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.      

固体的统计细观力学——-连接多个耦合的时空尺度

从固体力学所面临的新的挑战------多物理、多尺度耦合及其现状的描述开始, 以层裂 过程为例, 说明了这些多尺度非平衡问题的基本困难在于, 在固体中不同尺度上有不同的微 结构层次及不同的演化物理和速率. 接下来, 概述了一些针对这一困难的独特的思路及 其成果. 第3部分强调了一些统计平均方法的范式, 以及处理包含多个时间和空间尺度的问 题的新思路, 特别是非平衡损伤演化导致宏观失效的问题. 在第4部分, 简要评述了一些连 接多个空间和时间尺度的细观力学框架, 如位错理论, 物理细观力学, Weibull理论, 随机 理论等, 并且阐述了其中蕴含的跨尺度耦合的机理. 然后, 在第5部分, 回到了描述损 伤演化过程的框架, 也就是统计细观损伤力学以及它的跨尺度封闭近似. 基于这些跨尺度框 架, 在第6部分, 对控制跨尺度耦合的可能机理进行了评述和比较. 由于对失效时灾变 的洞察与跨尺度强耦合紧密相关, 一些非平衡和强相互作用的新概念在第7部分进行了讨 论. 最后, 以一个简短的总结和一些建议结束.     

非线性力学国家重点实验室2007年科研进展

近年来,非线性力学国家重点实验室(LNM)在坚持固体与流体的非线性力学行为和规律的学术方向下,突出了多尺度力学和跨尺度关联的研究.这既与国际上近年来出现的对多时空尺度演化和斑图的非线性科学问题的重视相互呼应,又反映了LNM在科学前沿和重大需求的交叉点上长期探索所形成的发展特点.实际上,多个时间/空间尺度非线性耦合的行为,是非线性复杂系统中至今尚未阐明的一个关键科学问题.     

计算材料科学中桥域多尺度方法的若干进展

材料科学中存在固有的多尺度特性,桥域多尺度方法是在宏观尺度(如连续介质力学)中引入不同的细微观尺度的计算区域,乃至纳米尺度的分子动力学、量子力学计算区域,将不同尺度的研究方法通过一定的数学模型耦合在一起。该方法既能节约计算成本,又能保证所研究问题的物理特性。本文对多尺度方法的基本概念、跨尺度桥域多尺度方法的发展、基本原理、耦合方法和离散方程进行了讨论,给出了几个应用算例,并在最后进行了总结,展望了今后的可能发展方向。     

连接结构接触界面非线性力学建模研究

连接界面上存在的跨尺度、多物理场和非线性行为是引起结构复杂非线性动力学的主要原因。由于连接界面力学行为的复杂性,以及对连接界面进行直接试验观测的困难,连接界面的力学建模一直是非常具有挑战性的科学问题。本文首先从分析结合面的跨尺度物理机理入手,将名义的光滑平面视作凹凸不平的粗糙面,考虑单个微凸体的黏滑摩擦行为,建立接触载荷与变形的非线性关系,然后采用GW(Greenwood和Williamson, GW)模型数理统计方法建立整个粗糙界面的跨尺度力学模型,并与公开文献中试验结果进行对比。然后考虑连接界面典型非线性特征,提出一种改进的Iwan唯象模型,利用精细有限元方法获得非线性特征结果,采用系统辨识理论建立连接结构的降阶力学模型,并利用有限元结果进行模型验证。结果表明,本文提出的粗糙界面跨尺度模型在法向载荷较小时与试验结果吻合较好,改进的Iwan模型能够较好描述连接界面非线性特征,并与有限元结果吻合较好。      

多尺度科学面向21世纪的挑战

多尺度科学是一门研究各种不同长度尺度或时间尺度相互耦合现象的科学．多尺度科学的研究领域十分宽广，涵盖的学科之多难以一一罗列．对于诸如流体动力学、材料科学、生物学、环境科学、化学、地质学、气象学和高能物理之类的各门科学，多尺度科学是它们的核心．多尺度科学目前在国际上处于刚刚起步的阶段．正如非线性现象和随机现象被认为是属于交叉学科并得到广泛重视一样，多尺度科学因其处于当代科学的许多极富挑战性问题的核心地位，发展前途未可限量．因此，在我国有必要抓住机遇，大力开展多尺度科学及其方法的研究．     

页岩多尺度力学特性研究现状

页岩储层的力学行为和工程性质,是影响页岩油气安全、高效、经济开采的关键因素。目前,页岩的物理力学特征研究以宏观测试为主,存在制样、实验耗时长,对目的层精细研究效果不理想等问题。为此,从页岩多尺度组成、微/纳米力学测试、影响因素和跨尺度均匀化4个层面,综述了国内外页岩多尺度力学研究现状:基于多尺度方法建立的页岩微观-细观-宏观组分模型,为页岩多尺度组成-力学耦合提供理论基础;通过微/纳米力学测试技术,明确适合页岩的力学测量标准,完善影响页岩多尺度测量因素评价;基于开展多尺度力学耦合模型研究,评价多尺度间的组成-力学关系。该研究对深入认知页岩岩石力学特征及破坏机理、丰富岩石力学特性测试与表征方法具有重要作用。     

固体跨尺度压痕标度律的研究与展望

压痕标度律是对通过压痕试验方法测定固体材料力学性能参量问题所给出的一般性结论, 具有重要的理论意义, 是探寻材料力学性能潜在规律的方法论研究. 本综述论文系统而简要地介绍如下主要内容: 采用传统理论对传统固体材料压痕标度律的研究回顾; 采用跨尺度力学理论对先进固体材料的跨尺度压痕标度律的研究回顾. 总结并得到了如下主要结论: 传统固体材料压痕标度律可由一空间曲面完整描绘, 若进一步已知某类无量纲独立参量的取值范围, 则该空间曲面可退化为系列平面曲线族; 先进固体材料(新材料)的跨尺度压痕标度律可由一个三维函数关系完整描绘, 若存在某类独立无量纲参量取值范围已知, 则该三维函数关系将退化为系列空间曲面族. 压痕标度律的未来研究发展仍将重点集中在建立新材料的跨尺度压痕标度律上, 以试图从根本上解决新材料力学性能标准规范难以建立的理论问题. 除此之外也将重点关注建立各类功能新材料的多尺度及跨尺度压痕标度律规律.      

箱型结构损伤分析的空间网格多尺度模拟方法

为高效模拟空间效应显著的结构在关键局部的损伤，本文研究建立了以损伤分析为目标的空间网格多尺度模拟方法．首先基于变形协调法和内力平衡法，研究了空间网格多尺度建模中的跨尺度界面连接方法，对比分析了两种界面连接合理性．以三跨连续刚构混凝土箱梁在地震载荷下的损伤为分析案例，验证了空间网格多尺度模型在结构损伤分析中的可行性及其在计算效率上的优越性．分析结果表明：空间网格多尺度模型可以精确模拟结构的静力效应和动力特性；空间网格多尺度模型既考虑了结构空间效应，又可以高效分析箱梁结构局部易损部位的损伤演化过程，从而为空间效应显著的结构损伤分析提供了更为实用精细的计算模拟方法．     

中国科学院力学研究所2004年科研工作总结与思考

2004年,力学所以国家科技中长期规划和中国科学院中长期科技发展规划的制定为牵引,以筹划进入中科院院“三期”创新、争取承担“十一五”国家和中科院重大科研项目为动力,持续、多层面地进行了研究所发展规划的论证．在此基础上提出了发展蓝图,即6个主要的学科方向(微重力科学和空间技术、高温气体动力学与跨大气层飞行、微尺度力学与微系统、工艺力学与材料设计、海洋与环境工程、生物力学与生物工程),4个科研平台(微重力科学平台、高超声速飞行技术平台、微／跨尺度力学平台、海洋工程研究平台)．包含的基本科学问题是复杂介质和极端条件下的力学行为．     

轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

随着先进制造技术、多学科交叉和人工智能科技的飞速发展,高端装备呈现出轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化和仿生化等发展趋势.传统结构研究存在结构设计和制造相互分离,复杂结构制造效率低、实际制造结构的性能指标和使用可靠性大幅低于设计理论预测、结构多功能一体化程度不足、经济成本过高等问题.此外,先进工业装备对材料、结构的使用性能、使用环境要求越来越高,亟需开展结构的设计、制造、功能、应用一体化研究,为解决我国先进制造“卡脖子”技术难题提供理论依据和技术支持.轻量化多功能点阵超结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势,在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械等工业领域具有巨大的应用潜力.有鉴于此,受多晶体微结构的多尺度力学设计启发,以“点阵超结构力学设计”为主题,开展点阵超结构的节点、杆件组元,胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等典型点阵超结构的几何构筑和力学设计,并阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计基本原理、多功能力学性能调控方法,以及点阵超结构在不同类型载荷下的结构变形和失效物理机理.     

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.     

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性. 同时, 组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异. 当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时, 存在以下两个难点: 一是随机变量众多, 使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求; 二是由于随机参数之间存在高维相关性, 需要建立高精度的相关性模型. 针对以上问题, 本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法, 综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数, 基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性. 该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布, 并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递. 结果显示, 本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致, 且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.      

A REVIEW OF STUDIES OF MECHANICAL PROPERTIES OF TURTLE CARAPACE 1)

历经上亿年,大多数龟类爬行动物均进化出了比重轻、强度高、韧性好的防护外壳。研究这些龟壳的结构特征和材料力学行为对安全防护结构的仿生设计有着重要启示。本文分别从龟壳的宏微观多尺度结构--功能关系、静动态力学性能和仿生应用三个方面介绍了近年来国内外的研究进展及现状。基于对上述研究现状的分析,本文还进一步展望了龟壳力学性能研究未来需关注的重点,以期能够更好地促进仿龟壳结构在安全防护领域的应用。     

Spallation analysis with a closed trans-scale formulation of damage evolution

A closed, trans-scale formulation of damage evolution based on the statistical microdamage mechanics is summarized in this paper. The dynamic function of damage bridges the mesoscopic and macroscopic evolution of damage. The spallation in an aluminium plate is studied with this formulation. It is found that the damage evolution is governed by several dimensionless parameters, i.e., imposed Deborah numbersDe ^* andDe, Mach numberM and damage numberS. In particular, the most critical mode of the macroscopic damage evolution, i.e., the damage localization, is determined by Deborah numberDe ^*. Deborah numberDe ^* reflects the coupling and competition between the macroscopic loading and the microdamage growth. Therefore, our results reveal the multi-scale nature of spallation. In fact, the damage localization results from the nonlinearity of the microdamage growth. In addition, the dependence of the damage rate on imposed Deborah numbersDe ^* andDe, Mach numberM and damage numberS is discussed. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10172084, 10232040, 10232050, 10372012, 10302029) and the Special Funds for Major State Research Project (G200077305)     

Multi-Scale Experiments and Interfacial Mechanical Modeling of Carbon Nanotube Fiber

The multi-scale deformation and interfacial mechanical behavior of carbon nanotube fibers with multi-level structures are investigated by experimental and theoretical methods. Multi-scale experiments including uniaxial tensile testing, in situ Raman spectroscopy, and scanning electron microscopy are conducted to measure the mechanical response of multi-level structures within the fiber under tension. A two-level interfacial mechanical model is then presented to analyze the interfacial bonding strength of mesoscopic bundles and microscopic nanotubes. The evolution characteristics of multi-scale deformation of the fiber are described based on experimental characterization and interfacial strength analysis. The strengthening mechanism of the fiber is further studied. Comprehensive analysis shows that the property of multi-level interfaces is a critical factor for the fiber strength and toughness. Finally, the method of improving the mechanical properties of fiber-based materials is discussed. The result can be used to guide multi-level interface engineering of carbon nanotube fibers and fiber-based composites to produce high performance materials.     

压裂页岩气藏多尺度耦合流动数值模拟研究

在碳达峰的国策背景之下,页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点.压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题.文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质,建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型,同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画,嵌入天然裂缝连续介质中,构建多重连续/离散裂缝模型.综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和克努森扩散,给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型.提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解,创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征,解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题.文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响,又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题.通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律,发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象,重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响.文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和...     

高熵合金强韧化理论建模与模拟研究进展

高熵合金因其优异的性能受到广泛关注,如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨、高耐辐照、高耐腐蚀、高电阻、高耐热等,有望应用于核能、航天航空等重要领域和重大装备。从高熵合金制备、组织结构以及性能表征等方面开展的实验研究表明其独特的性质依赖于高熵合金高熵效应、晶格畸变和扩散迟滞。在微观尺度以及宏观尺度, 理论模型和数值模拟为研究高熵合金微观机理和力学特性提供了一种方法。建立从高熵合金的微观结构与变形机理到宏观独特力学性能的联系是一个多尺度的科学问题。最近,基于实验观察结果,采用多尺度的理论与模拟方法（第一性原理、分子动力学、离散位错动力学、晶体塑性有限元、微结构依赖的理论模型）,研究了高熵合金层错能、弹性模量、扩散系数以及相稳定性,揭示了高熵合金变形与强韧化机制。本文综述多尺度计算在高熵合金力学性能和变形行为方面的研究进展,并对高熵合金在原位变形实验、高通量技术以及机器学习方面的研究进行简要展望。     

高熵合金强韧化理论建模与模拟研究进展

高熵合金因其优异的性能受到广泛关注,如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨、高耐辐照、高耐腐蚀、高电阻、高耐热等,有望应用于核能、航天航空等重要领域和重大装备.高熵合金制备、组织结构以及性能表征等方面开展的实验研究表明其独特的性质依赖于高熵合金高熵效应、晶格畸变和扩散迟滞.在微观尺度以及宏观尺度,理论模型和数值模拟为研究高熵合金微观机理和力学特性提供了一种方法.建立从高熵合金的微观结构与变形机理到宏观独特力学性能的联系是一个多尺度的科学问题.最近,基于实验观察结果,采用多尺度的理论与模拟方法(第一性原理、分子动力学、离散位错动力学、晶体塑性有限元、微结构依赖的理论模型),研究了高熵合金层错能、弹性模量、扩散系数以及相稳定性,揭示了高熵合金变形与强韧化机制.论文综述多尺度计算在高熵合金力学性能和变形行为方面的研究进展,并对高熵合金在原位变形实验、高通量技术以及机器学习方面的研究进行简要展望.     

应用CBR确定面心立方金属的表面弹性参量

首先从能量变分出发基于同时考虑应变梯度效应和表面效应的跨尺度力学理论, 推导出表面能和表面弹性本构等基本关系, 然后基于简单的准连续Cauchy-Born法则(CBR)建立一种确定表面能密度以及表面弹性参量的方法.进一步以面心立方(face-centre-cubic,FCC)金属为例, 系统地获得了常用FCC金属表面弹性参量的数值, 结果与他人应用分子动力学计算得到的结果相吻合.