中南大学丁发兴:潜心材料强度基础研究创“爱心”理论

近日,中南大学教授丁发兴带领团队深耕混凝土、岩石以及硬质合金等材料强度理论基础研究23年,有望揭示材料强度领域200多年来的未解之谜。

23年以来,中南大学丁发兴科研团队从构思到完善,最终构建了三维空间应力状态下岩石和混凝土损伤比强度理论,以及平面应力状态下正交异性硬质合金损伤比屈服理论。这一理论发现了材料力学基本性能的第三个参数——高压条件下脆性材料向塑性转变的基本参数,揭秘了工程材料非弹性体积膨胀、收缩或不变导致材料发生破坏的原理,突破了1776年自法国学者库伦从事砂岩复杂受力强度实验研究以来的实验科学和唯象科学的视角,解决了200多年来材料破坏原理认识的这一世界性难题。

据了解,丁发兴构建的损伤比强度理论,有望继已有材料破坏“四大古典强度理论”之后的“第五大强度理论”,是一项足以写进教科书的创新理论。该理论是对1913年奥地利学者提出的第四古典强度理论——米塞斯屈服理论进行了无量纲化和升级,具有更广泛的普适性。损伤比强度理论展现出来的混凝土与岩石三维数学曲面图,像各种形状的“爱心”,而镁合金的屈服轨迹线像“鸡蛋”。

岩石损伤比强度理论数学曲面

镁合金屈服轨迹线

据介绍,该理论在物理学、地球科学和材料科学以及现代建筑、水利、交通、机械、航空等工程中具有重要应用意义。借助这一理论,可为前苏联著名的科拉超深井(欲打穿地幔)科学钻探被迫停止提供了一个合理解释:地壳深处的岩石塑性流动变软后,导致钻头被卡而停止工作。外此,该理论还可以用来解释地球火山爆发和地震现象:重力下处于弹塑性和塑性状态的岩石因耗能而升温,导致地球内部表现为高压与高温,地球犹如高压锅,而当地球内部能量聚集到一定程度而发生的火山爆发和地震现象,可理解为地球内部减压,此时犹如高压锅释放蒸汽减压。同时,利用此理论,丁发兴科研团队还发明了内拉筋钢管混凝土柱抗震技术,可以有效应对强地震作用,使建筑抗倒塌能力提升20%—40%。

丁发兴是浙江瑞安人,从2000年9月入读本校研究生开始,就一直潜心从事材料强度理论基础研究。丁发兴说:“我们搞理论基础研究,要坐得住冷板凳,坚持信念,即使当下不能有效解决,也要日后寻找机会”。

目前,丁发兴科研团队提出的损伤比强度理论,得到了不少有份量国内外学者的认可和引用。欧洲科学院院士、《中国科学:物理力学天文学》(英文版)编委刘锦茂认为,损伤比强度理论从传统理论中脱颖而出,用来解释脆性材料和金属塑性材料的破坏机理,与弹性模量和泊松比一样,损伤比也是材料的固有属性,有望夯实对脆性材料破坏机理的认识。日本土木工程协会会长、日本工程院院士上田多门称,这是“有意义,对自己研究有帮助”的理论。《美国混凝土学会材料》杂志副主编以及评审专家认为,该理论“具有创新性和非常重要的意义”。