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近日,陈斌助理研究员在断裂力学领域的权威期刊Engineering Fracture Mechanics发表题目为Experimental validation of the thermodynamic theory for predicting the strength of 6061 Al alloy with complex loadings的研究论文(DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2022.109006)。通讯作者为澳门太阳集团2007登录86交叉科学研究中心(以下简称“中心”)的李润霞教授和王彪教授。

在工程结构设计中,安全问题一直备受重视。虽然几乎所有的工程设计均按照安全规范进行,但安全事故仍时有发生。造成这种情况的原因有很多,其中最关键的是材料结构破坏强度难以精准确定。长期以来,材料结构强度的确定依赖于一些经验的强度准则。虽然试件的变形和应力分布可以通过有限元法等数值方法得到,但结构的安全性是由经验强度准则确定的。此外,由于准则是经验的且材料结构的加载条件复杂,为了保证安全,需要采用较大的安全系数,这造成了大量的材料浪费和能源消耗。因此,针对工程材料结构的破坏和失效问题,能否发展严格的科学预报理论取代经验公式?近年来,王彪教授提出了预报材料结构强度的统一热力学理论(Eng Fract Mech., 2021, 254: 107936),为解决上述问题提供了新思路。

本工作的目的是验证由王彪教授提出的思路。研究人员以6061铝合金为对象,设计了单轴和双轴拉伸实验方案,准确地得到在不同加载条件下的破坏强度。理论建模的整体思路是将体系塑性变形与其整体平均失配作为本征应变,导出了在特定加载条件下引入塑性变形导致的Gibbs自由能的变化。再根据非平衡热力学,导出塑性变形扰动的演化方程,并得到塑性变形的稳态条件和破坏的临界条件,通过单轴和等双轴拉伸试验确定了塑性耗散能量密度函数的展开系数。最后,预报出6061铝合金在应力空间和应变空间的破坏强度,与实验结果非常吻合。此外,研究人员将本工作的理论预报结果与两种经典强度理论(最大剪应力理论和最大畸变能理论)结果进行对比。本研究验证了预报材料结构强度的统一热力学理论的准确性和可靠性,为其在工程领域的应用奠定了基础。

据悉,该工作得到国家自然科学基金原创探索计划项目(12150001)、面上项目(51974092)、青年项目(12002401),国防科技工业核动力技术创新中心项目(HDLCXZX-2021-HD-035)等基金项目的支持。

(撰稿:陈家鹏;一审:刘钊;二审:李润霞;三审:王彪)

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