论非线性断裂力学的基本平衡定律Ⅰ——局部理论

本文将映射分为两个同胚映射,把理性连续统力学的方法推广到断裂力学,得到与Eftis等不同的一些新结果。本文建立了非线性流变断裂学的基本平衡定律;得出了裂纹扩展过程所应满足的一组必要条件(包括动量条件、动量矩条件、能量条件及熵条件);提出了考虑热效应的一般能量断裂判据,它把已有一些判据作为特殊情况包括在内。把裂纹扩展作为不可逆热力学过程,本文得到新断裂表面上的熵不等式,丛而揭示出经典断裂理论中存在的理论缺陷。我们的结论是:只要裂纹在扩展,就不可能是纯粹的力学过程,断裂必然伴随着热传导和熵产生。经典断裂力学中假设的等温或绝热条件由于违反热力学第二定律是不可能实现的,从这个意义上说经典断裂理论是热力学不相容的。     

非局部断裂与尺寸效应

根据流变断裂学的理论和方法,结合非局部场理论和不可逆热力学,对裂纹扩展过程中的变形、热力平衡、热流变响应以及断裂的尺寸效应进行了探讨.由于变形的非协调性.以及裂纹扩展过程中新表面的产生,导致体积与表面物理量的相互转换,而使局部化假设失效,文中导出了一组更为广泛的描述裂纹扩展过程的局部热力平衡方程以及相应的边界条件,本文将断裂作为变形的极限行为,首次将它引入本构方程,把裂纹扩展表面能作为本构变量,给出了裂纹扩展对热流变响应的影响的一般形式,进一步揭示了Griffith表面能的本质和断裂的不可逆性,从而把流变与断裂在不可逆热力学基础上更紧密地结合起来了。最后,从一般的角度研究了断裂的尺寸效应,并指出非均质是产生尺寸效应的重要原因之一。     

单支墩大头坝初始表面裂纹形成的热流变断裂学研究(英文)

本文从对裂纹扩展过程中流变与耗散现象的大量观察与研究,根据非局部场理论,导出了裂纹体在裂纹扩展过程中的热力平衡方程,为更加精确地描述裂纹扩展问题提供了理论基础;同时指出,在裂扩展过程中局部质量、动量、动量矩和能量均不守恒,并给Griffith表面能以新的定义。将单支墩大头坝初始表面裂纹的形成与扩展视为不可逆热力学过程,在不可逆过程必然伴有熵产生的原则下,引入了一个耗散势函数,通过对裂纹扩展过程中Clausius非补偿热和耗散势函数的研究,重新建立了断裂判据;在适当地引入裂纹系统偏离平衡态的距离之后,可导出经典的屈服、强度和断裂理论中的各种判据;同时,通过耗散势函数,把流变、断裂和不可逆过程有机地结合起来了,形成了统一的流变断裂学。最后,将大坝混凝土定义为热流记忆性材料,依试验和实测数据,采用本文给出的热流变断裂学研究,对单支墩大头坝初始表面裂纹的形成进行了计算,其结果与现场观测基本一致,为单支墩大头坝的设计提供了进一步改进的依据。     

论裂纹扩展过程中的流变与耗散现象（Ⅰ）

根据裂纹扩展过程中的流变与耗散现象,建立了裂纹扩展期间裂纹体的热力学平衡方程,并依局部场论探讨了局部化剩余的意义。然后,我们把裂纹扩展问题转化为含有质量流源的一个扩散运动问题,并应用内部体力场来研究裂纹扩展力。引入外部热汇,我们把能量耗散问题转化为一个热传导问题。令Clau-sius非补偿热为非负值,建立了裂纹扩展过程中的广义熵不等式,引入耗散势函数,使该不等式转化为某一泛函的可积微分不等式,从而得到它的完全解。只有纵观裂纹扩展的全部历史,才能确定裂纹扩展特性,为此采用Lyapounov函数型的记忆泛函描述全过程,将此全过程分为孕育期、稳定扩展期及失稳扩展期,并给出各个时期的相应判据。本文提出,裂纹体的裂纹扩展过程是: 1 非平衡态不可逆热力学的相容过程; 2 动量不守恒而能量亦耗散的过程; 3 伴有热源汇的非纯粹力学过程; 4 具有衰退记忆的历史延拓过程; 5 微观动力学可逆与宏观热力学不可逆之间的互补过程。     

论裂纹扩展过程中的流变与耗散现象（Ⅱ）

本文根据非局部场理论,从对裂纹扩展过程中流变与耗散现象的大量观察和研究,建立了裂纹体在裂纹扩展过程中的热力平衡方程。在引入质量、线动量和能量等的贡献之后,证明了裂纹体的局部动量和局部能量在裂纹扩展过程中均不守恒,而且诸热力学量对裂纹扩展所造成的新表面的贡献可用其局部化剩余来表示。从流变理论和耗散理论出发,建立非局部热力平衡基本方程后,论证了前文提出的关于裂纹扩展过程的五个基本观点。从耗散势函数出发建立了热流变性材料的非局部本构关系。如果这种本构关系对于每个独立体元和时间增量均能导出它的局部化形式,则可提出表面-体积能量密度理论。在体积随表面变化的意义上,给出耗散与不可逆性的定义。从而正确认识涉及体积和表面变化的热能与机械能交换的本质。本文与前文证明了裂纹扩展的全过程本质上是一个非线性非平衡态不可逆热力学过程,进一步完善了流变断裂学的理论基础。     

论流变力学的理论基础——Ⅰ本原要素和基本原理

本文给出什么是现代流变力学的基本概念和原理的见解,并把这些概念直接写成数学语言。为对物质流变现象进行严格的数学论证以更深刻地理解它,从而进一步指导实践,我们简要地介绍了流变力学中的物质观、时空观、运动观。流变力学的任务就是把三个本原要素——物体、运动和力——这样的彼此连系起来,以得到材料流变特性的好的数学模式(本构方程),为此也给出了建立连续系统或离散统流变力学本构方程所遵循的基本原理。     

关于裂纹扩展的连续介质热力学(Ⅰ)——平衡定律和断裂准则

本文克服了Liebowitz和Eftis在有关文献中出现的矛盾,从不可逆过程热力学观点,导出了裂纹体的总体平衡方程,裂纹体内的局部平衡方程和断裂表面的局部平衡方程,为在各种复杂条件下,正确建立裂纹体的断裂准则,提供了必要的理论基础。     

裂纹扩展过程中裂尖塑性流变区温度场的理论和实验研究

本文根据流变断裂学理论,结合非平衡态热力学,对裂纹扩展过程中裂尖塑性流变区由于内耗热而形成的温度场,进行了理论和实验研究。在理论上分析了材料内部的不可逆变化及熵产生、熵流等内耗机制,得到内耗热源函数,指出裂尖温度场的成因,从而进一步得到控制温度场分布和变化的热传导方程。在讨论内耗对裂纹扩展的影响时,我们推出耗散型能量守恒方程的微分和积分形式以及裂纹扩展的耗散型控制方程。在实验研究中,我们测定了裂尖区的温度场,从而验证了本文的理论,指出经典断裂力学的不足。     

人体生物场的流变力学探索

从流变力学基本原理出发,应用线性算子的谱论,明确表达了描述生物能传播引起的电磁场性的一个理论。建立起包括本构方程在内的场方程。讨论了平衡的生物场和生物场响应,还考虑到人体生物场行为的热力学特性。这样,我们就提供了可以理论地发展人体生物声假说的一个一般的数学框架。     

论非线性断裂力学的基本平衡定律（Ⅱ）——非局部理论（主要结果简介）

本文建立了非线性断裂力学基本平衡定律非局部理论的基础，给出了物体体内，物体原表面，特别是新断裂表面上的平衡方程．后者正是裂纹扩展过程中所应满足的一组必要条件，包括质量条件、动量条件、动量知条件、能量条件及熵条件等．结论是：断裂过程是一个部分诸体内量毁灭和部分诸表面量在新断裂表面上创生的过程．该结果在局部理论范围内是无法解释的．本文是前文［１～３］局部理论结果的继续和推广，本文把前文及非局部连续统理论［４］作为特殊情况包括在内．     

动裂纹尖端晶体位错的流变力学研究

在本文,我们从流变力学基本原理出发,着重探讨了晶态固体起裂时裂纹尖端附近晶体位错行为。首先,我们指出存在连续分布位错的空间甚至已非Riemann空间,而是具有挠率(torsion)的Cartan空间,该挠率可描述位错密度,从而经典的调和方程不再适用于宏观断裂力学。其次,我们进一步探讨了裂纹尖端附近运动位错引起的应力埸与U(1)群整体规范埸间的关系,它表明裂纹尖端周围的运动位错埸必须满足Dirac量子化条件。     

粘弹—粘塑相似性的一个非线性原理

根据蠕变试验结果,我们发现某些粘弹性材料的特性在下述意义上相似于热流变性简单材料的特性:相应于不同应力的蠕变函数对数与时间对数的曲线具有相同的形式,而它们都是主曲线的移位。其次,为进一步描述热流变性简单材料的各向异性特性,依照内变量理论,本文采用了一个映射应力张量代替各向同性蠕变势中的真实应力张量。根据Betten蠕变势理论是基于最大耗散率原理.从而,按照涉及蠕变条件的著名Lagrange方法,可以得到各向异性热流变简单材料的流变法则。本文从这一流变法则导出本构方程。这里,“各向异性”的意义是指“包括损伤”,即“包括分布缺陷”.文中发展的理论是建立在内蕴时间概念上的,这一内蕴时间是取为应力张量的函数,从而可将它视为材料函数。通过内蕴时间理论的热力学分析,我们发现若能恰当地定义内蕴时间,使得广义内耗(Hemholz自由能对内变量的偏导数)正比于相应内变量对内蕴时间的变化率,则所研究的各向异性热流变简单材料(即考虑损伤的热粘塑性材料)的本构方程形式就与广义内耗正比于相应内变量速率的粘弹性材料的本构方程形式完全一样。这样,类似于线性范围内的弹-粘弹对应性原理的概念,本文建立了非线性的粘弹-粘塑相似性理论。这一成果大大有利于裂隙流变性材料中裂纹扩展过程的研究,从而充实了流变断裂学的内容。     

带缺陷流变性材料裂尖断裂过程区的热力学性和电磁性

带缺陷流变性材料破坏过程中显现出热致磁效应的实验结果表明：在材料破坏的过程中，由于内部温度梯度的存在，导致裂尖断裂过程区具有热致磁效应．可见，热传导方程应包括电磁场的贡献．这种情况意味着断裂过程区内的磁感应场变化，不是由磁通量守恒律的局部化剩余产生，而是本构关系的直接结果，它显示为非局部效应，并参与能量耗散，因此，材料的破坏过程不是纯粹的力学过程．本文应用线性算子谱论建立了条带型断裂过程区的流变场方程并讨论了其热力学关系．最后，以对于Galilei不变式是协变的Lorentz不变式方程分析了裂尖断裂过程区的电磁场特性．本文的成果将有利于金属基复合材料、导电聚合物、定向纳米材料等新型材料的设计和制造以及有关结构物的失效分析．     

各种线粘弹体的能量断裂判据

在本文,我们应用粘弹对应性原理探讨了各种线粘性固体的能量断裂判据。这项原理由于在对时间的Laplace变换后的基本粘弹性方程与相应的未经变换的弹性方程间存在相似性而成立,所以我们可利用这一对应性直接写出相关的粘弹性表示式的Laplace变换。于是,反演这些变换了的方程,我们最终分别得到表述Maxwell固体、标准线性固体和Burgers固体的能量断裂判据公式。本文的分析探讨了能量平衡断裂判据对线粘弹体的应用。它表明: (α) 粘弹性裂纹的能量释放率可分成两部分,一部分反映了延迟弹性效应,另一部分反映了粘性流效应; (b) 和Maxwell固体一样,Burgers固体也存在临界状态。由于粘性流的缘故,这一临界状态迟早要到来; (c) 裂纹体一旦到达临界状态,裂纹就将以高速扩展; (d) 与Maxwell物体和Burgers物体相反,标准线性裂纹体存在这样的一个载荷值,低于它时,永不会产生临界状态;高于它时,迟早会陷于临界状态。     

流变断裂学的基本概念

本文简要地介绍了流变断裂学的基本概念及裂纹扩展过程的实质,并提出流变断裂学的未来主要任务。     

论各向同性记忆材料的屈服与断裂

本文论述了在各向同性记忆材料屈服与断裂中流变现象的重要性问题。应用Coleman的记忆衰退原理和分析方法,我们得到:可以把材料变到屈服状态看作是一种渐近现象,它给埸张量不变量以限制。其次,我们对各向同性记忆材料的断裂条件作了理论探讨,得到单质材料的率型本构方程,并对断裂条件加以定义。这些条件不仅取决于现时应力,而且取决于应力本征值的过去历史。我们还证明了线性算子的零空间就是和的两个线性算子零空间的直和,即在这里自然地可以将断裂分成两类。当和分别说是法向断裂和剪切断裂。从而,对于变形的断裂判据就是在形变梯度历史的条件,即线性算子是奇异的;而断裂扩延则是在零空间的6维矢量空间的非零元。本文的结论是:断裂过程是一个不受表面能影响的纯粹流变过程。     

论混凝土裂纹体的流变断裂

本文的讨论,提出了可以发展混凝土构件流变断裂的一个一般的框架。探讨了三个主要问题,即本构方程的非线性、动态能量释放率及混凝土中粗骨料与砂浆间界面斜枝微裂纹的发展规律。本文引入混凝土裂纹体的包含断裂元件的流变模型,从而使混凝土断裂的上述问题的研究得以简易化。推导出具有材料非均质性所引起的流变效应的混凝土裂纹体本构方程。将有限应变下的超弹性材料中直形尖裂纹的动态能量释放率G_d的统一处理方法,推广到混凝土裂纹体情况。将G_d分成G_(d1)和G_(d2),它们分别表瞬时断裂和延迟断裂的动态能量释放率。然后,我们再将G_d分成通常的准静态能量释放率加上负的动态贡献,即G_d(t)=(?)(t)+(?)(t)。显然,(?)和(?)对混凝土中裂纹的动态特性的关系,比应变能变化率(?)与动能变化率(?)对它的关系更密切些,这是由于(?)和(?)一般地不是裂纹尖端所固有的缘故。最后,根据混凝土中粗骨料与砂浆间界面斜枝微裂纹的发展规律,借助主裂纹尖端前的“损伤积累”概念,论证了主裂纹是在等时间隔以跳跃形式增长的。     

混凝土裂纹体的裂纹延迟失稳扩展

为对混凝土构筑物的裂纹延迟失稳扩展现象进行严格的理论论证以更深刻地理解它,基于整体能量平衡和裂纹前缘双重衰坏区的概念,建立了裂纹失稳扩展孕育期的理论。将混凝土构筑物视为由一个弹簧和一个Kelvin模型串联而成的三元流变模型表征的标准线性固体,分析了裂纹扩展期间发生的能量耗散和能量释放率G_1。在裂纹失稳扩展的孕育期,外衰坏区的整体特性是初级蠕变的而不是弹性的或瞬时塑性的形变,内衰坏区则随时间而发展二级蠕变。引人C*一积分的定义,并从而推导出用以解释孕育期间裂纹尖端附近整个衰坏区形变特性的特征时间和长度。其次,得到另外一些重要结论如下: 1 为正确对待混凝土构筑物的断裂,应将它看作是一个具有记忆的历史过程、一个具有耗散能的热力学不可逆过程。因此,通常的局部能量平衡方程不再能做为设立的整体能量平衡方程的推论而得到。2 将混凝土视作为标准线性体,其应变能释放率可分成两部分,一部分表明迟滞弹性效应,另一部分表明粘性流效应。所以,裂纹扩展时能量耗散,并且裂纹的形成是不可逆的。3 混凝土裂纹体的G-判据与K-判据间的关系是时间相依的。在恒载条件下,它的能量释放量随时间而增长到一个较高的极限值,从而存在裂纹延迟失稳扩展的临界裂纹尺寸。4 混凝土构筑物的断裂过程中,裂纹失稳扩展前是存在亚临界扩展阶段的,它显现与否取决于所施应力水平。在此阶段,虽然外载保持固定,但裂纹仍随载荷持续时间而缓慢增长,所以裂纹前缘的应力场也是时间的函数。5 在裂纹失稳扩展的孕育期,裂纹尖端的外衰坏区呈初级蠕变变形.而内衰坏区随时间发展着二级蠕变。在长时间后,整个衰坏区的蠕变发展。裂纹尖端应力场可由包括C*的方程(44)给出,而C*与载荷参数有关。6 用以说明裂纹尖端附近整个衰坏区变形特性的特征时间,可从衰坏区蠕变应变集中的“短时间”与整个衰坏区蠕变从初级发展到二级而三级蠕变的“长时间”之间的差推导出。本文研究成果解释了某单支墩大头坝在蓄水8年后原有约3米长的浅裂纹突然失稳扩展成深达50米左右深裂纹的成因。     

变质量断裂模型及其实验研究(英文)

从能量方程求得具体的裂纹扩展方程是困难的,因为在一般情况下,我们还不知道断裂过程中各种能量以什么样的比例存在于系统中。鉴于此,我们考虑将动量方程用于裂纹扩展研究。建立一个以动量定律而不是以能量原理为基础的断裂模型。这种模型的建立是基于这样的认识,即裂纹体在断裂过程中,即使其整体动量,动量矩是守恒的情况下,其局部动量、动量矩也是不守恒的。或者说,动量平衡方程是非局部的,通常的局部化假设在裂纹扩展展过程中是不成立的。在此基础上种文中以裂纹尖端局部区域为研究对象,从多方面论证了该区域作用有不平衡力,正是这个不平衡力的大小,方向等的变化控制着裂纹扩展过程,建立了变质量断裂模型。该模型以随裂纹尖端运动的局部区域作为变质量系统,研究该系统质量和作用在该系统上力的变化,以此研究裂纹扩展过程,从而给出了裂纹扩展遵循的一般方程。本文用自行研制的裂纹扩展速度测定仪测得的裂纹扩展速度,在平面应力Ⅰ型裂纹条件下,在一定程度上验证了理论的正确性。     

新兴边缘学科“流变力学”简介

“流变”(rheology)一词来源于古代哲学家Heraclitus所说“πα′νταρ∈ι”,意即“万物皆流”。我国译为“流变”,取意“一切皆流,一切皆变”。一开始就由生产活动决定的流变力学,是根据应力、应变、时间研究物体流动与变形的构成及发展的一般规律的学科。它处于弹性力学、塑性理论和流体力学的前沿,是物理化学力学交界