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王自强

中国科学院院士

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王自强   固体力学家,中国科学院力学所研究员。长期从事固体力学方面的科研工作,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 出生于上海
1963年 毕业于中国科学技术大学近代力学系
1986年 中国科学院力学所,研究员
2009年 当选为中国科学院院士
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12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  新加坡国立大学材料与工程研究所访问教授

主要学术成就

1.开创弹塑性断裂力学研究的新领域

(1) 在国际上最先建立裂纹顶端弹塑性高阶场和J-k断裂准则

王自强和他的硕士生李尧臣在国际上最先建立裂纹顶端弹塑性高阶场基本方程, 开创了弹塑性断裂力学研究的新领域。求得了二阶场,证实了幅值k2是独立参量,它可以表征远场高或低的三轴应力,从而阐明了远场三轴应力对断裂韧性的重要影响,为双参数断裂准则提供了理论基础。

他和他的博士生夏霖在国际上率先给出裂纹顶端高阶场第三至第五项结果。他和他的博士后魏悦广在裂纹顶端高阶场基础上,提出J-k 断裂准则,该准则已为国外的系统实验所证实。

 (2) 求得了双材料界面裂纹顶端弹塑性奇性场

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,为双材料界面裂纹的断裂准则提供了理论基础。

以上研究内容作为成果《裂纹顶端弹塑性应力应变场和断裂准则》,1995年获得“国家自然科学三等奖”,并写进专著《高等断裂力學》。

2.提出了一种新的不含高阶应力的应变梯度理论

王自强与他的博士后陈少华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。他们又在偶应力理论基础上,将拉伸应变梯度引入切线硬化模量,形成一种不含高阶应力的应变梯度理论,使分析大为简化而且十分有效。成功阐明了细铜丝扭转、微薄梁弯曲、微压痕、裂纹尖端场、颗粒增强复合材料等一系列实验中的尺度效应。

以上研究内容作为成果《固体的微尺度塑性及微尺度断裂研究》重要组成部分,2008年获得“国家自然科学二等奖”,并写进专著《Micro-scale plasticity Mechanics》。 

3.建立了固体理论强度的一种严格算法

王自强和他的博士生李微雪利用晶体具有周期结构的特点,提出了周期结构超晶胞模型。设想超晶胞系统经受各种典型的均匀变形,也就是超晶胞内各个原子所对应的离子依照均匀变形的模式相对位移。而电子与电子相互作用用密度泛函理论来描述,电子与离子的相互作用用膺势理论来描述。

他们将第一原理能量计算与理想晶体大变形失稳理论相结合, 采用密度泛函理论、赝势平面波基方法和周期结构超晶胞模型,建立了固体理论强度的一种严格算法, 依此获得了金属铝和双原子组分材料β-SiC在各种加载方式下理论强度的预测。

以上研究内容作为成果《固体的微尺度塑性及微尺度断裂研究》重要组成部分,2008年获得“国家自然科学二等奖”

参与解决重大工程问题

(1) 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。作为成果《长江葛州坝二、三江工程及其水电机组》一个组成部分,获1987年国家科技进步特等奖(集体获奖)。

(2) 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。成果作为《复合型裂纹脆性断裂及断裂力学在工程中的应用》一个重要组成部分,获全国科学大会奖。

(3) 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。此项工作作为成果《加筋和夹层板壳的稳定性研究》一个重要组成部分,获全国科学大会奖。

王自强已发表学术论著191篇(册)。SCI收录101篇,EI收录90篇,其中79篇,美国科学引文索引(SCI)记载了他引735次。已经培养了4名博士后、11名博士研究生及10多名硕士研究生。

3部代表性论著

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. Chen Shaohua, Wang Tzuchiang, 《Micro-scale plasticity mechanics》, 2009年,中国科学技术大学出版社

10篇代表性论文

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,SCIENCE SINICA(中国科学),A辑,29,1986年,941-955页。

2. Xia, L. Wang, T.C., Shih, C.F., High order analysis of crack-tip fields in power law hardening materials,J. Mech. Phys. in Solids,41,1993,665-687

3. 王自强,双材料界面裂纹弹塑性渐近场,Eng. Fracture Mechanics,37,1990,527-538

4. Wei, Y.G., Wang, T.C.,Fracture criterion based on the higher-order asymptotic fields,Int. J. Fracture,73,1995,39-50

5. Chen, S.H., Wang, T.C.,A new deformation theory with strain gradient effects,Int. J. Plasticity,18,2002,971-995

6. Chen, S.H., Wang, T.C.,A new hardening law for strain gradient plasticity,Acta Mater.,48,2000,3997-4005

7. Wang, T.C., Han, X.L.,Fracture mechanics of piezoelectric materials,Int. J. Fracture,98,1999,15-35

8. Wang, T.C.,Analysis of strip electric saturation model of crack problem in piezoelectric materials,Int. J. Solids and Structures,37,2000,6031-6049

9. Li W. X., Wang T.C., Elasticity, stability and ideal strength of β-SiC in plane wave –based ab initio calculation, Phys. Rev. B 59(1999), 3993 

10. Li W. X., Wang T. C., Ab initial investigation of the elasticity and stability of aluminum, J. Phys. Condens. Matter 10(1998) 9889-9904.

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