力学家访谈录:卢国兴教授

来源: 作者: 时间:2022-07-05 

 

2022年7月1日上午12:00,由西安建筑科技大学力学技术研究院(IMT)开展的力学家访谈,在线上成功进行。本期访谈的嘉宾是时任斯威本科技大学冲击工程实验室主任、工学院副院长、国际冲击工程学会主席卢国兴教授。


访谈掠影

力学家访谈源于对力学家的致敬,希望以访谈的形式请他们分享自己的学术成果、科研心得、新思想,以此激励学生的科学研究激情。采访内容如下:

问:低速冲击下结构的力学响应与准静态响应非常相似,那么低速冲击试验可否用准静态试验代替?在进行落锤冲击试验时冲击速度和落锤质量应如何控制?

答:进行低速冲击研究时首先应该做准静态试验,因为准静态试验便于观察结构的变形模式,可以准确地测出力-位移曲线;而冲击试验只能借助高速摄影机观察变形历史,测得的曲线往往会有振荡。但是要知道准静态和冲击作用下的区别,比如变形模式(低速冲击和准静态情况通常类似)和材料的应变率效应(应变率增加通常导致屈服应力变大、材料韧性减小),这些影响可以通过一些经验公式估算。

关于速度和质量的选取问题,首先,科研开始时要明确目标,要保持其它变量不变,从而评估单一变量的影响。在进行落锤冲击试验时,最容易做的是保持质量不变,把落锤质量块提到不同的高度从而控制冲击速度。另外要注意输入的冲击能量不能太大,以免产生的变形太大,这时可以根据先前进行的准静态试验结果去估计应该输入的能量。

问:您今天给我们分享的讲座内容是折纸结构,折纸结构变化多样,其关键是折痕的设计。在折痕设计方面您有什么经验?哪种折痕的吸能能力最好?

答:折痕设计没有系统性的方法和确切的结论。首先要明确追求的变形模式,然后通过修改折痕去构造它。主要的研究手段是实验观察,进而在局部引进不同的折痕,得到所需要的变形机理,不同的变形模式导致吸收能量的差异。

问:材料对于结构的力学行为影响很大,用作吸能结构的话,一般使用哪些材料?各有什么优缺点?能否请您简要介绍一下。

答:一般而言,选择韧性良好的材料作为吸能材料。使用最广泛的还是金属材料,譬如钢材和铝材。在实际应用中,能量吸收性能只是材料诸多性能之一,在进行结构设计时我们更要同时满足其它性能要求,比如质量、成本和隔音耐热性等。另外,在航空航天结构中大量使用复合材料。复合材料的优点是轻,强度大,但是偏脆,能量吸收较低,因此可以将复合材料和金属材料混用以增加韧性;复合材料的缺点是体积大,比如在设计机身时,大体积的材料会减少可以给乘客的空间,所以建议在进行相关研究时将能量-体积比(体积比能量)纳入考虑范畴。当前,如何提高复合材料的能量吸收是一个研究方向。

问:冲击动力学的初学者,需要具备哪些基础理论知识?应该从哪些方面下功夫?针对受到冲击荷载的结构应该如何进行一般性的理论研究?

答:理论基础包括很多,比如弹性力学、塑性力学和结构力学,要根据实际应用去学习。我推荐余同希教授的几本书, 比如《冲击动力学》(余同希、邱信明, 2011)。 英文版的有英国Norman Jones教授的《Structural Impact》和剑桥大学Stronge教授的 《Impact Mechanics》。有关能量吸收的研究可以参考《能量吸收:结构与材料的力学行为和塑性分析》(余同希,卢国兴,张雄, 2019)。做科学研究最主要的是要找到一个研究问题,或者是实际的工程问题或者理论上的问题,想方设法找到本质上可以创新的问题。同时,研究问题不能泛泛而谈、面面俱到,学会将问题理想化,抓住本质把复杂工程问题简化为可求解的科学问题。

采 访:李权威

撰 稿: 黄 英