王自强 - 中国科学院力学研究所 -

个人简介

王自强固体力学家，中国科学院力学所研究员。长期从事固体力学和物理力学方面的研究。在弹性稳定理论、断裂力学、塑性应变梯度理论、细观力学等方面作了系统的创造性研究,取得了有国际影响的突出成果。2008年获“国家自然科学二等奖”。1995年获“国家自然科学三等奖”，1987年获得国家科技进步特等奖（集体获奖）、1978年获全国科学大会奖（两項）。2009年当选为中科院院士。简历 1938年11月12日出生于上海 1963年2月毕业于中国科学技术大学近代力学系 1986年-至今中国科学院力学所，研究员 1981年3月-1983年3月英国Sheffield大学高级访问学者 1988年8月－1989年1月美国Brown大学工学院访问教授 1990年1月－1990年7月法国ENCP大学材料研究设计中心访问教授 1996年3月－1996年6月瑞典Lulea大学固体力学系访问教授 2000年3月－2000年9月新加坡国立大学工程研究所访问教授王自强学术成就（1）J积分作为单参数断裂准则，在20世纪七八十年代曾经风行一时，独领风骚十余年.但是精细的数值计算表明裂纹顶端的应力应变场难以用HRR场表征。大量的实验证实，材料的断裂韧性JIC强烈地依赖试样几何和加载方式.中心裂纹试样测得的JIC要比弯曲试样测得的JIC高一个数量级。王自强院士对弹塑性断裂力学高阶场理论做出了重大贡献。他和他的学生在国际上率先建立了弹塑性断裂力学高阶场的基本方程，开创了弹塑性断裂力学研究的新领域。他和李尧臣(1986)，求得了二阶解,阐明该二阶解解可以表征裂纹尖端前的三轴应力。他和夏霖(1991),他和夏霖及施春风教授(1993),在裂纹尖端前获得了第三至第五项弹塑性高阶场的完整结果。在对裂纹尖端前弹塑性场前5个项进行全面分析的基础上,他和魏悦广（1995）提出了以k4为辅助的J-k2双参数断裂判据,并给出了断裂韧性的上限和下限曲线。理论预测结果与Kirk等人（1991）实验结果相吻合。以上工作被国际学术界称为开创性工作和重要的工作。 Nguyen等人（2000，EFM）指出，“大多数研究是由李和王(1986）的开创性工作激发起的。通过渐近分析，二阶项加上HRR解可以更准确地描述裂纹尖端场。” Ananthasayanam等人（2006，EFM）评述：“这最新的研究是跟随Li和Wang(1986)的重要工作。他们揭示了在非线性断裂中双参数准则是重要的。” LiandZhang(1998，EFM)评述：“李和王(1986）首先提出在断裂准则中同时应用J积分和第二个参数k2,k2为HRR解展开中第二项的大小。Sharma和Aravas的数值分析也证实了李和王的(1986）的解。夏霖等人（1993）将高阶渐近场展开至前五项。他们认为渐近场展开中的四项可始终一致地复制裂纹尖端的应力状态。” 以上工作被国际学术界同行大篇幅引用。 80年代后期,双材料界面裂纹顶端弹塑性应力应变场研究成了国际断裂力学一个热点。当时国际学术界流行的看法是界面裂纹顶端全连续奇性场不存在。王自强（1990）在国际上最先发现对于特定的混合度(裂纹顶端正前方剪应力与正应力的比值),全连续分离变量形式奇性场是存在的。而这个混合度依赖于双材料的力学性质。这个新观点很快得到国际学术界的公认。王自强最先得到了双材料界面裂纹顶端的弹塑性奇性场，证明了该奇性场是一个典型的无振荡特性的奇异场，为双材料界面裂纹的断裂准则提供了理论基础。 Biner(1997，EFM)称：“对弹塑性双材料界面裂纹，Wang（1990）给出了精确的渐近分析，并指出在塑性区内，裂纹尖端并非振荡奇异性而是HRR型奇异性，且与早期的数值分析相符。该研究也指出，裂纹面光滑地张开，没有任何互相嵌入。” （2）他和李微雪（1990）将第一原理计算与理想晶体大变形不稳定理论相结合，利用密度泛函理论，赝势平面波基方法和周期结构超晶胞模型，建立了严格的固体理论强度算方法。并提出了金属铝和双原子组分材料的理论强度值。（3）他和陈少华（2000）突破传统的增量硬化律，提出了一种既不含偶应力也不含高阶应力的应变梯度理论，保留了经典塑性理论的基本框架，应变梯度效应(包括转动梯度和拉伸应变梯度)作为内变量引入，以增加材料的瞬时剪切模量。通过对国内外一系列不同类型的试验,包括细铜线扭转、超微薄梁弯曲和压痕试验等的理论分析，证实了新的应变梯度理论。新的应变梯度理论成功地阐明尺度对微结构材料力学行为的影响。该理论既不含偶应力不含高阶应力，具有简洁明瞭的特点，被国内外学者称为ChenandWang理论。 Mughrabi等（2004，MSE.A）点评道：“ChenandWang（2000）基于应变梯度修正材料剪切模量，提出了一种不含高阶应力的模型，展示与观察到的尺度效应符合得非常好。” （4）他和陈岑(2015a,2015b）创建了新的晶体热弹塑性理论。他们首先提出了建立本构理论的新思路。传统理论对变形梯度的分解，没有考虑热应变的影响，他们考虑热应变影响。他们将总应变分解为热应变，弹性应变和塑性应变三个部分。将变形过程分为四个阶段。首先将绝对零度未变形的构型作为初始构型，将温度升高到TK后的构型作为第一中间构型，经历弹性变形后的构型为第二中间构型，经历塑性变形后的构型为现时构型。进而，他们基于连续介质力学和晶体塑性理论，建立了单晶和多晶体的本构方程。对于弹性部分，由于引入了热应变的影响，晶格常数随温度的变化能直接反映弹性刚度随温度的变化。而塑性部分，引入简单的指数函数来表征材料的屈服和硬化行为随温度的响应规律，这是这套理论的物理机制。有了这套基于物理机制并考虑热应变的本构方程。他们计算了不同单晶和多晶材料，如铝，铜，镁，在不同温度下的应力应变曲线，理论预测与实验符合得很好。（5）金属玻璃在复杂载荷下的断裂行为研究（I）他和喻立(2017），通过分析断裂线与临界莫尔圆之间的关系，建立了块体金属玻璃断裂角的普适公式。该公式能应用于不同加载模式。（II）他和喻立(2017），采用椭圆断裂准则和断裂角的普适公式，分析了块体金属玻璃在复杂拉伸载荷时的断裂行为。理论计算结果很好地预测Levendowski等人(1998,2005)的单轴拉伸加不同静水压的实验结果。（III）金属玻璃在圆棒单轴压缩实验中，表现出弹性-理想塑性的行为。此时，由于压缩导致材料截面积变大，材料中的柯西应力下降，导致应力无法描述金属玻璃的压缩断裂行为。他和喻立(2019a)，提出了以应变表征块体金属玻璃压缩断裂行为的新思路，建立了应变双曲线准则以及广义M-C应变准则,并分析了块体金属玻璃在复杂压缩载荷时的断裂行为。新的准则考虑材料的压力敏感性，同时也能描述材料不同的塑性能力以及变形状态对断裂的影响。新准则的理论计算结果很好地预测CarisandLevendowski(2010)及Levendowski等人(2002)的单轴压缩加不同静水压的实验结果。（IV）他和喻立(2019b)，通过分析块体金属玻璃成型过程的能量转换，得到了金属玻璃中软区体积分数与试样特征尺寸之间的关系，并应用Gurson模型以及剪切带失稳条件，阐明了金属玻璃断裂强度的尺寸效应以及在尺寸减小时变形机制的转变现象（剪切带的局部变形-均匀变形）（已投稿）。 (6）参与解决重大工程问题 (I)大型电机转子支臂及定子机座刚度计算七十年代，王自强参加了长江葛洲坝水电机组的研究工作。建立了新的力学模型和相应计算公式，完成了大型电机转子支臂及定子机座刚度计算工作，为大型转子支臂及定子机座刚度设计提供了一个方面的科学依据。 (II)我国第一台国产30万千瓦汽轮机，发电机高、中压转子缺陷安全性分析这台安装在平顶山姚孟电厂的汽轮机组，经超声波探伤检查，发现转子含有多个夹杂，其尺寸超过水电部部颁标准。这台机组能否投产试用，成为对国民经济有重要影响的技术难题。王自强领导的研究小组顺利地完成了预定任务，为该台机组短期安全运行及监督下长期运行提供了科学依据。 (III)飞机油箱槽壁板侧压失稳的实验及理论研究七十年代，王自强与同仁合作承担南昌320厂提出的歼12飞机前期预研及沈阳112厂提出的歼8飞机油箱槽壁板侧压失稳的实验及理论研究任务。这是一个典型的大扰度非线性失稳问题。顺利地完成了此项军工任务，为南昌320厂歼12飞机前期预研及沈阳112厂提出的歼8飞机油箱槽壁板设计提供了一个方面的科学依据。代表性论著 1.王自强，《理性力学基础》，2000年，科学出版社。 2.王自强，陈少华，《高等断裂力学》，2009年，科学出版社。 3.王自强，段祝平，《塑性细观力学》，1995年，科学出版社。 4.ChenShaohua,WangTzuchiang,《Micro-scaleplasticitymechanics》，2009年，中国科学技术大学出版社。

近期论文

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1.李尧臣、王自强，平面应变Ⅰ型非线性裂纹问题的高阶渐近解，SCIENCESINICA（中国科学），A辑，29，1986年，941-955页。 2.Xia,L.Wang,T.C.,Shih,C.F.,Highorderanalysisofcrack-tipfieldsinpowerlawhardeningmaterials，J.Mech.Phys.inSolids，41，1993，665-687 3.王自强，双材料界面裂纹弹塑性渐近场，Eng.FractureMechanics，37，1990，527-538 4.Wei,Y.G.,Wang,T.C.，Fracturecriterionbasedonthehigher-orderasymptoticfields，Int.J.Fracture，73，1995，39-50 5.Chen,S.H.,Wang,T.C.，Anewdeformationtheorywithstraingradienteffects，Int.J.Plasticity，18，2002，971-995 6.Chen,S.H.,Wang,T.C.，Anewhardeninglawforstraingradientplasticity，ActaMater.，48，2000，3997-4005 7.Wang,T.C.,Han,X.L.，Fracturemechanicsofpiezoelectricmaterials，Int.J.Fracture，98，1999，15-35 8.Wang,T.C.，Analysisofstripelectricsaturationmodelofcrackprobleminpiezoelectricmaterials，Int.J.SolidsandStructures，37，2000，6031-6049 9.LiW.X.,WangT.C.,Elasticity,stabilityandidealstrengthofβ-SiCinplanewave–basedabinitiocalculation,Phys.Rev.B59(1999),3993 10.LiW.X.,WangT.C.,Abinitialinvestigationoftheelasticityandstabilityofaluminum,J.Phys.Condens.Matter10(1998)9889-9904.