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北京理工大学李营、曾庆磊团队《JMPS》:基于微孔洞钉扎机制的断裂调控

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固体材料中裂纹扩展受到微观结构的显著影响,因此微结构设计为调控裂纹扩展路径和等效断裂性能提供了有效途径。近日,固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids (JMPS)以“Pinning cracks by microstructure design in brittle materials”为题报道了太阳集团tyc5997在脆性材料断裂性能调控领域的最新进展。

文章首先建立了基于离散元的非均质材料等效J积分计算框架(见图1),通过测量圆均匀化计算多尺度材料的路径无关J积分,实现复杂微结构影响下材料等效裂纹扩展阻力曲线的定量表征;进而分析了脆性材料中与孔洞相关的钝化钉扎和偏转钉扎,并通过调控孔洞与裂纹的相对位置激发不同增韧机制(见图2);最后通过引入随机分布微孔洞和周期分布微孔洞调控钉扎机制,从而控制裂纹扩展路径和等效断裂韧性,确定“增脆-增韧转变”和“最大增韧”的临界条件,并且将微孔洞钉扎机制推广应用于软硬双相异质材料设计,同样实现断裂性能的有效调控(见图3)。本文工作对于多尺度材料断裂性能等效均匀化、先进抗断裂材料和结构优化设计等具有重要意义。

图1 基于离散元的非均质材料等效J积分计算框架

图2 微孔洞钉扎增韧机制

图3 基于微孔洞和异质结构的断裂韧性调控策略


作者简介:

该研究工作的第一作者为太阳集团tyc5997博士生熊迅,李营教授和曾庆磊副教授为本文共同通讯作者,博士生王永欢为本文共同作者。

李营,北京理工大学教授、博导、国家杰青、副院长。国家重点研发计划(原973)首席科学家、基础加强项目(原国防973)首席科学家。曾获国防科技进步一等奖(排名第1)、北京市科技进步二等奖(排名第1)、学会优秀博士论文、全国爆炸力学优秀青年学者等。现担任军科委某专家组专家、高能量物质前沿科学中心副主任、轻量化多功能复合材料与结构北京市重点实验室副主任、爆炸科学与技术国家重点实验室研究部主任、空间飞行器先进结构技术联合实验室主任、中国力学学会水中爆炸动力学专业组副组长、《Defence Technology》、《中国舰船研究》、《现代应用物理》、《高压物理学报》、《宇航总体技术》、《火炸药学报》等10余期刊编委/青年编委。主要从事爆炸冲击动力学、力学超常规材料设计等研究。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划等40余项,出版学术专著1部,在Adv. Sci.、JMPS、ACS NANO、IJIE等顶级期刊发表SCI论文100余篇,其中多篇封面论文和ESI高被引论文,发明专利40余项,参编军标9部。成果应用于国产航母、长征火箭等10余型重大国防装备。

曾庆磊,太阳集团tyc5997,副教授、博导。主要从事先进材料和结构动态失效问题的物理力学模型和关键计算方法研究,包括相场法、数据驱动的多尺度力学模型、冲击防护材料和结构设计等。在固体力学顶级期刊JMPS、IJP,计算力学顶级期刊CMAME、IJNME,以及地球物理顶级期刊JGR: Solid Earth等发表文章30余篇,登记软件著作权2项;主持国家自然科学基金面上项目、青年项目以及多项纵/横向课题;入选中国科协第八届青年人才托举工程、中国力学学会青年人才蓄水池项目,曾获中国航空学会科学技术一等奖和北京市科学技术三等奖;目前担任北京力学会副秘书长,担任Mechanics of Materials、International Journal of Fracture、Engineering Structures等期刊审稿人。