多尺度力学丛书：损伤和破坏的细观统计力学

By LNM on September 29, 2019

Lion

白以龙等新著作《损伤和破坏的细观统计力学》系统总结作者们30年在细观统计力学领域的工作，针对脆性介质的损伤和破坏，揭示从实验室岩石实验到大地震前兆的规律和跨尺度关联。

背景

由于自然灾害引起的损失不断增加，第42届联合国大会决定从1990年至1999年开展“国际减轻自然灾害十年”活动（IDNDR）。人们希望从科学和工程层面来指导如何有效减少自然灾害引起的损失。然而，在这之后所发生的几次重大自然灾害，如2008年汶川M8级地震、2011年东日本M9级大地震等，仍然造成了巨大损失。因此，认识和研究由微损伤诱致非均匀介质的重大灾变行为是当前学术界和国际社会所关心的一个重要问题。

内容简介

本书分为四个部分：

第一部分（Introduction）介绍一些基本背景和问题的提出。包括非均匀介质损伤和破坏的基本特征和共性、统计细观损伤力学的基本框架和数学基础等。第二部分（Part A）介绍准静态条件下的损伤局部化行为，阐明细观特征量分布的关联和对固体材料破坏的影响。第三部分（Part B）介绍与时间相关的损伤演化过程，即固体细观物理量的非平衡演化规律和对宏观力学行为的影响。第四部分（Part C）介绍损伤演化诱致灾变破坏行为，阐述损伤局部化等一些关键诱因如何导致灾变破坏的发生。

此外，为帮助读者理解本书中的一些概念、方法和公式，书中还设置了以下特别内容：

注解（NOTES）：介绍与知识点相关的故事或人物背景，让读者可以了解相关的历史背景和想法来源。
习题（PROBLEMS）：读者可通过这些习题了解如何运用相关知识求解具体问题。
应用：为说明损伤演化理论的作用，书中介绍了如何采用统计细观损伤力学来分析一些实际问题，例如，Part A中混凝土的双轴加载实验、泡沫金属、失效波等；Part B中的冲击层裂行为、低周疲劳裂纹等；Part C中的地震预测等。

写书意图

国际科学理事会（ICSU）曾提到，解决微损伤引起的灾变问题，可遵循中国古代思想家孙子所提出的“谋无术则成事难，术无谋则必败”思想。传统线性行为一般是接近平衡态的结果，但破坏过程通常是由微损伤演化的跨尺度级联所产生的。因此，有必要发展新的跨尺度理论框架来理解材料破坏中的物理现象，理清跨尺度过程中所蕴含的相关机理。本书期望通过结合细观力学和统计物理来回答以下问题：

微损伤是如何诱致灾变破坏的？
突变破坏的前兆是什么？
是否可以通过前兆信号区分灾变和渐近破坏？
为什么有的灾变行为并没有明显的前兆现象？

在此基础上，加深对损伤诱致灾变的理解，并为灾变预报提供新思路。

读者对象和社会需求

本书的读者对象可为力学、地质工程和土木工程专业的研究生、研究人员或工程师等，也包括对减灾预报有兴趣的具有不同专业背景的人士，比如应用物理、地球物理、地震学等。本书可用于研究生教材，特别是书中的一些应用实例可以帮助他们理解统计细观损伤力学的一些基本概念、研究工具和重要结论。此外，对于拥有数学、统计和力学基础，并对于灾变破坏预测感兴趣的本科生也可以尝试阅读此书。

与同类书籍比较

现有的细观力学和损伤力学书籍偏向两个极端：

其中，细观力学是将传统的连续介质力学应用到一些典型的细观结构，属于“从上至下”的方法，尝试将传统连续介质力学向下推广到可应用的最小极限范围。Mura的《Micromechanics of Defects in Solids》便是该方面的经典之作。

另一方面，损伤力学则是将微结构作为一个连续变量来考虑：连续损伤，而忽略了微观细节或者是细观和微观层次的主导机理。作为一种工程方法，损伤力学简单地采用一些平均物理量来刻画损伤程度，例如弹性模量的退化。损伤力学的两个核心思想：损伤演化律和导致破坏的临界损伤都是唯象和经验性的。因此，Krajcinovic就曾质问损伤参数的选择到底是艺术还是科学（Kachanov, 1986, Chaboche 1988, Lemaitre 1992, Krajcinovic 1998）。

Marder（Marder 1996）曾指出”裂纹从原子尺度发展到宏观尺度的过程是不可逆的，而且是远离平衡态的”。因此，这个问题的解决似乎变得十分困难，特别是对于一些大的破坏事件，比如地震。实际上，细观力学和损伤力学都属于连续介质力学的范畴，因而都难以有效刻画微损伤在不同尺度上的非平衡演化和直至破坏的过程。例如，在地震是否可预报的问题上存在着长期的争论（Geller et al, 1997, Wyss 1997）。这说明要解决这类问题不能仅依赖于传统的方法（比如连续介质力学）。

从本书介绍可以看出，与以上书籍不同，本书是基于“损伤和破坏的统计细观力学”，为解决灾变破坏这一艰难问题提供了一个新的视角。