生物与仿生微结构复合材料的断裂力学研究进展
摘要：
亿万年的“物竞天择”促进自然界生物进化出精妙绝伦的微观结构,生物材料的力学性能因此得以突破传统结构材料著名的“强度-韧性”倒置关系,这为未来先进工程结构材料的研发提供了新的思路.但复杂的微结构也使生物材料的宏观断裂行为呈现出多尺度、多过程、多介质耦合的复杂特征,为建立基于均匀性假设的经典断裂力学理论方法带来新的挑战.对含有微结构的生物复合材料的断裂力学行为进行深入研究,对拓宽断裂力学的研究范畴,推动断裂力学理论的发展,启发新一代先进结构材料的优化设计具有重要的科学意义和潜在应用前景.本文试从理论分析、数值模拟、实验手段三个方面回顾近年来关于含有精细微结构的生物及仿生复合材料断裂力学的研究进展,重点介绍新方法与新思想,为非均质材料断裂力学的发展和先进材料的强韧化设计提供借鉴.
关键词：
断裂力学;微结构复合材料;非均质材料;强韧化
《中国科学:物理学 力学 天文学》
2024, 54(5): 78.
摘要：
断裂力学是工程材料和结构的疲劳与断裂分析、损伤容限设计和结构完整性评定的理论基础. 应力强度因子作为线弹性裂纹尖端奇异场的单一表征参量和裂纹扩展驱动力, 在裂纹体的断裂力学分析中发挥着关键作用. 权函数法为复杂受载裂纹体的应力强度因子求解计算提供了强有力的解析工具, 不但具有远高于各类数值解法的计算效率, 而且精度可靠, 使用方便. 本文结合笔者团队在权函数法方面的长期研究工作, 对该方法自20世纪70年代初提出至今半个世纪以来, 国际断裂界在二维和三维权函数理论与应用方面的主要研究进展作了回顾和评述, 并对其未来发展提出了展望. 主要内容涵盖: 当前国际断裂界广泛应用的3种二维裂纹解析权函数法简介和以格林函数为基准的验证评价; 三维裂纹问题的片条合成权函数法和点载荷权函数法; 权函数法在复杂受载裂纹体的应力强度因子和裂纹张开位移等关键力学参量计算、内聚力/桥连等裂纹模型分析、共线多裂纹权函数理论及其在剩余强度预测等方面的应用, 以及复杂裂纹几何的工程化权函数分析和权函数法的反向应用问题.
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