• CN:11-2187/TH
  • ISSN:0577-6686

机械工程学报 ›› 2021, Vol. 57 ›› Issue (16): 106-121.doi: 10.3901/JME.2021.16.106

• 特邀专刊:先进设计制造技术前沿:重要装备的可靠性保障 • 上一篇    下一篇

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结构完整性分析中的多尺度力学方法

孙李刚1, 凌超1, 陈浩2, 李东风1   

  1. 1. 哈尔滨工业大学(深圳)理学院 深圳 518055;
    2. 华东理工大学机械与动力工程学院 上海 200237
  • 收稿日期:2020-08-31 修回日期:2020-12-30 出版日期:2021-08-20 发布日期:2021-11-16
  • 通讯作者: 李东风(通信作者),男,1978年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为金属材料和结构的多尺度力学、疲劳和蠕变断裂分析、加工制造中多物理问题的计算模拟和残余应力测量和评估。E-mail:lidongfeng@hit.edu.cn
  • 作者简介:孙李刚,男,1987年出生,博士,助理教授,硕士研究生导师。主要研究方向为金属材料的力学性能及其微观机理分析、先进纳米结构设计和力学性能预测。E-mail:sunligang@hit.edu.cn;凌超,男,1989年出生,助理教授,硕士研究生导师。主要研究方向为细观力学理论和数值计算方法在金属及高分子材料中的应用。E-mail:lingchao@hit.edu.cn;陈浩,男,1989年出生,博士,特聘副研究员,硕士研究生导师。主要研究方向为材料失效多尺度模拟。E-mail:haochen@ecust.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金面上(11872161)、国家自然科学基金国际(地区)合作与交流(12011530157)、国家自然科学基金青年(12002108,12002105,51805501)、广东省基础与应用基础研究基金(2019A1515110758)和上海市青年科技英才扬帆计划(20YF1409400)资助项目。

Application of Multiscale Mechanics Methods in Structural Integrity Analysis

SUN Ligang1, LING Chao1, CHEN Hao2, LI Dongfeng1   

  1. 1. School of Science, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518005;
    2. School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237
  • Received:2020-08-31 Revised:2020-12-30 Online:2021-08-20 Published:2021-11-16

摘要: 结构完整性分析一直是机械工程和力学等领域专家学者研究的重要课题。目前在工程装备的设计和评估中应用的安全规范大都是经验性的,亟需开发一种严谨且准确的力学分析方法,不仅可以提高结构完整性评估的精度,还可以安全地提高装备的运行效率。多尺度力学方法可以从材料在不同空间尺度上的微观结构出发,对材料的力学行为进行研究,是能从基础底层推动结构完整性分析的关键。着重回顾近年来关于金属结构材料方面多尺度力学方法的相关研究成果。首先,以分子动力学方法作为微尺度研究方法的代表,介绍金属结构材料的微观变形和断裂机制研究进展。然后,以晶体塑性的连续介质理论为代表,介绍以塑性变形的物理机制和晶体学特征为基础的多尺度力学方法,这种方法考虑晶体弹塑性变形行为的各向异性,具有坚实的物理基础,是一种具有高度可靠性的结构完整性分析方法。最后,笔者就多尺度力学方法目前面临的研究难点和未来发展方向进行了简要讨论。

关键词: 多尺度力学, 结构完整性分析, 分子动力学, 晶体塑性理论, 物理机制

Abstract: Structural integrity analysis has always been an important subject studied by scientists in the fields of mechanical engineering and mechanics. Because most of the safety regulations applied in the design and evaluation of engineering equipment are empirical, it is urgent to develop a rigorous and accurate mechanical analysis method, which can not only improve the accuracy of structural integrity assessment, but also safely improve the operating efficiency of equipment. Multiscale mechanics methods can study the mechanical behavior of materials from the microstructure of materials in different spatial scales, which is the key to fundamentally promote the structural integrity analysis from the bottom of the foundation. This article focuses on reviewing recent research achievements on multiscale mechanics for the analysis of metallic structural materials. First, molecular dynamics method is selected as a representative of microscopic research methods to introduce the research progress of deformation and fracture mechanisms of metallic structural materials at microscale. Then, based on continuum theory of crystal plasticity, a kind of multiscale mechanics with the consideration the physical mechanism and crystallographic characteristics of plastic deformation is introduced. This method takes into account the anisotropy of crystal elastic-plastic deformation behavior and has a solid physical foundation. Hence, it is a highly reliable structural integrity analysis method. Finally, the authors briefly discuss the current research difficulties and future development directions of multiscale mechanics.

Key words: multiscale mechanics, structural integrity analysis, molecular dynamics, crystal plasticity theory, physical mechanism

中图分类号: