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图书专访 | 专访《断裂力学的权函数理论与应用》作者吴学仁、徐武教授 精选

已有 3442 次阅读 2023-11-15 11:01 |个人分类:图书精选|系统分类:科研笔记

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作者/主编介绍


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吴学仁

吴学仁,研究员,本科毕业于天津大学(1969),瑞典皇家理工学院博士(1983)。1985年回国加入北京航空材料研究所。曾任北京航空材料研究院总工程师(1992-2006)和高级顾问(2007-2017)。是博士研究生导师(1995),国家有突出贡献中青年专家(1997),中航工业资深首席技术专家(2010),第七届国际疲劳大会(Fatigue’99)主席;发表论文200余篇,中/英文专著3部,译著2部;获国家自然科学三等奖、国家科技进步特等奖、光华科技基金特等奖,以及部委级科技奖多项;获中国航空工业第一集团公司航空报国杰出贡献奖;与美国国家航空航天局(NASA)J C Newman同获国际材料研究学会联盟IUMRS首届Somiya国际合作奖。



徐武

徐武,上海交通大学长聘副教授、飞行器设计系副系主任。2012年博士毕业于上海交通大学,2012~2015年美国密歇根大学航空工程系博士后。2016年就职于上海交大航空航天学院。主要研究断裂力学,主持国家自然科学基金、上海市青年科技英才扬帆计划项目及民用飞机专项子项目等国家/部委科技项目十余项,发表学术论文50余篇,合著中/英文著作《断裂力学的权函数法理论与应用》。



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关于本书


《断裂力学的权函数理论与应用》


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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。作为线弹性裂纹尖端奇异场的表征参量和裂纹驱动力的应力强度因子K,是裂纹问题分析的前提,其求解方法则是应用断裂力学理论分析裂纹问题的关键。权函数法为复杂受载裂纹体的K值准确高效求解计算提供了强大的解析手段,不但计算效率远高于有限元等各类数值解法,而且精度可靠、普适性强、应用方便。本书基于作者及其团队对权函数法的长期研究工作,对国际断裂界半个世纪以来该方法的主要进展做了全面系统的论述和综合分析。内容涵盖:当前应用广泛的3种二维裂纹解析权函数法,以格林函数为基准的评价验证与综合比较,求解三维裂纹问题的片条合成权函数法和点载荷权函数法,各向异性体裂纹、II型裂纹和共线多裂纹的权函数分析,以及权函数法的各种实际应用示例。本书给出的理论和数值结果已经作者团队审慎验证,并得到国内外断裂力学界的广泛验证和应用。


本书是对Wu-Carlsson合著的Weight Functions and Stress Intensity Factor Solutions (Pergamon Press, 1991)的传承发展和提升,主要内容是其后30年来的研究工作。本书被列入2020年国家“丝路书香工程(Silk Road Scholarly Project)”项目,适合从事断裂力学研究与应用的科技工作者及工程师使用参考,也可供固体力学专业的高年级本科生和研究生阅读。



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作者专访/主编访谈


1.什么是断裂力学的权函数法?为何选它作为长期研究方向?


由于裂纹尖端场的应力/应变奇异性,裂纹尖端应力强度因子K的求解难度远大于无裂纹体的应力分析。解析解仅限于极少数理想化裂纹几何,现有文献中的手册解所处理的载荷情况较为简单。裂纹尖端的奇异性、裂纹体受载的复杂性与裂纹尺寸变化这三方面因素相互交织,使得利用各种数值方法计算K十分耗资费时。而对于裂纹尺寸不断变化的疲劳裂纹扩展与寿命分析,计算效率尤为重要。权函数法是一种求解任意受载下裂纹体应力强度因子的灵活方便和高效高精度解析方法,能快速求得各种复杂载荷情况下以裂纹尺寸为变量的K。该方法把裂纹体几何与载荷因素作变量分离,只需对裂纹体的权函数和无裂纹应力的乘积作积分,就能求得任意载荷作用下任意裂纹尺寸的高精度K解和张开位移等其他力学参量,其计算效率比有限元等数值方法高几个数量级。这是当前国际主流航空航天损伤容限和寿命分析的大型软件(如NASGRO、DARWIN)主要采用权函数法的主要原因。


Bueckner和Rice于1970年代初分别提出了断裂力学权函数法的基本原理。而要把这种方法用于裂纹体分析,必须解决各类裂纹几何的宽范围/高精度权函数的推导这个关键问题。由于工程实际的裂纹几何形态和边界条件种类繁多,所以必须建立规范化、高精度的推导方法,并给出多种二维、三维裂纹几何的权函数解析表达式。几十年来国际断裂界提出了多种推导权函数的方法并虽都得到了实际应用,但这些方法的求解精度随几何/载荷情况各异。精度是权函数法成功应用的生命线,其验证需要建立严格的评价基准,并对影响精度的因素追根溯源。权函数法用于各类裂纹问题的分析也是研究工作的一个重要方面。这些都只有通过长期潜心研究和持久积累,才能保证给出的权函数雅致、实用、常青(Elegant, practical, enduring),从而为各种实际应用提供可靠保证。


2. 本书主要在哪些方面推动了断裂力学权函数法的技术进步?


(1) 给出了基于裂纹张开位移的二维裂纹规范化解析权函数推导方法,推导出各种中心裂纹、边缘裂纹、共线多裂纹、II型裂纹以及各向异性材料裂纹的高精度权函数解析表达式,以及由此求得的典型载荷情况下的应力强度因子和裂纹张开位移解。

(2)发展了复变函数泰勒级数展开权函数法(WCTSE),以其确定的格林函数为基准对国际断裂界广泛应用的三种权函数法(Wu-Carlsson, Glinka-Shen, Fett-Munz)进行了系统和严格的精度评价和鲁棒性分析,理清了关键影响因素。

(3)给出了基于二维裂纹解析权函数和片条合成技术的三维裂纹权函数法和由此求得的典型三维裂纹几何在多种载荷情况下的应力强度因子解;避免了点载荷三维权函数法的推导依赖于多种参考解的弊端。

(4)给出了权函数法的各种应用示例,包括与热应力、残余应力、内聚力/桥连应力、裂纹闭合应力、裂纹张开位移以及复杂几何因素相关的各类裂纹问题的分析求解。


3. 请对权函数法的各种工程应用做简单介绍,并对未来发展提出展望。


权函数法以其高度的普适性、出色的求解效率、准确可靠和便于应用的特点,在裂纹问题分析、损伤容限设计和结构完整性评定中得到了广泛应用,如:复杂应力场裂纹应力强度因子与张开位移计算、疲劳裂纹扩展分析和寿命预测、裂纹闭合/张开应力计算、桥连/内聚力模型以及残余应力影响分析等许多方面,涉及到航空航天、先进材料、核电能源、石油化工、交通运输、大型装备和土木工程等领域。作者团队的权函数研究结果被欧美国家的工业软件与规范广泛采用(如R6、BS7910、SINTAP/FITNET、SSM、NASCRAC、NASGRO、DARWIN),并被西方某著名航空航天公司用于先进四代机的损伤容限设计。


我国在断裂力学权函数的研究方面已有相当系统深入的积累,但在其工程应用方面仍有明显差距,裂纹分析计算基本依赖进口工业软件和有限元等数值方法的局面亟待改变。建议进一步扩大二维/三维裂纹几何的权函数覆盖范围,建立经过严格验证,涵盖各类结构主要裂纹构型的权函数与各种载荷下的应力强度因子数据库;发展求解精度和计算效率更高的三维裂纹权函数法以及三维裂纹权函数本征精度的评价验证技术;推广权函数法在各工业领域裂纹问题分析中的工程应用;开发以权函数法为核心模块,具有自主知识产权的损伤容限设计和结构完整性评定大型工业软件和规范。


*感谢吴学仁研究员、徐武教授提供以上访谈内容。




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