科普論壇突發(fā)災(zāi)害和力學

1、突發(fā)災(zāi)害和力學突發(fā)災(zāi)害和力學 白以龍 非線性力學國家重點實驗室非線性力學國家重點實驗室, ,力學研究所，中國科學院力學研究所，中國科學院北京北京, , 中國中國 100 1001901902010 02 26 科普論壇內(nèi)容內(nèi)容1 1。自然和工程的突發(fā)災(zāi)害。自然和工程的突發(fā)災(zāi)害2 2。演化誘致突變。演化誘致突變3 3。災(zāi)害預(yù)測和健康管理。災(zāi)害預(yù)測和健康管理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 (武漢天興洲長江公鐵大橋武漢天興洲長江公鐵大橋 L=504米，米，H=189米米) Top Long-span Suspension Bridges T

3、op Long-span Suspension Bridges ：3/103/10 (蘇通大橋主橋, L=1088m，H=306m) DAM heightDAM height: 錦屏一級拱壩高305m305m，小灣拱壩高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月昆侖山8.1級地震.斷裂帶東經(jīng)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 航線的一架波音737在飛行中頂部脫落。影片“九霄驚魂” （Miracle Landing）美國家交通安全委員會結(jié)論：由于疲勞等多因素形成若干小裂紋，雖均在承載容限內(nèi)，但空間位形卻非常不利。例例3：（近代工程）（近代工程）2004年年

5、5月月23日清晨巴黎戴高樂機場屋頂日清晨巴黎戴高樂機場屋頂坍塌坍塌（連接兩個停機坪的大型走廊的鋼筋水泥（連接兩個停機坪的大型走廊的鋼筋水泥頂棚發(fā)生坍塌，約五十米寬，三四十米長）頂棚發(fā)生坍塌，約五十米寬，三四十米長）例例4： （近代工程）（近代工程）塔科馬大橋的坍塌 1940年11月7日，享有當時的世界的單跨橋之王的塔科馬大橋， 被一陣不太強的風颳跨，坍塌。例例5（有（有過程記錄）過程記錄）卡門渦街 1911年在哥廷根，博士生希門茨研究水流中的圓柱表面的壓力. 測出的壓力總是波動不已. “希門茨以日耳曼人那股傻勁, 將圓柱磨得滾圓, 將水槽精磨固定, 但是, 圓柱總是晃動” “到周末，我下決心來

6、探索晃動的原因。我考慮了兩種可能性。 我假設(shè)渦流從圓柱體頂部和底部交替出現(xiàn)，我清晰地想象到，若兩股渦流按一定稽核圖案排列，其外形就會穩(wěn)定” 經(jīng)過仔細的 “做” - 力學和數(shù)學分析, 求解, 再實驗, 馮?？ㄩT終于發(fā)現(xiàn)了 “卡門” 渦街. Karman 渦街 Re = 76 After LI Zhanghua（北京時間（北京時間2003年年2月月1日日22：00時）時）哥倫比亞號最后照片哥倫比亞號最后照片 殘片的濃煙殘片的濃煙 空間艙殘骸空間艙殘骸 左翼上的裂紋左翼上的裂紋例例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 回顧歷史，每一批典型的災(zāi)難性事故，都導(dǎo)致力學和工程健康管理的進步 自由輪斷裂 - 斷裂力學 斷裂韌度 彗星號事故 - 噴氣機設(shè)計（民用化） 航天飛機和飛機事故- 健康管理內(nèi)容內(nèi)容1 1。自然和工程的突發(fā)災(zāi)害。自然和工程的突發(fā)災(zāi)害2 2。演化誘致突變。演化誘致突變3 3。災(zāi)害預(yù)測和健康管理。災(zāi)害預(yù)測和健康管理A. 演化誘致突變演化誘致突變（EIC)Evolut

12、ion Induced Catastrophe一根稻草壓死一頭牛。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”的數(shù)值模擬（的數(shù)值模擬（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突發(fā)災(zāi)變的巖石實驗突發(fā)災(zāi)變的巖石實驗 （948） B. 樣本個性行為樣本個性行為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樣本個性行為樣本個性行為（after Xu XH）Sample Specific and Trans-scale sensitivityevolution螻蟻之穴，潰堤千里。 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從微觀到宏觀的力學從微觀到宏觀的力學 “ “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 跨尺度敏感性的一個表現(xiàn) 漲落劇增10020030040010-410-3 ( 22*)Time (s)10-510-410-310-210-100050947螻蟻之穴螻蟻之穴, , 潰堤千里潰堤千里. .千里之堤以螻蟻之穴潰, 百尺之室以突隙之煙焚.固曰, 白圭之行堤也塞其穴, 丈人之慎火也涂其隙.是以白圭無水難, 丈人無水患. 此皆慎易以避難, 敬細以遠大者也.戰(zhàn)國.韓非 “韓非子.喻老”蚍蜉撼大樹蚍蜉撼大樹, 可笑不自量可笑不自量.唐.韓愈 “調(diào)張籍”571003. 8NSize of Phase space (Mbius

17、inversion)when N= 200, ),(1,!)!()(nNnddnNdndNNnNd)!( !,nNnNnN如果用每秒億億（10*16/秒）次計算機，每秒算出一個狀態(tài)的演化，需要用10*41秒，約10*34年。即使，敏感區(qū)域只占百萬分之一， 仍需10*28年。 （宇宙年齡約為10*10年）。難點：非線性復(fù)雜性難點：非線性復(fù)雜性 渾沌渾沌 連續(xù)分叉連續(xù)分叉Continuous bifurcationsSelf-sustainable catastrophic rupture Druckers unstableSuccessive bifurcationsmultiple fixed

18、 pointsChaos內(nèi)容內(nèi)容1 1。自然和工程的突發(fā)災(zāi)害自然和工程的突發(fā)災(zāi)害2 2。演化誘致突變。演化誘致突變3 3。健康管理和災(zāi)害預(yù)測。健康管理和災(zāi)害預(yù)測簡化模型簡化模型: 差分時滯方程差分時滯方程: X: 累積數(shù)字; t:日數(shù).K : 一日內(nèi)一個病人感染人數(shù)一日內(nèi)一個病人感染人數(shù).k: 公眾和政府的抗感染措施公眾和政府的抗感染措施, 0 k 1 : 感染影響滯后效應(yīng)感染影響滯后效應(yīng) Xc 措施不及時度m 措施力度 (1)()XKkXX tSARS 控制趨勢預(yù)測控制趨勢預(yù)測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強北京比香港力度強 下降快下降快香港比北京及時香港比北京及時 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發(fā)展處理發(fā)展處理跨尺度耦合模型跨尺度耦合模型是問題的核心是問題的核心SystemunderstudyDiagnosticsAlgorithmsAlgorithm 招寶山大橋斷裂事故招寶山大橋斷裂事故一九九八年九月二十四日晚，在大橋即將合龍之前，招寶山大橋發(fā)生中國建橋史上罕見的主梁斷裂事故，十六號塊接

22、縫面出現(xiàn)破壞性裂崩，設(shè)計施工設(shè)計施工運營保護運營保護廣東一座受損橋梁需要加固廣東一座受損橋梁需要加固加固修復(fù)加固修復(fù)主梁上的裂紋主梁上的裂紋加固修復(fù)加固修復(fù)全橋為一整索，全橋為一整索， 全長全長2580米米健康監(jiān)測管理健康監(jiān)測管理健康監(jiān)測傳感器：健康監(jiān)測傳感器：GPS：8加速度計：加速度計：100應(yīng)變花，位移計，溫度計等應(yīng)變花，位移計，溫度計等共四百余個共四百余個健康監(jiān)測管理健康監(jiān)測管理地震、斷層與斷層作用地震、斷層與斷層作用陳 颙 李 娟 李 麗（中國地震局）損傷力學中有一種最新的模型，叫做演化破壞模型（Evolution Induced Catastrophe簡稱EIC模型。 EIC模型表

23、示了從材料中損傷逐漸積累到材料整體破壞突發(fā)轉(zhuǎn)變過程。地質(zhì)材料中也存在許許多多的損傷：巖石中的裂紋和巖體中的斷層。它們的相互作用，就是地震的發(fā)展過程。這種概念可以將活動斷層和地震研究很好地結(jié)合起來。 突發(fā)災(zāi)害預(yù)測突發(fā)災(zāi)害預(yù)測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小結(jié)小結(jié)1 1。采用有效實時的監(jiān)測和多尺度的科學理論。采用有效實時的監(jiān)測和多尺度的科學理論 是實現(xiàn)工程健康管理的保障是實現(xiàn)工程健康管理的保障2 2。多尺度非線性帶來的復(fù)雜性：。多尺度非線性帶來的復(fù)雜性： 演化誘致災(zāi)變演化誘

29、致災(zāi)變 樣本個性行為樣本個性行為 跨尺度敏感性跨尺度敏感性 是突發(fā)災(zāi)害預(yù)測的難點和關(guān)鍵是突發(fā)災(zāi)害預(yù)測的難點和關(guān)鍵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