非均匀材料力学: 学术思想及研究趋势

针对非均匀材料力学当前的8个前沿性课题,以各国科学家在第一届国际非均匀材料力学会议(ICHMM)相关专题讨论会上的发言及总结为红线,介绍了当前国际上在材料/固体力学交叉领域内的一些新的学术思想及研究方向.对多尺度模拟, 新的计算方法,纳米力学,微结构概率力学,广义连续介质力学理论,材料设计,多孔材料和材料就位特性的试验技术等的综合性叙述,阐明了非均匀材料力学的一些新的生长点及其发展方法与前景.      

国际非均匀材料力学会议(ICHMM)简介

国际非均匀材料力学国际会议(International Conference on Heterogeneous Materials Mechanics，简称ICHMM)于2004年6月21日至26日在重庆市及长江“神州”号轮船上分两阶段进行．第一阶段是传统性的国际会议，它通过11个大会报告及32个分组会议以揭示当今非均匀材料力学的进展．第二阶段则分8个前沿性的研究领域进行专题讨论以探索新的研究方向．     

多尺度复合材料力学研究进展

多尺度复合材料力学是运用多尺度分析思想研究空间分布非均匀材料力学性能的学科, 近年来,多 组分、多层级先进材料的蓬勃发展和微纳米实验观测手段的不断进步,有力地推动了该学科的研究,论文围绕非均 匀材料力学性能的多尺度分析,首先从微纳米尺度到宏观尺度综述了常用的理论分析方法;接着分别针对非均匀 连续介质和离散体系介绍了常用的多尺度计算模拟方法;然后结合本课题组在纳米复合材料、抗冲击吸能材料、随 机网络材料和多层级自相似材料等方面的研究工作,举例说明了如何综合运用多种方法对各种复杂材料系统进行 多尺度分析;最后,展望了该领域还需进一步发展和完善的若干方向。     

金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下,高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷,导致材料力学性能严重退化,缩短材料服役寿命,是辐照材料研究的关键问题。辐照缺陷多处在纳米尺度,故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具,近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化。本文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展,介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷,及其与位错、晶界等微结构的相互作用。分子动力学方法揭示的机制与模型,深化了学界对辐照效应的认识,有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料。     

金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下，高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷，导致材料力学性能严重退化，缩短材料服役寿命，是辐照材料研究的关键问题。辐照缺陷多处在纳米尺度，故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具，近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化。本文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展，介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷，及其与位错、晶界等微结构的相互作用。分子动力学方法揭示的机制与模型，深化了学界对辐照效应的认识，有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料。     

材料微结构演化的相场模拟

材料的各种宏观性能与其内部的微观结构密切相关,如何通过控制材料微结构的分布来提高其性能指标一直是工程界与学术界广泛关注的课题。由于场变量在界面的突变,传统的基于局部理论的突变界面模型在描述材料微结构演化方面存在一定的困难。基于非局部理论的相场法采用扩散界面的概念来描述界面,避开了理论上描述突变界面的困难,在模拟材料内部任意的组织形态和复杂的微结构演化方面具有独特的优点。本文首先介绍相场法的热力学理论基础,包括自由移动边界问题、扩散界面模型、非局部能量泛函、相场动力学方程及其常用求解方法。然后重点介绍铁电、铁磁和多铁性材料微结构演化的相场模拟,同时简要介绍相场法在软物质和锂离子电池材料微结构演化模拟中的应用,最后给出总结和展望。     

考虑微结构连接性的双尺度结构自然频率拓扑优化

多孔材料因具有轻量化、高孔隙率和减振/散热等优良多物理特性,在航空航天等领域具有广阔应用前景。采用拓扑优化方法对含多种多孔材料的结构进行结构与材料微结构构型一体化设计,有助于获得具有优良力学性能的结构设计。然而,传统逆均匀化微结构设计方法无法确保不同多孔材料微结构之间的连接性,设计结果不具备可制造性。本文面向含多种多孔材料的双尺度结构基频最大化设计问题,考虑不同微结构之间的连接性,协同设计多孔材料的微结构构型及其在宏观尺度下的布局。采用均匀化方法计算多孔材料的宏观等效力学性能,通过对不同多孔材料微结构单胞的边界区域采用相同的拓扑描述确保双尺度优化过程中任意空间排布下不同微结构的连接性,并通过优化算法确定微结构间的连接形式及微结构拓扑。在宏观尺度,提出结合离散材料插值模型和RAMP插值模型RAMP (Rational Approximation of Material Properties)的多孔材料各向异性宏观等效刚度及质量插值模型,获得清晰的多孔材料宏观尺度布局并减轻优化过程中伪振动模态的影响。建立以双尺度结构基频最大化为目标,以材料用量为约束的优化列式,推导灵敏度表达式,并基于梯度优化算法求解双尺度结构拓扑优化问题。数值算例表明,采用本文优化方法能够有效确保基频最大化双尺度结构设计中不同多孔材料微结构之间的连接性,增强优化设计结果的可制造性。     

二维材料曲面生长:力学与化学的邂逅

理解二维材料在曲面上的生长形态和机制具有重要的理论和应用价值,但现有关于二维材料曲面生长的力学行为及形貌演化规律的研究极为缺乏.二维材料曲面生长会导致薄膜变形及其相关的应力/应变.这类应力可引发二维材料的滑移、屈曲、褶皱、断裂和离面运动等二次力学行为,并直接与生长反应耦合,进而改变材料的生长过程.与化学能和表面扩散主导的平面生长不同,曲面生长二维材料的形貌受曲面几何形状和材料力学行为的共同影响,会产生更为复杂多样的生长形貌.通过总结国际上相关研究进展,剖析了模拟曲面生长二维材料所面临的科学问题,并论述了如何结合原子模拟(如分子动力学和蒙特卡罗模拟)与唯象理论(如相场方法)开展多尺度计算研究,再辅以实验揭示二维材料曲面生长规律.     

电子背散射衍射技术及其在微观力学行为研究中的应用

电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）技术不仅能表征材料微观组织,还能定性分析测试区域的弹性应变和塑性应变,目前该技术已被广泛用于晶体材料微结构的表征。考虑到服役过程中材料微结构及其应力状态可能会发生变化,因此,研究不同服役环境下晶体微观组织与应变场演化之间的内在联系对于研究材料的失效行为和机理有重要意义。本文介绍了EBSD技术的基本原理、常用制样方法及其主要功能,给出了基于EBSD技术在材料科学领域的应用实例,探讨了使用EBSD不同成像数据研究材料微结构及其微观力学行为的分析方法。     

大型土木结构多尺度模拟与损伤分析——————从材料多尺度力学到结构多尺度

从阐述重大土木工程结构安全运营面临的挑战性课题------结构多尺度力学问题开始, 对多尺度力学中的材料多尺度模拟和结构多尺度模拟的工程背景、多尺度特征和关键研究内容进行比较性评述;在此基础上, 重点介绍了对研究大型土木结构多尺度力学问题可能有参考价值的材料多尺度模拟和分析方法如周期性异质材料问题的平均化与渐进分析方法、单位分解法和多尺度重构核函数法, 以及大型土木结构多尺度模拟与分析领域的研究现状,由此引出结构多尺度力学研究中亟待解决的关键问题并加以评述;通过认识与比较结构多尺度与材料多尺度问题的共性与个性, 文中综述了在大型土木结构多尺度问题的研究进程中可供参考的理论与方法, 提出了这类结构多尺度力学问题研究的几个关键科学问题为: 结构多尺度模拟中的连接与跨越问题、多尺度模型的修正和验证、结构损伤的时间多尺度模拟与分析、结构强度和损伤失效过程中多尺度分析的跨尺度敏感性与随机性因素, 以及适用于大型土木结构多尺度模拟和计算分析的实施策略与技术.      

幂强化材料和超弹性材料组合球体中孔穴的动态生成

在简单加载条件下,研究幂强化材料和超弹性材料组合球体中的动态孔穴生成和增长问题,首先在有限变形动力学的框架下建立了相应的非线性数学模型,得到了应力的表达式,利用变量变换的方法求得了外加载荷和孔穴半径之间的一个精确的微分关系式,证明了当突加载荷超过其临界值时,球体内部有孔穴的突然生成,并随时间呈现非线性的周期振动．通过数值计算,分析了材料参数和球体的半径比对孔穴生成和增长的影响,并与相应的静态结果进行了比较．结果发现,惯性力的影响降低孔穴生成的临界载荷,而且材料的塑性对孔穴生成和增长有明显的影响．     

固化物质导数与标架旋率

本文提出了固化物质导数的概念,导出了标架旋率的一般公式,阐述了标架单位矢量的固化物质导数与一般物质导数的区别,以变形率标架为例讨论了两种导数的差异,并论述了标架旋率与其相应的变形张量率的关系。     

零维物质体和微态物质体

在这篇文章里,R.G Muncaster的零维弹性体被推广到一般的高阶零维物质体。从非极连续介质力学理论出发,我们推出了零维物质体的所有平衡方程和热力学不等式。再从这些方程和不等式推出微态物质体的相应平衡方程和热力学不等式。这样,我们在零维物质体理论和微态物质体理论之间建立了一个类似于刚性质点力学和古典非极连续介质力学之间关系的关系。     

改进的Jones—Nelson物理非线性材料模型与橡胶复合材料层板分析

Ｊｏｎｅｓ－Ｎｅｌｓｏｎ模型是复合材料物理非线性应力应变关系的一种描述方法，它通过建立材料刚度与应变能密度的关系以及考虑纤维增强复合材料的物理非线性问题，非线性的材料矩阵只为应变能的子数，使得材料模型可以方便地应用地复杂应力状态下，通过 在大变形的应变应力变量和变泊松比概念，对Ｊｏｎｅｓ－Ｎｅｌｓｏｎ模型进行了改进，解决了材料特性的扩展问题和收敛问题，同时考虑了大变形中纤维铺设角度的重新取向，使其     

含微裂纹和椭球颗粒介质的强度及本构关系

针对含随机分布微裂纹及椭球颗粒的复合材料，通过考虑椭球颗粒内的本征应变及其与微裂纹的相互作用，利用等效夹杂方法研究了微裂纹损伤对材料有效模量和强度的影响，推导了复合材料的细观应力场及本构关系，并导出了材料破坏的临界条件．     

特性拦阻材料的台架实验装置研制

本文建立了单轮负载、平台拖动式的台架实验装置,并开展了验证实验。该装置主要包括固定框架、吊篮、活动平台、机轮夹持组件和传感器。将拦阻材料安装在活动平台上,通过牵引活动平台实现机轮对拦阻材料的碾压。该装置可以更换不同机轮、安装不同性能的拦阻材料;实验条件包括机轮胎压、机轮承重等参数;传感器可以测量实验过程中机轮受到的拦阻力、机轮压入深度等参数。该装置可以为研究机轮规格、胎压、承重、拦阻材料性能等对拦阻力的影响提供实验手段。验证实验结果表明,所建立的装置可以满足机轮与特性拦阻材料力学模型研究的需要。     

不可压缩超弹性止水材料的粘弹性计算方法研究

发展改进了研究不可压缩超弹性材料的Mooney-Rivlin公式,把材料参数假设成是随时间变化的粘弹性函数,并讨论了粘弹性函数的推导方法,通过工程实例进行了实验计算,并将计算结果与应力松弛试验进行了比较.结果表明,用改进Mooney-Rivlin公式可以简便有效地计算该类材料的粘弹性问题,为解决工程实际问题提供了新的途径.     

含正交排列夹杂和缺陷材料的等效弹性模量和损伤

研究含正交排列夹杂和缺陷材料的等效弹性模量和损伤,推导了以Eshelby－Mori－Tanaka方法求解多相各向异性复合材料等效弹性模量的简便计算公式,针对含三相正交椭球状夹杂的正交各向异性材料,得到了由细观参量（夹杂的形状、方位和体积分数）表示的等效弹性模量的解析表达式．在此基础上,提出了一个宏细观结合的正交各向异性损伤模型,从而建立了以细观量为参量的含损伤材料的应力应变关系．最后,对影响材料损伤的细观结构参数进行了分析．     

块体金属玻璃及其复合材料的压缩剪切特性和侵彻/穿甲“自锐”行为

块体金属玻璃及其复合材料以其优异的力学、物理和化学性能, 正成为国内外科技和工程领域的研究热点. 特别是金属玻璃复合材料具有高剪切敏感性和剪切``自锐'特性, 使其有可能成为新型穿甲弹芯材料, 因而具有重要的军事意义. 本文综述了针对块体金属玻璃及其复合材料的压缩剪切变形和断裂特性及高速冲击、侵彻/穿甲过程中剪切``自锐'行为等方面的研究进展, 包括相关实验研究、理论分析及有限元模拟等, 最后给出未来相关工作的一些建议.