科普论坛突发灾害和力学汇总课件

突发灾害和力学白以龙

非线性力学国家重点实验室,力学研究所，中国科学院北京,中国10019020100226科普论坛内容1。自然和工程的突发灾害2。演化诱致突变3。灾害预测和健康管理29thICSUGA(2005）:

NaturalandHuman-InducedHazardsFrequency:thenumberofeventsisincreasingdramaticallyHazardsanddisastersTheeconomicimpactsofnaturaldisastersareincreasingdramaticallyFractionintopconstructionsaroundtheWorld:Topbuildings：6/10Topcable-stayedbridge：7/10

(武汉天兴洲长江公铁大桥L=504米，H=189米)

TopLong-spanSuspensionBridges：3/10

(苏通大桥主桥,L=1088m，H=306m)

DAMheight:锦屏一级拱坝高305m，小湾拱坝高297m…………………..DisastersinChina：Earthquake：44（﹥M7），5（﹥M8）（20thCentury）Typhoon:7/year，…….例1：（自然界）2001年11月昆仑山8.1级地震.断裂带东经90-94度ViewatmajorseismicrupturezoneandoffsetsofdamandhighwayoftheMs8.1Kunlunearthquake(from“AnalbumofgeologicalhazardsandactivefaultsalongQinghai-Tibetrailway”,)倒塌前的雷峰塔1924年9月25日下午倒塌

例2：（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”（MiracleLanding）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。尺度范围:mm106例3：（近代工程）2004年5月23日清晨巴黎戴高乐机场屋顶坍塌（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）例4：（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5（有过程记录）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

AfterLIZhanghua（北京时间2003年2月1日22：00时）哥伦比亚号最后照片

残片的浓烟

空间舱残骸

左翼上的裂纹例6：（高科技）STS-51-Lwasthe25thlaunchofaSpaceShuttleandthetenthlaunchoftheChallenger.

Itexploded73secondsafterlaunchonJan

28，1986，becauseofsolidrocketboosterfailure.

CAIBfinalreport

Aug26，2003Majorfindings82secondsafterlaunchalargepieceoffoaminsulatingmaterialfromtheexternaltankbrokefreeandstrucktheleadingedgeoftheshuttle'sleftwing,damagingtheprotectivecarbonheatshieldingtiles.Thisdamageallowedsuper-heatedgasestoenterthewingstructureduringre-entryintotheearth'satmosphereandcausedthedestructionoftheColumbia.ThefirstrecommendationwasthatNASAdevelopaninspectionplantoexaminetheReinforcedCarbonCarbon(RCC)systemcomponents(R3.3-1).TheRCCsystemisusedonthepartsoftheorbiterthataresubjectedtothegreatestamountofheatduringreentry.Theseareasincludetheleadingedgesofthewings,theareaaftofthenosecap,andtheareaaroundtheforwardorbiter/externaltankattachmentstructure.TheBoardfoundthatthecurrenttechniquesthatareusedtoexaminetheRCCsystemareincapableofthoroughlyassessingtheRCC’sstructuralintegrity,itssupportingstructure,andtheattachedhardware.TheCAIBbelievedthatNASA“shouldtakeadvantageofadvancednon-destructiveinspectiontechnology”tomitigatefuturerisktothespaceshuttlesandcrew.[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1。自然和工程的突发灾害2。演化诱致突变3。灾害预测和健康管理A.演化诱致突变（EIC)EvolutionInducedCatastrophe一根稻草压死一头牛。Thelaststrawbreaksthecamel’sback“最后一根稻草”的数值模拟（afterRongF）突发灾变的岩石实验（948）B.样本个性行为SampleSpecificity（numerical）CriticalSensitivityinRockExperimentsPAEsensorGabbrosampleDisplacementcontrol0.02mm/minExtensometer样本个性行为（afterXuXH）SampleSpecificand

Trans-scalesensitivityevolution蝼蚁之穴，溃堤千里。

OneantholemaycausethecollapseofathousandmiledykeC.跨尺度敏感性从微观到宏观的力学“敏感隧道”xoxooxoooxoooooxooooooooxoooooooooxoxoxooooxooooooxooooooooxooooooooooooooxx….xxxx….xxxxxxx….xxxxxxxxxxx….xxxxxxxxxxxxxxxxx….xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx….xxoxooooxooooooxooooooooxooooooooooooooxxxxooooxooooooxooooooooxooooooooooooooxxxxxooooxooooooxooooooooxoooooooooooooo(a)(b)Quasi-Fabonacciseries(1,2,3,5,8,13,20,30,………)of

breakingisasensitivemicrostructure跨尺度敏感性的一个表现–

涨落剧增蝼蚁之穴,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,可笑不自量.唐.韩愈“调张籍”SizeofPhasespace(Möbiusinversion)whenN=200,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

浑沌连续分叉Continuousbifurcations

Self-sustainablecatastrophicrupture

Drucker’s

unstableSuccessivebifurcations

multiplefixedpoints

Chaos内容1。自然和工程的突发灾害2。演化诱致突变3。健康管理和灾害预测简化模型: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.k:公众和政府的抗感染措施,0<k<1:感染影响滞后效应

Xc

措施不及时度m措施力度

SARS控制趋势预测XcXk1ComparisonbetweenHKandBJ

R0=Kτ

Xc

mqBJ2.15819804.1370.0647HK2.79210361.2990.0394差不太多北京比香港力度强下降快香港比北京及时差不太多PHM(PrognosticsandHealth-ManagementSystems)Goals:IncreaseSafetyCutCostsCase:JSF(JointStrikeFighter)DOD,DARPA$2.2billionJSFconceptdemonstrationprogram

(Nov.1996-)Boeing&LockheedMartinFromBecker,Ind.Phys.1998,4JSFX35:LockheedMartinSix-layerHierarchyforIntegratedPredictiveDiagnosticsThoughmissiondemandsaremadeatthetoplevel,

failureisinitiatedatthelowestlevelSornetter，D，NewScientistNov.17,2001发展处理跨尺度耦合模型是问题的核心SystemunderstudyDiagnosticsAlgorithmsAlgorithm

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，十六号块接缝面出现破坏性裂崩，设计施工运营保护广东一座受损桥梁需要加固加固修复主梁上的裂纹加固修复全桥为一整索，全长2580米健康监测管理健康监测传感器：GPS：8加速度计：100应变花，位移计，温度计等共四百余个健康监测管理地震、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（EvolutionInducedCatastrophe—简称EIC模型。EIC模型表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ExpobservationsofResponse

Ru

vsgoverningdisplacementUTheoreticalcalculationofpowersingularitybasedonESBmodelDeformationudamageD&energyreleaseRExp.observationsofpowersingularitynearCRu=0.510.10

43samplesofgraniteandmarbleGradualruptureshowing

nosingularityatall

ESBmodel

ExperimentalresultsCalculationofconcreteCo-existenceofspecificityanduniversalityofCRSpecificityUniversality

ZFFZFThetwooppositeandcomplementaryaspects*constitutethecomplexityofcatastrophicruptureand*appealtotoolsnotyetfullydevelopedinCDM(McDowell).Inthemathematicalmodelsofsuchphenomena,themacroscopicequationsofmechanics

andthekineticequationsofthemicrostructural

transformationsformaunifiedset

thatshouldbesolvedsimultaneously.

Barenblatt,Closinglectureat18thICTAM,1992NewphenomenaNewconceptsNewsolutionMassconservationMomentumconservationEnergyconservationConstitutiveequationNucleationGrowthInteraction(coalescence)MacroscopicEquationsMesoscopicKineticsCoupledFramework小结1。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2。多尺度非线性带来的复杂性：演化诱致灾变样本个性行为跨尺度敏感性是突发灾害预测的难点和关键StrengtheninginternationalscienceforthebenefitofsocietyAlice:CanyoutellmewhichwayIshouldtake?TheCat:Itdependsonwhereyouwanttogo.Alice:Idon’tknowwhereIwanttogo.TheCat:Thenitdoesnotmatterwhichwayyoutake.LewisCarroll1865FromWordstoActionStrategywithouttacticsistheslowestroutetovictory.Tacticswithouts