科普論壇突發(fā)災(zāi)害和力學(xué)匯總課件

突發(fā)災(zāi)害和力學(xué)白以龍

非線性力學(xué)國家重點實驗室,力學(xué)研究所，中國科學(xué)院北京,中國10019020100226科普論壇內(nèi)容1。自然和工程的突發(fā)災(zāi)害2。演化誘致突變3。災(zāi)害預(yù)測和健康管理29thICSUGA(2005）:

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

(武漢天興洲長江公鐵大橋L=504米，H=189米)

TopLong-spanSuspensionBridges：3/10

(蘇通大橋主橋,L=1088m，H=306m)

DAMheight:錦屏一級拱壩高305m，小灣拱壩高297m…………………..DisastersinChina：Earthquake：44（﹥M7），5（﹥M8）（20thCentury）Typhoon:7/year，…….例1：（自然界）2001年11月昆侖山8.1級地震.斷裂帶東經(jīng)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航線的一架波音737在飛行中頂部脫落。影片“九霄驚魂”（MiracleLanding）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。尺度范圍:mm106例3：（近代工程）2004年5月23日清晨巴黎戴高樂機場屋頂坍塌（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）例4：（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(fēng)颳跨，坍塌。例5（有過程記錄）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(xué)和數(shù)學(xué)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

AfterLIZhanghua（北京時間2003年2月1日22：00時）哥倫比亞號最后照片

殘片的濃煙

空間艙殘骸

左翼上的裂紋例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]

回顧歷史，每一批典型的災(zāi)難性事故，

都導(dǎo)致力學(xué)和工程健康管理的進步自由輪斷裂------斷裂力學(xué)–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1。自然和工程的突發(fā)災(zāi)害2。演化誘致突變3。災(zāi)害預(yù)測和健康管理A.演化誘致突變（EIC)EvolutionInducedCatastrophe一根稻草壓死一頭牛。Thelaststrawbreaksthecamel’sback“最后一根稻草”的數(shù)值模擬（afterRongF）突發(fā)災(zāi)變的巖石實驗（948）B.樣本個性行為SampleSpecificity（numerical）CriticalSensitivityinRockExperimentsPAEsensorGabbrosampleDisplacementcontrol0.02mm/minExtensometer樣本個性行為（afterXuXH）SampleSpecificand

Trans-scalesensitivityevolution螻蟻之穴，潰堤千里。

OneantholemaycausethecollapseofathousandmiledykeC.跨尺度敏感性從微觀到宏觀的力學(xué)“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跨尺度敏感性的一個表現(xiàn)–

漲落劇增螻蟻之穴,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,可笑不自量.唐.韓愈“調(diào)張籍”SizeofPhasespace(M?biusinversion)whenN=200,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

渾沌連續(xù)分叉Continuousbifurcations

Self-sustainablecatastrophicrupture

Drucker’s

unstableSuccessivebifurcations

multiplefixedpoints

Chaos內(nèi)容1。自然和工程的突發(fā)災(zāi)害2。演化誘致突變3。健康管理和災(zāi)害預(yù)測簡化模型: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).k:公眾和政府的抗感染措施,0<k<1:感染影響滯后效應(yīng)

Xc

措施不及時度m措施力度

SARS控制趨勢預(yù)測XcXk1ComparisonbetweenHKandBJ

R0=Kτ

Xc

mqBJ2.15819804.1370.0647HK2.79210361.2990.0394差不太多北京比香港力度強下降快香港比北京及時差不太多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發(fā)展處理跨尺度耦合模型是問題的核心SystemunderstudyDiagnosticsAlgorithmsAlgorithm

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，十六號塊接縫面出現(xiàn)破壞性裂崩，設(shè)計施工運營保護廣東一座受損橋梁需要加固加固修復(fù)主梁上的裂紋加固修復(fù)全橋為一整索，全長2580米健康監(jiān)測管理健康監(jiān)測傳感器：GPS：8加速度計：100應(yīng)變花，位移計，溫度計等共四百余個健康監(jiān)測管理地震、斷層與斷層作用

陳颙李娟李麗

（中國地震局）損傷力學(xué)中有一種最新的模型，叫做演化破壞模型（EvolutionInducedCatastrophe—簡稱EIC模型。EIC模型表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小結(jié)1。采用有效實時的監(jiān)測和多尺度的科學(xué)理論是實現(xiàn)工程健康管理的保障2。多尺度非線性帶來的復(fù)雜性：演化誘致災(zāi)變樣本個性行為跨尺度敏感性是突發(fā)災(zāi)害預(yù)測的難點和關(guān)鍵StrengtheninginternationalscienceforthebenefitofsocietyAlice:CanyoutellmewhichwayIshouldtake?TheCat:Itdependsonwhereyouwanttogo.Alice:Idon’tknowwhereIwanttogo.TheCat:Thenitdoesnotmatterwhichwayyoutake.LewisCarroll1865FromWordstoActionStrategywithouttacticsistheslowestroutetovictory.Tacticswithouts