访谈掠影
2019年11月28日上午8:45，由力学技术研究院开展的力学家访谈，在IMT办公室进行。本期访谈的嘉宾是西南交通大学蔡力勋教授。IMT研究生和教师参与了本次访谈。
本次访谈，学生主要以蔡力勋教授延性材料强度学的力学方法与应用：RVE、比拟、量纲分析这一研究为采访重点。采访内容如下：
问：我们关注到您提出了一种新方法，可便于获得各类Ⅰ型裂纹构元的 J 积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式。您能给我们分享一下解决这类非线性问题的心得吗？
答：
这是一种全新的方法，说起来只要“不忘初心” 或许也很简单，就是固体力学基础研究者勿忘材料代表性单元(RVE)，勿忘均匀变形、比例加载下 RVE 的等效应力、等效应变、应变能密度， 及其与 RVE 单轴本构关系常数之间存在函数关系，新方法将受单向载荷构元变形域内取得能量密度中值的 RVE 作为研究对象，建立构元能量与幂律材料常数、有效变形体积及载荷或加载线位移的无量纲式解析关系， 进而可采用构元的少量材料常数样本和几何尺寸样本，通过很少的有限元分析（FEA）即可确定方程的待定常数（2 个几何常数、 2 个变形常数），这个性质的方程属于半解析的。因为获得了能量的半解析方程，那么通过对构元能量作位移偏导以及对任意受单向加载的含裂纹构元能量作裂纹长度偏导，就容易获得载荷-位移关系和 K 因子、 J 积分关于位移或载荷、 几何尺寸和材料常数的半解析表达式，同样的方法用在受单向载荷的大量构型试样，如圆环、 圆片、悬臂梁、小冲杆试样等等，以及球型压头压入、锥型压头压入、圆柱型压头平面压入问题得到能量-位移、能量-载荷、载荷-位移的半解析方程。新方法因为是和我的博士生陈辉共同初创于 2015年 4月（框架完善于 2016年 2月），可简称为CC 方法，这个方法也用来建立抗拉强度与各尺度布洛维硬度以及硬度与硬度之间的半解析转换方程， CC 方法与应用的相关成果在包括 ACTA Mater、 App Math Model、 Mater Des、 IJ Mech Sci、力学学报等刊物发表论文 20 余篇， 授权发明专利 7 项（另 6 项已公开）， 制定了有我国独立知识产权的《金属材料 压入试验 强度、硬度及应力应变曲线测定》国家标准（发布号： GB37782-2019），也依据 CC理论提出的一系列创新试验方法面向材料压入、小试样试验获得材料性能的精密压入仪、构元试验仪，希望通过孙院士的力学技术讲堂平台让力学界、工程界更多朋友了解， 促进我国材料测试技术进步。
问：您能谈谈 Paris 律的前景，以及它被断裂力学家们不看好的原因吗？
答：
我们在预测疲劳裂纹扩展律研究的理论成果证明 Paris 律得到了裂纹尖端塑性区 RVE 的单轴低周疲劳循环损伤律支持，事实上， 我们发展的疲劳裂纹扩展模型只与 Manson-Coffin 律参数相关， 与描述稳定阶段裂纹扩展的 Paris 律吻合呼应，因此 Paris 律的确可以反映材料的基础性能，尽管它属于现象学方程。 当然相对完善的是 Paris 律的修正公式， 可以应对闭合效应、加载比等的影响，在CAE 软件中应用上已无大的障碍。当然，从源头上说， CAE 软件直接用材料 RVE的低周疲劳 Manson-Coffin 律预测结构裂纹扩展应当更有说服力和方便，希望Shi-Cai(I 型裂纹扩展)、 Qi-Cai（I-II 型裂纹扩展）模型能被 CAE 软件用上。
问： 计算机的快速发展促进了有限单元法的发展，以至于不少研究者过度依赖于计算机模拟计算。您能谈谈我们如何在纯理论思辨和模拟计算中寻找平衡吗？
答：
这是个有趣的问题，我理解科研工具包括成熟的数理理论工具、实验工具以及“无所不能”的有限元法，把这三类工具用好， 不仅要求功夫扎实、 技术娴熟，更需要对现象、机理、概念之间的关联抽象力、思辨力， 同时创造性悟性或灵动是需要的，好的导师的确要指导研究生发挥自己的长处但在任何工具使用上勿过于跑偏，比如擅长理论的、数值分析的研究者少过问或不过问如何设计、实施实验，如何在实验中观察总结现象，甚至在没有得到理论或有限元模型和实验模型之间的可行性验证就同步或单步开跑，到头来发现两类都错或之一错， 结果大量的经费、精力耗费了，得不偿失。 反之，纯粹做实验，若技术精到倒也很好，但若博士生长期脱离理论，缺乏理性思辨，那他的学业也会站不起、跑不动，精到的实验技术或许也可能让自己成为科研瘫子、瘸子。 有时候我们也会遇到，有限元、理论结果怎么都和实验对不上，或许会发现，却原来实验设计和方法原本就不好、甚至错误。事实上，有限元分析软件是很好的工具，对于比例加载、均匀各向同性材料的弹塑性分析很准确、高效、低耗，力学研究生必须熟练掌握， 尤其是博士生，在纯理论上，不忘初心，明概念， 牢基础， 下功夫，通过数值仿真和实验发现规律、 调整假设、构造模型， 否则基础不牢地动山摇。
问： 您通过诸多方面的努力，比如有限元、量纲分析等对目标问题进行求解。请问他们各自在解决问题中起到了什么作用？ 您能简要谈谈量纲分析在延性材料强度学中的应用与优势吗？
答：
在面向西南交通大学力学本科生的实验力学教学中， 相似理论、量纲分析是我视为最重要的基础内容，总会告诫学生要习惯于力学量的无量纲表达，当单一物理量归一化，当合适的
π被构造， 力学问题就成了数学问题，以此建立起来的数学规律还原到力学问题就不同程度地具有普适性。延性材料的强度问题都涉及到材料弹塑性变形，受力构元能量与诸多因素关联，方程中或含有材料弹塑性常数、几何尺寸、应力、 应变、载荷、位移、速率等，基于量纲分析的能量方程各参量的无量纲化或
π化会令问题得到简化，通常结合少量的数值分析和实验，有时会轻易地就获得规律认识。 不仅力学，量纲分析是解决科学问题的基础。
问： 如果我们能够提出一种线性方程来描述弹塑性本构关系，这对固体力学界将产生怎样的影响？对工程安全评价方法是否会产生飞跃？
答：
弹塑性本构关系不乏长程线性， 对于多数延性材料其本构关系呈非线性， 而有限元中就应用了多线性本构关系，这是因为采集的实验数据通常是有限的离散点，当数据足够密时，采用分段线性，就如同 48 边形等分圆，远看与原型圆无区别， 这在有限元中是常用做法。 非线性弹塑性问题解析求解的确很难， 理想弹塑性或理想刚塑性或双线性都是本构关系线性化的做法，历史上获得过一些解析解成果。 对于符合 Chaboche 律的材料（比如不锈钢）， 大应变范围的本构关系线性化的构元弹塑性问题求解可以继续尝试， 这也是有价值用心解决的。 希望固体力学界关注不同本构关系下构元的能量、应力应变场的弹塑性问题解析求解，一旦这些问题的解析方程足够丰富必然产生飞跃，大大促进工程结构的完整性评价。
问：请问现在弹塑性本构关系的研究取得了哪些重要成果，以及目前未解决的难题是什么？ 您觉得目前弹塑性力学研究的大方向是什么？
答：
材料本构关系研究中最难的还是非比例单调加载以及非比例循环加载下的弹塑性本构关系，如 Ohno 模型， 以及用于描述含损伤（空洞）材料的本构关系，如 GTN 模型，目前已有很多本构关系模型发表，虽然 GTN 模型已被 ABAQUS选用于材料破断分析，但和非比例弹塑性加载的本构关系模型一样， 由于存在大量的可调试的本构关系参数，其唯一性、普适性条件多得不到满足，人为性很大，目前在上述方面还没有很普适的重大成果，复杂条件下的本构关系研究的确很难很难。
蔡力勋教授从“实验、数值、数理”三者合一与“不忘初心，牢记使命”方法论出发，向我们介绍了其研究的全新方法——CC方法，以及研究过程中的核心灵感“材料RVE”。学生们受益匪浅，不仅对材料RVE有了深刻认识，还从方法论的角度再次认识科学。
采访人：李 翔
采访稿：刘轩廷
摄 影：刘轩廷
当前位置: