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基于突破经验模型的材料强度预测热力学理论

来源:凉山热线 时间:2020-11-14 20:04:16

如何准确地预测各种工程结构所用材料的强度是保证各种工程结构安全的关键。500多年来,许多科学家,如力学,一直在进行大量有价值的研究工作。然而,到目前为止,由于问题的复杂性,强度模型和预测理论主要是建立在已有的假设和大量的经验公式的基础上,由大量的数据总结出来的。因此,许多学者也把材料失效预测总结为固体力学的终极问题之一。

一项新的研究试图将材料强度的预测纳入合理的非平衡热力学框架。相关的研究论文theintrinsicnatureofmaterialsfailureandtheglobalnon-equilibriumenergycriterion,于2020年发表在科学形而上学、力学与天文学(中国科学:物理学与力学天文学,英文版)上,由中山大学王飚教授撰写。本文将加载材料样品视为热力学系统。在加载过程中,材料的微观结构将发生损伤,通过建立演化过程中各平衡状态的稳定条件,建立材料失效的强度判据。

研究发现,材料强度的某些基本性质不同于以往的认识,如材料的失效状态与临界想象相似,是一种全局性质,局部的标准和研究方法可能导致错误的结果。对于有裂纹的材料,强度理论与断裂力学中应变能释放率准则和j积分的预测结果一致。本工作的另一个核心贡献在于在本征应变的概念建模中使用了各种缺陷,进而导出了包含微观结构在外载荷作用下的演化和破坏过程的材料系统的自由能表达式。作为实例,将该理论应用于各种材料强度问题的预测,验证了有限的实验结果(如下图所示)。

强度理论解释与预测结果的实验验证

本研究的核心是摒弃以经验公式建立强度模型的弊端,将强度预测问题纳入理性分析的范畴。随着新材料的大量出现,经验强度准则层出不穷。作者认为可以用热力学状态失稳判据来发展统一的强度评定方法和准则,这很可能改变长期以来工程上使用的结构安全设计和评定的规范和方法。还发现传统的基于局部本构方程的连续介质力学方法难以正确预测变形局部化行为,而作者发展的连续介质热力学方法不需要针对不同材料建立本构方程。传统的基于局部本构方程的连续介质力学方法难以正确预测变形局部化行为,而作者发展的连续介质热力学方法不需要针对不同材料建立本构方程。只有利用变形过程中的能量驱动力和阻力,才能准确预测在外载荷作用下的变形局部化行为。以拉伸载荷下金属长杆变形的颈缩行为为例,通过引入金属材料的塑性耗散能,可以准确预测这一现象,而不需要材料的本构方程。。

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