问题这实际上是固体力学分析的反间题综合近年来、、,—出现的结构优化设计振动的控制裂纹技