科普论坛突发灾害和力学

1、突发灾害和力学突发灾害和力学 白以龙 非线性力学国家重点实验室非线性力学国家重点实验室, ,力学研究所，中国科学院力学研究所，中国科学院北京北京, , 中国中国 100 1001901902010 02 26 科普论坛内容内容1 1。自然和工程的突发灾害。自然和工程的突发灾害2 2。演化诱致突变。演化诱致突变3 3。灾害预测和健康管理。灾害预测和健康管理29th ICSU GA (2005）: Natural and Human-Induced Hazards Frequency: the number of events is increasing dramaticallyHazards a

2、nd disasters The economic impacts of natural disasters are increasing dramaticallyFraction in top constructions around the World:Top buildingsTop buildings： 6/106/10Top cable-stayed bridge Top cable-stayed bridge ：7/10 7/10 (武汉天兴洲长江公铁大桥武汉天兴洲长江公铁大桥 L=504米，米，H=189米米) Top Long-span Suspension Bridges T

3、op Long-span Suspension Bridges ：3/103/10 (苏通大桥主桥, L=1088m，H=306m) DAM heightDAM height: 锦屏一级拱坝高305m305m，小湾拱坝高297m.Disasters in China：Earthquake： 4444（M M7 7），），5 5（M M8 8） （20th Century） Typhoon: 7/year，.例例1：（自然界）自然界）2001年11月昆仑山8.1级地震.断裂带东经90-94度View at major seismic rupture zone and offsets of dam

4、 and highway of the Ms 8.1 Kunlun earthquake (from “An album of geological hazards and active faults along Qinghai-Tibet railway”, )倒塌前的雷峰塔倒塌前的雷峰塔1924 年9月25日下午倒塌例例2：（工程）工程）1988年，Aloha 航线的一架波音737在飞行中顶部脱落。影片“九霄惊魂” （Miracle Landing）美国家交通安全委员会结论：由于疲劳等多因素形成若干小裂纹，虽均在承载容限内，但空间位形却非常不利。例例3：（近代工程）（近代工程）2004年年

5、5月月23日清晨巴黎戴高乐机场屋顶日清晨巴黎戴高乐机场屋顶坍塌坍塌（连接两个停机坪的大型走廊的钢筋水泥（连接两个停机坪的大型走廊的钢筋水泥顶棚发生坍塌，约五十米宽，三四十米长）顶棚发生坍塌，约五十米宽，三四十米长）例例4： （近代工程）（近代工程）塔科马大桥的坍塌 1940年11月7日，享有当时的世界的单跨桥之王的塔科马大桥， 被一阵不太强的风颳跨，坍塌。例例5（有（有过程记录）过程记录）卡门涡街 1911年在哥廷根，博士生希门茨研究水流中的圆柱表面的压力. 测出的压力总是波动不已. “希门茨以日耳曼人那股傻劲, 将圆柱磨得滚圆, 将水槽精磨固定, 但是, 圆柱总是晃动” “到周末，我下决心来

6、探索晃动的原因。我考虑了两种可能性。 我假设涡流从圆柱体顶部和底部交替出现，我清晰地想象到，若两股涡流按一定稽核图案排列，其外形就会稳定” 经过仔细的 “做” - 力学和数学分析, 求解, 再实验, 冯。卡门终于发现了 “卡门” 涡街. Karman 涡街 Re = 76 After LI Zhanghua（北京时间（北京时间2003年年2月月1日日22：00时）时）哥伦比亚号最后照片哥伦比亚号最后照片 残片的浓烟残片的浓烟 空间舱残骸空间舱残骸 左翼上的裂纹左翼上的裂纹例例6：（高科技）高科技） STS-51-L was the 25th launch of a Space Shuttle

7、and the tenth launch of the Challenger. It exploded 73 seconds after launch on Jan 28，1986，because of solid rocket booster failure. CAIB final report Aug 26， 2003 Major findings 82 seconds after launch a large piece of foam insulating material from the external tank broke free and struck the leading

8、 edge of the shuttles left wing, damaging the protective carbon heat shielding tiles. This damage allowed super-heated gases to enter the wing structure during re-entry into the earths atmosphere and caused the destruction of the Columbia. The first recommendation was that NASA develop an inspection

9、 plan to examine the Reinforced Carbon Carbon (RCC) system components (R3.3-1). The RCC system is used on the parts of the orbiter that are subjected to the greatest amount of heat during reentry. These areas include the leading edges of the wings, the area aft of the nose cap, and the area around t

10、he forward orbiter/external tank attachment structure. The Board found that the current techniques that are used to examine the RCC system are incapable of thoroughly assessing the RCCs structural integrity, its supporting structure, and the attached hardware. The CAIB believed that NASA “should tak

11、e advantage of advanced non-destructive inspection technology” to mitigate future risk to the space shuttles and crew.i 回顾历史，每一批典型的灾难性事故，都导致力学和工程健康管理的进步 自由轮断裂 - 断裂力学 断裂韧度 彗星号事故 - 喷气机设计（民用化） 航天飞机和飞机事故- 健康管理内容内容1 1。自然和工程的突发灾害。自然和工程的突发灾害2 2。演化诱致突变。演化诱致突变3 3。灾害预测和健康管理。灾害预测和健康管理A. 演化诱致突变演化诱致突变（EIC)Evolut

12、ion Induced Catastrophe一根稻草压死一头牛。The last straw breaks the camels back0.02.0 x10-64.0 x10-66.0 x10-68.0 x10-60.08.0 x1041.6x1052.4x105(Pa)0.02.0 x10-64.0 x10-66.0 x10-68.0 x10-60.08.0 x1041.6x1052.4x105(Pa)“最后一根稻草最后一根稻草”的数值模拟（的数值模拟（after Rong F）10020030040001020Time (s) 0927 0946 0947(0948)0862P (kN

13、)0005MarbleB No.10704x1028x102*/ t 00050862092709460947(0948)-0.021-0.018-0.015-0.012-0.009-0.006-0.00300.0030.006突发灾变的岩石实验突发灾变的岩石实验 （948） B. 样本个性行为样本个性行为Sample Specificity （numerical）3mm1355 Critical Sensitivity in Rock ExperimentsPAE sensorGabbro sampleDisplacement control 0.02mm/minExtensometer0.

14、109mm mm125. 007. 0 ccuu3577 10044304 eventseventsNNSample number: 151样本个性行为样本个性行为（after Xu XH）Sample Specific and Trans-scale sensitivityevolution蝼蚁之穴，溃堤千里。 One ant hole may cause the collapse of a thousand mile dykeC. C. 跨尺度敏感性跨尺度敏感性从微观到宏观的力学从微观到宏观的力学 “ “敏感隧道敏感隧道”xoxooxoooxoooooxooooooooxooooooooo

15、xoxoxooooxooooooxooooooooxooooooooooooooxx.xxxx.xxxxxxx.xxxxxxxxxxx.xxxxxxxxxxxxxxxxx.xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx .xxoxooooxooooooxooooooooxooooooooooooooxxxxooooxooooooxooooooooxooooooooooooooxxxxxooooxooooooxooooooooxoooooooooooooo(a)(b)Quasi- Fabonacci series (1, 2, 3, 5, 8, 13, 20, 30, ) of breaki

16、ng is a sensitive microstructure 跨尺度敏感性的一个表现 涨落剧增10020030040010-410-3 ( 22*)Time (s)10-510-410-310-210-100050947蝼蚁之穴蝼蚁之穴, , 溃堤千里溃堤千里. .千里之堤以蝼蚁之穴溃, 百尺之室以突隙之烟焚.固曰, 白圭之行堤也塞其穴, 丈人之慎火也涂其隙.是以白圭无水难, 丈人无水患. 此皆慎易以避难, 敬细以远大者也.战国.韩非 “韩非子.喻老”蚍蜉撼大树蚍蜉撼大树, 可笑不自量可笑不自量.唐.韩愈 “调张籍”571003. 8NSize of Phase space (Mbius

17、inversion)when N= 200, ),(1,!)!()(nNnddnNdndNNnNd)!( !,nNnNnN如果用每秒亿亿（10*16/秒）次计算机，每秒算出一个状态的演化，需要用10*41秒，约10*34年。即使，敏感区域只占百万分之一， 仍需10*28年。 （宇宙年龄约为10*10年）。难点：非线性复杂性难点：非线性复杂性 浑沌浑沌 连续分叉连续分叉Continuous bifurcationsSelf-sustainable catastrophic rupture Druckers unstableSuccessive bifurcationsmultiple fixed

18、 pointsChaos内容内容1 1。自然和工程的突发灾害自然和工程的突发灾害2 2。演化诱致突变。演化诱致突变3 3。健康管理和灾害预测。健康管理和灾害预测简化模型简化模型: 差分时滞方程差分时滞方程: X: 累积数字; t:日数.K : 一日内一个病人感染人数一日内一个病人感染人数.k: 公众和政府的抗感染措施公众和政府的抗感染措施, 0 k 1 : 感染影响滞后效应感染影响滞后效应 Xc 措施不及时度m 措施力度 (1)()XKkXX tSARS 控制趋势预测控制趋势预测1 exp () *() /mqXxkXcXC Xc Xk1Comparison between HK and BJ

19、 R0=K Xc m qBJ 2.158 1980 4.137 0.0647HK 2.792 1036 1.299 0.0394差不太多北京比香港力度强北京比香港力度强 下降快下降快香港比北京及时香港比北京及时 差不太多差不太多 05010015005001000150020002500XtrealbjXPHMPHM(Prognostics and Health-Management Systems)Goals: Increase Safety Cut CostsCase: JSF (Joint Strike Fighter) DOD, DARPA $2.2 billion JSF conce

20、pt demonstration program (Nov. 1996- ) Boeing & Lockheed MartinFrom Becker, Ind. Phys. 1998,4X35: Lockheed MartinSix-layer Hierarchy for Integrated Predictive DiagnosticsSix-layer Hierarchy for Integrated Predictive DiagnosticsThough mission demands are made at the top level, Though mission dema

21、nds are made at the top level, failure is initiated at the lowest levelfailure is initiated at the lowest levelSornetter，D， New Scientist Nov.17, 2001发展处理发展处理跨尺度耦合模型跨尺度耦合模型是问题的核心是问题的核心SystemunderstudyDiagnosticsAlgorithmsAlgorithm 招宝山大桥断裂事故招宝山大桥断裂事故一九九八年九月二十四日晚，在大桥即将合龙之前，招宝山大桥发生中国建桥史上罕见的主梁断裂事故，十六号块接

22、缝面出现破坏性裂崩，设计施工设计施工运营保护运营保护广东一座受损桥梁需要加固广东一座受损桥梁需要加固加固修复加固修复主梁上的裂纹主梁上的裂纹加固修复加固修复全桥为一整索，全桥为一整索， 全长全长2580米米健康监测管理健康监测管理健康监测传感器：健康监测传感器：GPS：8加速度计：加速度计：100应变花，位移计，温度计等应变花，位移计，温度计等共四百余个共四百余个健康监测管理健康监测管理地震、断层与断层作用地震、断层与断层作用陈 颙 李 娟 李 丽（中国地震局）损伤力学中有一种最新的模型，叫做演化破坏模型（Evolution Induced Catastrophe简称EIC模型。 EIC模型表

23、示了从材料中损伤逐渐积累到材料整体破坏突发转变过程。地质材料中也存在许许多多的损伤：岩石中的裂纹和岩体中的断层。它们的相互作用，就是地震的发展过程。这种概念可以将活动断层和地震研究很好地结合起来。 突发灾害预测突发灾害预测0.00.81.00.00.81.00.00.81.01.21.4Ru/RumaxU/UFP/Pmax(a) /uRdu dU Solid lines:Force(P)-controlleddisplacement(U)curvesSymbols:ResponsesExp observations of Response

24、Ru vs governing displacement UTheoretical calculation of power singularity based on ESB modelDeformation u damage D & energy release -5-4-3-2-10-10-8-6-4-20log10(1-U/UF)log10(R/RZmax)RuRDRWSlope=-1/2(b)R Exp. observations of power singularity near CR-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.8-0.40.00.4

25、0.81.2(C)log10(1-U/UF)log10(Ru)0.650.030.590.020.480.03 u=0.51 0.1043 samples of granite and marbleCRduduuRUUUGradual rupture showing no singularity at all0.00.81.0012345m=3;k=1.0;kc=0.79RZU Ru RD RW(C)0.00.81.00.00.81.01.1Ru/RumaxP/PmaxU/Umax P/Pmax(d) R

26、u/Rumax ESB model Experimental resultsCalculation of concrete Co-existence of specificity and universality of CR CRddRZR1/2RCRLk, ,CRmachinemSpecificityUniversalityZF FZFThe two opposite and complementary aspects *constitute the complexity of catastrophic rupture and *appeal to tools not yet fully d

27、eveloped in CDM (McDowell). In the mathematical models of such phenomena, the macroscopic equations of mechanics and the kinetic equations of the microstructural transformations form a unified set that should be solved simultaneously. Barenblatt, Closing lecture at 18th ICTAM, 1992New phenomena New

28、concepts New solutionMassconservationMomentumconservationEnergyconservationConstitutiveequationNucleationGrowthInteraction(coalescence)MacroscopicEquationsMesoscopicKineticsCoupledFramework小结小结1 1。采用有效实时的监测和多尺度的科学理论。采用有效实时的监测和多尺度的科学理论 是实现工程健康管理的保障是实现工程健康管理的保障2 2。多尺度非线性带来的复杂性：。多尺度非线性带来的复杂性： 演化诱致灾变演化诱

29、致灾变 样本个性行为样本个性行为 跨尺度敏感性跨尺度敏感性 是突发灾害预测的难点和关键是突发灾害预测的难点和关键Strengthening international science for the benefit of Alice: Can you tell me which way I should take?The Cat: It depends on where you want to go.Alice: I dont know where I want to go.The Cat: Then it does not matter which way