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何国威、白以龙中国科学院力学研究所，非线性力学国家重点实验室多尺度力学是当代科学技术发展的需求和前沿。
在生物科学，材料科学，化学科学和流体力学中，许多重要问题的本质都表现为多尺度，它们涉及从分子尺度到连续介质尺度上不同物理机制的耦合和关联。
例如，在生物和化学科学里，在分子尺度上的不同性态产生了生物体尺度上的复杂现象；在固体破坏中，不同尺度的微损伤相互作用产生更大尺度上的裂纹导致材料破坏；在流体力学中，不同时空尺度的涡相互作用构成复杂的流动图案。
这些问题的共同特点是不同尺度上物理机制的耦合和关联。
只考虑单个尺度上某个物理机制，不可能描述整个系统的复杂现象。
因此，多尺度力学的核心问题是多过程耦合和跨尺度关联。
多尺度力学是传统的针对多尺度问题研究的发展，但有着本质的不同。
它们都研究不能通过解耦进行求解的多尺度耦合问题。
但是，传统的多尺度问题具有相似性或弱耦合，即：不同尺度上的物理过程具有相似性，因此我们可以求相似解；或者，不同尺度上的物理过程具有弱耦合，因此我们可以采用平均法求解。
然而，多尺度力学的研究对象具有多样性和强耦合，即：不同尺度上的物理过程既不具有相似性，耦合也不再是弱的了。
因此，传统的相似解和平均法对多尺度力学的问题都不适用。
动力系统理论和统计力学为多尺度现象的研究提供了基本方法。
在一个给定尺度上的物理过程可以用动力学方程描述，而动力学方程的建立主要依赖于经典力学和量子力学。
问题的关键在于不同尺度上物理过程的相互耦合。
如果可以忽略耦合，单个尺度上的物理过程完全可以由经典力学或量子力学描述，剩下的就是类似于解方程那样的认识过程，原则上并不是什么困难的事情。
在平衡态统计物理里，不同尺度之间物理过程耦合的基本假设是基于等概率原理的统计平均。
但是，大多数多尺度问题涉及统计力学中非平衡态的非线性演化过程，不同的尺度之间存在强耦合或敏感耦合，不能简单地采用绝热近似、统计平均以及微扰等方法处理，而必须将不同尺度耦合求解。
固体力学跨尺度计算若干问题研究
庄茁;严子铭;姚凯丽;崔一南;柳占立
【期刊名称】《计算力学学报》
【年(卷),期】2024(41)1
【摘要】本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。
(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;(2)建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA 试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;(3)通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。
【总页数】7页(P40-46)
【作者】庄茁;严子铭;姚凯丽;崔一南;柳占立
【作者单位】清华大学航天航空学院
【正文语种】中文
【中图分类】O302
【相关文献】
1.非线性计算固体力学的若干问题
2.水化硅酸钙力学参数跨纳-微观尺度计算方法
3.漫步微观世界的“跨尺度”对话——北京化工大学机电学院教授梁立红与其先进材料及结构跨尺度力学研究
4.固体跨尺度压痕标度律的研究与展望
5.仿生石墨烯增强纳米复合材料力学性能的跨尺度数值模拟和实验研究
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断裂力学的发展与研究现状一、断裂力学概述断裂力学是一门研究材料或结构在断裂过程中力学行为的学科。
它专注于理解材料的微观结构和性能，以及在外力作用下材料裂纹萌生、扩展和断裂的机制。
断裂力学在工程应用中具有非常重要的意义，因为材料的断裂会直接导致灾难性的后果。
二、断裂力学的发展自20世纪60年代以来，断裂力学得到了迅速的发展。
这个领域的研究可以分为两个主要方向：线性断裂力学和非线性断裂力学。
1. 线性断裂力学：线性断裂力学研究裂纹在材料中扩展的规律，其理论基础主要是弹性力学和塑性力学。
这个方向的主要目标是预测裂纹扩展的速率，以及裂纹对材料性能的影响。
2. 非线性断裂力学：非线性断裂力学研究裂纹在非线性材料中扩展的规律。
这种材料的行为会随着裂纹的扩展而改变，因此需要使用更复杂的模型来描述。
非线性断裂力学的研究对于理解复合材料、金属、陶瓷等材料的断裂行为非常重要。
三、断裂力学的研究现状当前，断裂力学的研究主要集中在以下几个方向：1. 疲劳裂纹扩展研究：疲劳裂纹扩展是工程结构中最常见的断裂形式之一。
这个方向的研究主要关注疲劳裂纹的萌生和扩展机制，以及如何预测疲劳寿命。
2. 复合材料断裂研究：复合材料由于其各向异性和非线性特性，其断裂行为比金属材料更为复杂。
这个方向的研究主要关注复合材料的分层、脱层、破碎等行为，以及如何优化复合材料的结构设计。
3. 微裂纹扩展研究：微裂纹在材料中广泛存在，其对材料的性能和安全性具有重要影响。
这个方向的研究主要关注微裂纹的萌生、扩展和聚集机制，以及如何检测和预防微裂纹的产生。
4. 跨尺度断裂力学研究：这个方向的研究关注在不同尺度（如微观、介观和宏观）下材料的断裂行为。
它涉及到材料在不同尺度下的物理性质，以及不同尺度之间的相互作用。
这种跨尺度的方法有助于更全面地理解材料的断裂行为。
四、未来研究方向与挑战随着科学技术的发展，断裂力学仍面临许多新的挑战和研究机会。
未来几年，以下几个方向可能会成为研究的热点：1. 高性能计算与模拟：随着计算机技术的发展，高性能计算和模拟已经成为解决复杂工程问题的关键工具。
跨尺度建模在多尺度材料结构设计中的应用随着科学技术的不断发展，材料工程领域的研究也得到了极大的推动。
多尺度材料结构设计是一种综合运用多个尺度的建模方法，以实现材料属性和性能的优化。
跨尺度建模技术的应用在多尺度材料结构设计中发挥着重要的作用，能够为工程界的材料设计提供有效的解决方案。
所谓跨尺度建模，即是将多个不同的尺度层次进行耦合分析，从宏观到微观，从宏观物体整体到微观细节部分进行综合考量，使得材料结构的设计能够更加精确和准确。
它通过对不同尺度下材料性质和行为的建模，标志着将原子、晶体、微观、宏观等各个层次进行统一、一体化的方法和理论。
这种综合性的建模方法可以充分考虑到材料的整体性和层次性，有助于优化设计和改进材料性能。
多尺度材料结构设计是一个综合性的工程问题，需要对材料的结构和性能进行全面的分析和理解。
传统的试验方法往往只能获取到有限的数据，而跨尺度建模技术可以通过数值模拟和计算来获取更详细、更全面的信息。
例如，通过分子动力学模拟可以研究材料的原子间相互作用和热力学性质，而通过有限元方法可以模拟材料的宏观机械行为。
这些跨尺度的建模方法相互补充，使得我们能够更好地理解材料在不同尺度下的行为，并为结构设计提供准确的指导。
跨尺度建模技术在多尺度材料结构设计中起到了重要的作用。
首先，它能够帮助科学家们深入了解材料的微观结构和特性。
通过建立精确的原子和晶体模型，可以模拟材料的晶体结构和缺陷行为，从而揭示材料的内在机理。
其次，跨尺度建模技术可以用于预测材料的性能和行为。
通过建立全面的材料模型，可以预测材料的强度、刚度、热膨胀系数等物理性质，为材料设计提供指导。
最后，跨尺度建模技术还可以用于优化材料的结构设计。
通过结合多个尺度的建模结果，可以优化材料的结构，提高其性能和可靠性。
在实际应用中，跨尺度建模技术已经取得了一些重要的成果。
例如，在材料强度和韧性方面的研究中，研究人员可以通过原子尺度模拟和连续介质力学模型的结合，对材料的断裂行为进行研究，并对其破坏机理进行解释。
《内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能研究》一、引言近年来，随着新材料科学的发展，负泊松比材料因其独特的力学性能和结构特性，逐渐引起了广泛关注。
内凹负泊松比蜂窝作为一种典型的负泊松比结构，其静动态力学性能的研究对于其在实际工程中的应用具有重要意义。
本文旨在探讨内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能，以期为相关研究与应用提供理论依据。
二、内凹负泊松比蜂窝的结构特点内凹负泊松比蜂窝是一种具有特殊几何形状的蜂窝结构，其基本单元在受到外力作用时，能够产生负泊松比效应。
这种结构具有轻质、高强、抗冲击等优点，广泛应用于航空航天、汽车制造、生物医学等领域。
三、静力学性能研究1. 实验方法本文采用实验与数值模拟相结合的方法，对内凹负泊松比蜂窝的静力学性能进行研究。
实验中，通过制备不同尺寸和形状的内凹负泊松比蜂窝试样，对其在准静态载荷下的力学响应进行测试。
同时，利用有限元分析软件对实验过程进行模拟，以验证实验结果的准确性。
2. 实验结果与分析实验结果表明，内凹负泊松比蜂窝在准静态载荷下表现出优异的力学性能。
在受到外力作用时，其结构能够有效地分散和传递载荷，具有较高的能量吸收能力。
此外，内凹负泊松比蜂窝的力学性能受其几何形状、尺寸等因素的影响。
通过数值模拟，可以更深入地了解内凹负泊松比蜂窝的应力分布、变形模式等力学行为。
四、动力学性能研究1. 实验方法动力学性能研究主要采用冲击试验和数值模拟相结合的方法。
通过高速摄像机记录内凹负泊松比蜂窝在冲击载荷下的动态响应，同时利用有限元分析软件对冲击过程进行模拟，以研究其动态力学性能。
2. 实验结果与分析实验结果表明，内凹负泊松比蜂窝在冲击载荷下表现出良好的能量吸收能力和抗冲击性能。
其结构能够在冲击过程中有效地吸收和分散能量，减少对内部结构的破坏。
此外，内凹负泊松比蜂窝的动态力学性能受冲击速度、冲击角度等因素的影响。
通过数值模拟，可以更全面地了解其动态响应和破坏模式。
五、结论本文对内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能进行了研究，得出以下结论：1. 内凹负泊松比蜂窝在准静态载荷下具有优异的力学性能和能量吸收能力。
复合材料多层结构跨尺度精细建模与多模式失效机理
复合材料的多层结构在跨尺度精细建模方面需要考虑多个层次的结构特性和失效机制。
在建模过程中，可以采用多层模型和多尺度方法来描述不同尺度的结构特性。
例如，可以使用宏观本构模型来描述整体结构的力学行为，通过各向同性或各向异性的弹性模型来描述材料的力学性质。
对于复合材料的多层结构，常常存在不同尺度下的失效机制。
在微观尺度下，可以考虑纤维和基质相互作用、界面损伤等因素对材料性能的影响。
在宏观尺度下，可以考虑整体结构的弯曲、剪切、拉伸等载荷作用下的失效机制。
在多模式失效机理方面，复合材料的失效可以表现为多种模式，如纤维断裂、基质损伤、层间剥离、界面失效等。
这些不同的失效模式可以通过适当的损伤模型来描述，以便更好地预测和分析复合材料的失效行为。
综上所述，复合材料多层结构的跨尺度精细建模和多模式失效机理分析是复合材料研究中重要的课题，可以帮助理解和优化复合材料的性能和设计。
身管精锻过程跨尺度多晶体塑性有限元模拟与织构预测徐笑;樊黎霞;王亚平;董晓彬【摘要】径向精锻是一种先进的身管制造方法.身管的多晶体材料经锻打后,晶粒会发生择优取向形成织构,在宏观上产生各向异性现象,这是普通有限元方法所无法模拟的.利用数学软件Matlab和程序设计语言Python联合编程并结合有限元软件ABAQUS,建立身管精锻宏观模型和细观多晶体模型;应用跨尺度方法,开发程序实现了宏观力学至微观力学边界条件的继承,使研究的晶粒尺寸达到了真实尺寸.分析微观多晶体模型的晶粒取向变化,使用Matlab编程画出锻后多晶体材料的极图和取向分布函数图,并用X射线衍射试验验证了晶粒取向模拟结果的正确性.建立了将身管径向精锻从宏观锻造到细观织构联系起来的一套研究方法,为预测锻后身管性能变化提供了思路.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2016(037)007【总页数】7页(P1180-1186)【关键词】兵器科学与技术;身管径向锻造;有限元分析;晶体塑性模型;织构【作者】徐笑;樊黎霞;王亚平;董晓彬【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ05身管是自动武器最重要的部件之一，在射击中承受着高温、高压的火药气体的冲刷和弹丸的剧烈摩擦。
与传统身管制造工艺相比，径向精锻技术自动化程度高，提高了线膛和弹膛的同轴度，降低了成本并且提高了寿命，很大程度提高了自动武器的性能。
有限元分析方法是身管径向精锻研究的一种常用方法。
Tszeng等［1］最早建立了径向锻造的轴对称模型。
Domblesky等［2］使用ABAQUS有限元软件对径向锻造过程进行了数值模拟，并且研究了锻件进给速度和锻件不同点的等效塑性应变对其温度的影响。
在国内，樊黎霞等［3］使用ABAQSU有限元软件模拟了身管的径向锻造过程，对径向锻压力及应力进行了数值分析，并用试验验证了模拟结果。
