突發災害和力學白以龍

非線性力學國家重點實驗室,力學研究所，中國科學院北京,中國10019020100226科普論壇內容1。自然和工程的突發災害2。演化誘致突變3。災害預測和健康管理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論：由于疲勞等多因素形成若干小裂紋，雖均在承載容限內，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。我假設渦流從圓柱體頂部和底部交替出現，我清晰地想象到，若兩股渦流按一定稽核圖案排列，其外形就會穩定”

經過仔細的“做”---力學和數學分析,求解,再實驗,馮。卡門終于發現了“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，每一批典型的災難性事故，

都導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------噴氣機設計（民用化）航天飛機和飛機事故------健康管理內容1。自然和工程的突發災害2。演化誘致突變3。災害預測和健康管理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”的數值模擬（afterRongF）突發災變的巖石實驗（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“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–

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.戰國.韓非“韓非子.喻老”蚍蜉撼大樹,可笑不自量.唐.韓愈“調張籍”SizeofPhasespace(M?biusinversion)whenN=200,如果用每秒億億（10**16/秒）次計算機，每秒算出一個狀態的演化，需要用10**41秒，約10**34年。即使，敏感區域只占百萬分之一，仍需10**28年。（宇宙年齡約為10**10年）。難點：非線性復雜性

渾沌連續分叉Continuousbifurcations

Self-sustainablecatastrophicrupture

Drucker’s

unstableSuccessivebifurcations

multiplefixedpoints

Chaos內容1。自然和工程的突發災害2。演化誘致突變3。健康管理和災害預測簡化模型:差分時滯方程:

X:累積數字;t:日數.K:一日內一個病人感染人數.k:公眾和政府的抗感染措施,0<k<1:感染影響滯后效應

Xc

措施不及時度m措施力度

SARS控制趨勢預測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破壞性裂崩，設計施工運營保護廣東一座受損橋梁需要加固加固修復主梁上的裂紋加固修復全橋為一整索，全長2580米健康監測管理健康監測傳感器：GPS：8加速度計：100應變花，位移計，溫度計等共四百余個健康監測管理地震、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轉變過程。地質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，就是地震的發展過程。這種概念可以將活動斷層和地震研究很好地結合起來。突發災害預測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1。采用有效實時的監測和多尺度的科學理論是實現工程健康管理的保障2。多尺度非線性帶來的復雜性：演化誘致災變樣本個性行為跨尺度敏感性是突發災害預測的難點和關鍵StrengtheninginternationalscienceforthebenefitofsocietyAlice:CanyoutellmewhichwayIshouldtake?TheCat:Itdependsonwhereyouwanttogo.Alice:Idon’tknowwhereIwanttogo.TheCat:Thenitdoesnotmatterwhichwayyoutake.LewisCarroll1865FromWordstoActionStrategywithouttacticsistheslowestroutetovictory.Tacticswithouts