固體力學有哪些值得研究的領域？

編者按:近日小編整理發(fā)布了《自然科學學科發(fā)展之戰(zhàn)略研究報告》中關于固體力學方面的研究現狀和發(fā)展趨勢(詳見文后關聯閱讀),今天我們再來分享一下報告中給出的固體力學方面建議的著重研究的領域。

材料本構理論是固體力學的核心,是一切固體力學分析計算的基礎。與流體力學中的湍流問題相類似,材料在外載作用下經變形、損傷到失穩(wěn)或破壞過程是固體力學家自伽利略時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、復合材料成型及多層微結構的封裝等工藝中,需要考慮熱、光、電、相變、固-流耦合變形等多種效應的變化和耦合,特別是對于將帶來全球技術革命的微電子-微機械-微力學工程中微結構、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觀力學及智能行為,進行可靠性分析,才能設計出滿意的制造工藝和技術。當然,傳統的機械加工工藝中同樣需要進行類似的研究。

巖土類材料多為具有群體不連續(xù)性的介質,其典型例子包括巖體介質、礦床介質、散體和混凝土。這些介質中由于缺陷、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力作用的情況下產生多種嚴重的地質災害,如礦井崩塌、邊坡失穩(wěn)、地震發(fā)生、泥石流等等。這些現象所造成的災害占全球尤其是我國國民經濟損失的相當大的部分,如何認識其科學規(guī)律而進行安全防治對國計民生有重要影響。

根據先進結構及重大工程要求,綜合利用固體力學的基礎理論和數據資料,探討計算方法和數值仿真技術,分析和設計安全經濟而優(yōu)化的選材方案和結構形式,研究無損檢測的理論和技術,并對老齡結構和工程(如飛機、建筑、橋梁、壓力容器)的安全性提供評估和監(jiān)測方法及規(guī)程,這里還包括基于檢測到的信號進行反問題的分析。

復合材料具有豐富的細觀結構組合方式,對其細觀力學的研究是當前復合材料力學研究的主要發(fā)展方向。研究內容包括界相力學、編織復合材料的細觀力學建模、混凝土材料力學、靈敏復合材料力學,復合材料在拉伸、壓縮、剪切、沖擊、疲勞加載下的損傷演化過程,等等。

新一代結構復合材料采用結構承載層與敏感元件混排的方式,并利用敏感層的輸出信號來監(jiān)測復合材料的整體完整性。這為復合材料的力學計算及材料的優(yōu)化設計提供了新的研究內容。

考慮完全非線性的流固強耦合問題。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、空化、飛濺的復雜流動行為。在界面描述上需要融合歐拉坐標與拉格朗日坐標,在計算格式上力圖兼顧有限元和差分法在處理流體運動和固體變形中的特長。發(fā)展真實、高效、高精度的流固界面模型。在流體激發(fā)振動問題上考慮復雜的結構陣列的復雜流體流動。發(fā)展可應用于典型工程流固耦合問題的分析軟件。巖土是一類具有復雜裂紋和孔隙分布且有液、氣占據裂隙的材料,其骨架的變形、破壞和裂隙中的流動是一類特殊的流、固耦合問題。

彈性波在層狀介質中的折射和反射以及在含孔洞或裂隙介質中的衍射現象在地球物理勘探、無損檢測及結構抗震和抗沖擊等方面起著重要的作用,當物體受到沖擊載荷的作用,因材料及載荷強度的不同,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。

所有的運動機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。它涉及很多基本的力學現象,包括:考慮彈塑性變形的接觸問題、材料的疲勞、微細裂縫的失穩(wěn)發(fā)展,碎末的形成和碎末墊層的緩沖作用、熱塑性和相變效應等;在有潤滑流體的情形是流固耦合的問題,而在高速運動的情況則有局部的沖擊力學問題等。

本文摘錄自由鄭哲敏院士領銜的多名院士起草的《自然科學學科發(fā)展之戰(zhàn)略研究報告》。