固體力學(xué)的歷史發(fā)展與當(dāng)前進(jìn)展

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

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

固體力學(xué)是在牛頓力學(xué)的偉大成就下得到迅速發(fā)展的一門力學(xué)學(xué)科,但遠(yuǎn)在牛頓之前就有過很多重要的固體力學(xué)研究工作:如列奧納多·達(dá)芬奇關(guān)于線材拉伸強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)和伽利略關(guān)于受拉和受彎桿件破壞強(qiáng)度的研究。關(guān)于應(yīng)力、應(yīng)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(xué)家為此作出了重要的歷史貢獻(xiàn)。

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

工程結(jié)構(gòu)的輕型化和金屬加工的迅速發(fā)展推動(dòng)了固體力學(xué)中另一分支學(xué)科塑性力學(xué)的發(fā)展。塑性力學(xué)的若干基本概念起源于庫侖,蓬斯萊和蘭金等關(guān)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(xué)框架。

航空與航天工程的發(fā)展要求航空航天結(jié)構(gòu)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(xué)成為不可缺少的分析工具,除了關(guān)于充分發(fā)揮強(qiáng)度儲(chǔ)備的塑性極限分析、薄壁結(jié)構(gòu)的彈塑性穩(wěn)定性分析以外,關(guān)于應(yīng)力集中、疲勞、振動(dòng)、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(yīng)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(xué)的基本思想迅速發(fā)展為一門固體力學(xué)的重要分支學(xué)科----斷裂力學(xué)。由此產(chǎn)生的斷裂分析方法迅速應(yīng)用于航空、航天、核能結(jié)構(gòu)完整性、石油化工壓力容器與管道防爆、以及海洋結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

固體力學(xué)本世紀(jì)發(fā)展的另一個(gè)特征在于從宏觀和微觀并行不悖的研究逐漸轉(zhuǎn)向宏微觀相結(jié)合的研究。1905年彈性力學(xué)與數(shù)學(xué)家沃爾泰拉首先分析了位錯(cuò)固體的彈性靜態(tài)應(yīng)力和位移場(chǎng)。1934年泰勒、奧羅萬和波拉尼各自獨(dú)立提出了位錯(cuò)的概念。上述數(shù)學(xué)和物理研究?jī)烧叩慕Y(jié)合為揭示固體塑性變形的一類基本規(guī)律奠立了基礎(chǔ)。

位錯(cuò)研究是理論超前于研究、并指導(dǎo)人類認(rèn)識(shí)的范例。它為近二三十年來固體力學(xué)與材料科學(xué)的結(jié)合打下了基礎(chǔ)。我國固體力學(xué)研究從宏觀層次向更精細(xì)物質(zhì)層次的深入得益于錢學(xué)森倡導(dǎo)的物理力學(xué)。錢學(xué)森提出了“細(xì)觀力學(xué)”的名稱,專指對(duì)具有內(nèi)稟材料微結(jié)構(gòu)的固體連續(xù)介質(zhì)的研究。

實(shí)驗(yàn)是提出理論模型和工程準(zhǔn)則的基本出發(fā)點(diǎn),也是檢驗(yàn)它們的準(zhǔn)繩。力學(xué)發(fā)展一方面受到實(shí)踐中反映出來的大量新現(xiàn)象的推動(dòng),另一方面通過實(shí)驗(yàn),更深入細(xì)致地取得第一手資料,以此做為建立理論的基礎(chǔ),使學(xué)科得到發(fā)展。實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)不僅涉及力學(xué),還涉及其它多種學(xué)科,特別是新技術(shù)領(lǐng)域。

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

2) 以有限元為代表的計(jì)算固體力學(xué)高速發(fā)展。有限元法的數(shù)學(xué)思想曾由著名數(shù)學(xué)家柯朗在1943年后加以初步描述,但該方法的物理基礎(chǔ)卻歸功于固體力學(xué)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(yīng)用于幾乎所有工程技術(shù)領(lǐng)域。常規(guī)的結(jié)構(gòu)固體力學(xué)計(jì)算已經(jīng)基本解決。

3) 斷裂力學(xué)的建立(針對(duì)于斷裂、損傷、疲勞、磨損、腐蝕等破壞模式)擴(kuò)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(píng)定體系。

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

5) 固體力學(xué)的測(cè)試技術(shù)更新?lián)Q代。用計(jì)算機(jī)控制加載路徑的試驗(yàn)機(jī)已取代了老式試驗(yàn)機(jī); 光測(cè)法的精度已提高到微米乃至納米量級(jí); 計(jì)算機(jī)控制的振動(dòng)平臺(tái)可對(duì)大型機(jī)械和結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè); 動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)變率已達(dá)到106~108/秒量級(jí); 無損探傷技術(shù)得到了發(fā)展。

6) 細(xì)觀力學(xué)于70年代興起,至今已初具輪廓。細(xì)觀固體力學(xué)與材料科學(xué)相結(jié)合,在晶體塑性理論和結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌性力學(xué)原理研究中取得了重要進(jìn)展,使科學(xué)家們對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性有了更深層次的認(rèn)識(shí)。

7) 固體力學(xué)在工程結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性方面取得了重要成果。對(duì)航空航天結(jié)構(gòu)、核動(dòng)力結(jié)構(gòu)、鍋爐與壓力容器、近海石油平臺(tái)、管道等重要工程結(jié)構(gòu)建立了損傷容限評(píng)定或結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定的第一代標(biāo)準(zhǔn)。

盡管固體力學(xué)已呈現(xiàn)出一個(gè)高度發(fā)達(dá)學(xué)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(gòu)理論在宏觀連續(xù)介質(zhì)層次上未能實(shí)現(xiàn)封閉,破壞的發(fā)生和傳播機(jī)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(xué)中最大的難題。固體的破壞同缺陷和微結(jié)構(gòu)形態(tài)緊密相關(guān);該過程不僅對(duì)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)和損傷形態(tài)敏感,對(duì)固態(tài)物質(zhì)微觀層次上的缺陷也敏感。

與上述問題相對(duì)應(yīng)的一個(gè)事實(shí)是目前工程材料可實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度與其理論強(qiáng)度相差1至2個(gè)量級(jí)。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(qiáng)度。這些納米材料的塑性變形的基本機(jī)制并不清楚。如何由晶界區(qū)域塑性滑錯(cuò)、納米晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)及納米晶粒內(nèi)部和短程位錯(cuò)開動(dòng)來實(shí)現(xiàn)納米材料的超塑性組合變形還是一個(gè)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(xì)微觀世界,也發(fā)生于尺度巨大的結(jié)構(gòu)中。通常的標(biāo)度律有時(shí)并不得到遵守。如對(duì)北極巨大冰試件進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)表明,其斷裂韌性是實(shí)驗(yàn)室試件的10倍。大冰塊的大量缺陷在加載時(shí)起著吸能的作用。

固體疲勞行為的根本機(jī)制還遠(yuǎn)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(guān)系。在大循環(huán)數(shù)非規(guī)則應(yīng)力應(yīng)變加載下的循環(huán)塑性本構(gòu)描述也一直未能取得突破性的進(jìn)展。

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定體系還不能完全描述實(shí)際的破壞行為。很多原來認(rèn)為是材料常數(shù)的破壞特征量被實(shí)驗(yàn)證明與結(jié)構(gòu)的幾何形狀有關(guān)。例如,美國核管會(huì)和國家標(biāo)準(zhǔn)局模擬熱力斷裂事故的巨型試驗(yàn)結(jié)果表明: 原來認(rèn)為可逐漸延性止裂的結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)出由延性破壞突轉(zhuǎn)至脆性加速破壞的反常行為。

地震預(yù)報(bào)是另一個(gè)與固體力學(xué)有關(guān)的重大疑難問題。斷層在地應(yīng)力作用下發(fā)生災(zāi)難性的裂紋擴(kuò)展前在地層表面會(huì)出現(xiàn)何種可觀測(cè)的力學(xué)信號(hào)是一個(gè)與人類安全有關(guān)的重要課題。

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

上述問題僅是固體力學(xué)尚待解決問題中露出的冰山一角,固體力學(xué)的學(xué)科進(jìn)展是無止境的。

本文摘錄自《自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展之戰(zhàn)略研究報(bào)告》。

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