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智能結構和先進材料研究中心

負責人:喬丕忠


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負責人:喬丕忠


智能結構與先進材料研究中心
 
Center for Smart Structures and Advanced Materials

"智能結構與先進材料研究中心”是上海交通大學依托上海交通大學設計研究總院成立的產學研一體化平臺和創新科研載體。中心立足于上海、面向海內外,致力于智能結構和先進材料的研究、發展和應用。主要內容有:高新(高性能和創新)材料的發展和在工程領域中的創新應用;智能器件的發展和應用;結構設計分析和模擬;微/納米結構表征;材料和結構實驗測試;智能結構健康檢測/監測技術;先進計算方法和結構模擬等。

中心依托上海交大雄厚的科研實力和人才優勢,擁有良好的工作環境,配備有高性能服務器和工作站,實驗設備齊全,擁有完善的材料和結構性能研究的實驗環境,如系列材料測試系統(MTSTM)、電子萬能試驗機、納米力學材料測量系統、掃描式激光測振儀、智能材料實驗室、混凝土材料實驗室等。中心團隊的核心成員是上海交通大學的講席教授喬丕忠,他是第五批國家中組部“千人計劃”特聘專家入選者,教育部‘長江學者’特聘教授(水工結構),也是ISI Essential Science Indicators(ESI)工程領域被高引用科學家之一(前1%的作者)。中心其他團隊成員均來自于上海交通大學及國內外知名高校,均致力于智能復合和高性能材料在土木水利、航空航天和生物醫學工程中的研究、發展和應用,并且研究人員的理論知識扎實,實踐經驗豐富,具有多年的相關領域研究經驗和研發創新能力。該中心團隊主持了多個與先進材料和智能結構相關的項目,如蠕變和濕熱條件下的FRP-混凝土界面斷裂機理研究(自然科學基金委);可持續混凝土早齡期和長期性能的多尺度表征與演化機理研究(自然科學基金委);結構損傷診斷“智能動態膜”;形狀記憶合金智能復合材料研制及變形控制/損傷修復研究;混凝土材料與結構近場動力學計算分析與仿真等,均取得了巨大的突破。

中心提出的雙層梁剪切和界面變形理論(被波音公司命名為“喬方法(Qiao Method)”),拓展了斷裂力學的適用空間;將智能材料用于結構健康監測中的關鍵性基礎問題,發展損傷識別的新理論與方法;另外還發展新的疲勞和概率破壞模型,為結構安全及壽命預測提供了理論依據。最近,在近場動力學斷裂計算分析上有新的突破,首次建立了近場動力學參量與傳統斷裂力學能量釋放率的關系,首創了II型近場動力學斷裂分析模型。

該中心將充分發揮產學研特點,合理利用高校、企業及相關科研機構之間資源優勢,進行技術創新,同時推動智能結構與先進材料研究的穩步發展。


智能壓電模塊

智能結構與先進材料研究中心的智能壓電模塊(SPM: smart piezoelectric module)內置技術和壓電陶瓷(PZT)表面粘貼技術為混凝土結構力學性能的結構健康監測(SHM)建立了經濟高效、實時動態的評估系統。該系統可對建筑、橋梁、大壩等土木工程中的混凝土結構損傷和材料退化進行無損評估、檢測、監測。

智能壓電模塊(SPM)內置技術是將PZT預先封裝并內置于混凝土或大理石模塊中,作為智能骨料埋入混凝土結構中相應位置,并對PZT施加人為設定的電載荷通過逆壓電效應激發出應力波,最后通過壓電效應對PZT接收到的應力波轉化成的電信號進行信號處理,獲得相應的力學性能信息(如動態彈性模量、泊松比、損傷位置和程度)。該技術具有理論模型簡潔、檢測范圍大、信號抗干擾能力強的優點。

PZT表面粘貼技術是將PZT直接粘貼在混凝土結構表面,與SPM內置技術的本質區別在于激發出的應力波類型由體波變為表面波(瑞利波)。該技術具有安裝更換方便、對現有結構可做無損檢測、應力波清晰易辨識的優點。

SPM內置技術和PZT表面粘貼技術以及激勵信號設計、信號采集處理系統,共同構建了完整的針對混凝土結構力學性能的結構健康評估/檢測/監測系統。該系統具有清晰的物理模型、操作簡便的技術流程和高效可靠的監測效果,在混凝土結構健康監測領域中有廣泛的應用前景。






智能結構健康檢測/監測技術

智能結構與先進材料研究中心的動態智能檢測/監測技術為土木水利、航空航天等工程領域的結構健康檢測/監測提供了牢固的基礎支撐和發展保障。智能結構與先進材料研究中心的智能材料實驗室基于結構動力學在健康檢測/監測技術中的應用研究,自主設計并搭建完成了可移動式實時監測/檢測平臺。該平臺不僅可基于傳統波傳播和模態相關等方法,常規實現金屬材料、混凝土材料和纖維增強復合材料等結構健康狀況的診斷和損傷缺陷的判斷識別,支持多損傷的在線實時檢測和相對量化評估;同時可以進一步拓展應用于諸多動力學性能測試相關的實際工程應用中(諸如新型智能結構的開發設計、大體積混凝土結構健康檢測/監測與壽命評估系統的搭建、動力響應分析與振動控制相結合的結構姿態控制等),為智能結構、智能系統甚至智能城市的發展奠定了可靠的軟硬件基礎。




先進計算方法和結構模擬

智能結構與先進材料研究中心擁有系統的近場動力學理論分析基礎和數值計算能力,可以進行復雜環境條件下的材料和結構失效行為的模擬,從而為智能結構和先進材料的失效預測提供科學精準的判斷依據。

近場動力學是一種新興的非局部理論,不再基于連續性假設和歐拉-柯西應力原理來求解力學問題,而是將連續體視為空間域內一系列具有質量,包含材料力學行為特性,并且相互作用的物質點。通過借鑒分子尺度長程力的思想,引入“鍵”的概念,假設某物質點與其周圍特定范圍內的物質點之間兩兩成鍵,相互作用通過近場動力學鍵進行傳遞,從而將基本運動方程中物理量對空間位置變量的偏導用一種新的微力積分的形式取代。材料內部的損傷失效和斷裂破壞等非連續行為即可通過鍵的失效進行表達。這種對經典理論的根本性重構,允許近場動力學直接而自然地描述材料變形過程中內部微裂紋的產生和擴展。

中心擁有的基于近場動力學理論的離散粒子基的數值模擬程序,對連續和非連續情形無需加以區別處理,可以自然模擬缺陷的萌生,裂紋的擴展分叉以及多裂紋的相互作用等復雜問題。程序具有良好的并行計算能力,設計框架完整,具有極強的可擴展性,未來可根據計算需求進行功能完善。

中心依托的上海交通大學先進結構材料力學研究團隊擁有多臺高性能計算設備,具有強大的計算能力。計算設備主要包括10臺40核心的Intel Xeon工作站,可以滿足常規研究項目的計算需求。





結構設計分析和模擬

智能結構與先進材料研究中心有豐富的結構設計方向和模擬基礎和經驗,尤其結構穩定性分析。采用解析法和有限條半解析法,在航空航天、土木領域均進行了大量的結構穩定性研究。本中心的地下空間頂管屈曲研究為地下空間頂管施工設計提供了參考基礎。

頂管施工因其非開挖施工影響較小等優點,在城市地下空間施工及給排水管道建設中得到了廣泛應用。隨著地下空間頂管施工直徑和頂進距離的不斷增大,頂管屈曲破壞成為了施工過程中的工程隱患。本中心進行了應用于地下空間大口徑長距離頂管施工的屈曲分析,研究了頂管臨界屈曲載荷隨頂管幾何尺寸及地基剛度的變化特性,并在此基礎上提出相應措施來提高頂管施工的穩定安全性。其中,采用無拉力彈性地基模擬周圍土壤而進行的頂管屈曲分析更能反映土壤對頂管變形的單側約束作用,更符合工程實際,對地下空間頂管施工設計具有指導意義。




微納米結構表征

智能結構與先進材料研究中心擁有微/納米結構表征實驗室。實驗室配備納米壓/劃痕設備(TI950, TriboIndenterTM)、試樣制備系統,同時實驗室具有微觀力學理論分析基礎和數值計算能力,能實現對先進復合材料,生物材料,先進醫學材料等進行微、納米尺度的表征以及多尺度力學模型的建立。

納米壓痕技術是利用計算機控制載荷,將特定形狀的剛性壓頭壓入被檢測材料的表面,同時利用高分辨的位移傳感器來采集被測材料表面的壓深量,得到載荷-位移曲線,進而獲得材料在微/納米尺度下的一些力學特性,如硬度、彈性模量、應變硬化效應、蠕變行為等。納米壓痕技術因其具有試驗操作簡單、測量效率高以及使用范圍廣等優點,等到了廣泛的應用。本團隊通過結合納米壓痕陣列技術與彈性模量云圖方法,分析了噴射混凝土在加速老化試驗條件下微觀機構的演化機理,并應用有限元技術從微觀到宏觀上推了彈性模量,獲得了噴射混凝土壽命評估模型。同時,本團隊運用該技術對低退化骨料混凝土,高性能混凝土等材料的老化演化機理進行了研究。

納米劃痕技術是通過在小曲率的剛性納米劃針上施加法向應力,并使探針沿樣品表面刻劃,通過產生的劃痕來獲取目標材料摩擦系數、硬度等力學參數的測試方法。隨著材料科學技術的發展和新材料的不斷涌現,納米劃痕技術得到了廣泛的應用,尤其是在結構材料、電子材料、生物材料等領域。本團隊應用該技術對混凝土材料微觀界面進行了表征,并運用納米劃痕技術獲得了混凝材料微觀結構的斷裂韌性。




混凝土新材料和多尺度試驗表征

智能結構與先進材料研究中心借助于微/納米結構表征實驗室(如納米壓痕/刮痕和單根纖維拔出試驗)開展混凝土新材料研發和多尺度試驗表征,探究混凝土新材料性能(如超高性能混凝土(UHPC)的微觀結構、微觀力學性能以及纖維界面的粘結性能等)。為混凝土新材料開發以及其在橋梁工程、道路工程中的應用和推廣提供基礎數據和理論依據。

UHPC是一種纖維加勁的水泥基復合材料,由水泥、石英砂、硅灰、鋼纖維、高效減水劑等材料,在較低的水灰比、一定的養護條件下制備而成。通常具有較高的抗壓、抗拉以及開裂強度等力學性能。

通過材料多尺度試驗表征實驗平臺在水泥漿體、纖維-漿體界面過渡區分別建立壓痕陣列,采用統計納米壓痕方法對壓痕結果進行處理后得出漿體、過渡區的微觀成分、成分體積分數、各成分的模量與硬度。分析界面過渡區的模量分布云圖可以確定界面過渡區的厚度。UHPC納米壓痕實驗結果可以從微觀尺度解釋UHPC抗裂、抗侵蝕以及抗凍性等性能的機理,同時為UHPC細觀尺度上數值模型研究提供參數。

材料多尺度試驗表征實驗平臺可以針對在不同強度水泥基體、不同類型纖維以及不同加載速度等情況進行單根纖維拔出試驗。通過分析拔出試驗的力-拔出位移曲線可以得到纖維的起始脫粘力、始脫粘位移、最大脫粘力、完全脫粘時位移、完全脫粘后滑動摩擦力等力學參數,同時可以推導纖維拔出力計算模型。UHPC中單根纖維的拔出實驗結果可以描述纖維對UHPC中裂縫擴展的阻礙作用,為纖維橋接應力計算提供依據。


新型FRP-混凝土板體結構

智能結構與先進材料研究中心最近研發了全無鋼、無模板、耐腐蝕“FRP-混凝土板體結構”,可應用在裝配式建筑工程中墻體和板塊結構建造,從而提高結構壽命和受損混凝土結構的承載力,為解決傳統鋼筋加強混凝土結構中存在的耐久性問題提供新的思路和方法。

FRP加固修復混凝土技術是指利用各種形式的FRP材料(包括FRP片材、網格/格柵料和FRP筋等)對老化和受損的混凝土建筑物進行加固修復,從而提高結構的承載能力的技術。該技術具有高強高效、不影響結構自重和尺寸、操作性強、施工工藝簡單、抗疲勞、耐腐蝕和適用于各種類型和形狀結構部位的加固修補等優點。新型FRP殼體-混凝土結構采用了FRP殼體腹板開孔的設計理念,殼體腹板孔洞中的混凝土榫有效地阻止了FRP殼體和混凝土之間的滑移,使FRP殼體和混凝土完好地復合在一起,在新型剪力墻結構、橋面板結構、擋土墻結構和樁基等結構的應用方面具有廣闊的前景。針對FRP-混凝土中存在的界面強度問題,本中心創造性地測量了較廣斷裂模態下的FRP-混凝土界面斷裂韌度,為FRP材料在土木水利工程中裝配式建筑一體化、混凝土結構的加固修復、新型FRP-混凝土結構等的建設提供了新的設計準則。



材料和結構實驗

依托上海交通大學先進結構材料力學研究團隊,智能結構與先進材料研究中心能借助材料和結構實驗室各類材料靜態和動態試驗機以及各種配套設備(包括各種環境試驗箱、動態數據采集儀和遠焦顯微鏡等),可實現從小尺寸到中等尺寸的材料和結構靜態和動態試驗。該材料和結構實驗室設備功能齊全,具有荷載、應變和位移三種獨立閉環控制方式,進行各種金屬、非金屬和復合材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切和扭轉試驗,測定材料和結構的各種參數。結合濕熱環境試驗箱,該實驗室進行了各種環境下雙材料界面的常規斷裂和耐久性及亞臨界耐久性試驗,揭示了界面的脫膠機理,為預測雙材料粘結界面的壽命提供了原始實驗數據。動態疲勞測試可以實現0.001Hz-100Hz的準靜態和動態疲勞測試,從而預測結構在各種頻率下的壽命,滿足客戶的各種需求。本中心成員具有豐富的試驗經驗,開展和完成了各類國家自然科學基金、研究院所和企事業單位等各類工程項目。