動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)介*

本構(gòu)關(guān)系，也稱(chēng)本構(gòu)方程、物理方程、物性方程、本構(gòu)模型等，是描述質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，是理解物體變形響應(yīng)、求解內(nèi)部變量和進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必要的方程。而動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系描述的是動(dòng)態(tài)載荷下連續(xù)介質(zhì)內(nèi)部變量之間的力學(xué)關(guān)系，通常材料的彈性、偽彈性、黏性、塑性、黏流性等力學(xué)性能以及它們的疊加組合對(duì)溫度、加載率、材料微觀組織結(jié)構(gòu)等比較敏感，例如金屬材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系是一個(gè)或一組方程，可將應(yīng)變率ε˙與應(yīng)力σ、應(yīng)力率σ ˙、溫度、材料的熱力學(xué)歷史以及材料的許多結(jié)構(gòu)參數(shù)、、等聯(lián)系起來(lái)。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)包括位錯(cuò)密度、位錯(cuò)本身及其相互作用、晶粒尺寸等。這樣，其本構(gòu)的率關(guān)系可以用一個(gè)統(tǒng)一的方程ε ˙=(σ, σ˙,,,, ...)來(lái)表示。

對(duì)材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究可以追溯到19 世紀(jì)末，科學(xué)家們先后在Hopkinson 桿實(shí)驗(yàn)和Charp 實(shí)驗(yàn)等中發(fā)現(xiàn)材料在沖擊加載下的性能與準(zhǔn)靜態(tài)下的性能具有顯著差異，由此開(kāi)啟了對(duì)材料率效應(yīng)的廣泛研究，而對(duì)動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系的研究可追溯到20 世紀(jì)初。熱激活理論的提出是金屬材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系發(fā)展的里程碑，揭示了應(yīng)變率與溫度耦合效應(yīng)的物理基礎(chǔ)。兩次世界大戰(zhàn)后，出于對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)、恐怖主義威脅的警惕，對(duì)地震、海嘯等自然災(zāi)害的預(yù)防，以及航空航天、航海、能源開(kāi)采、核工業(yè)等工程領(lǐng)域的發(fā)展需求，材料和結(jié)構(gòu)在沖擊與爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)變形失效方面的研究大量涌現(xiàn)。20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，隨著計(jì)算力學(xué)的快速發(fā)展，建立適用于分析復(fù)雜極端工況下的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

建立材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系也是沖擊動(dòng)力學(xué)最基本的問(wèn)題之一。從本構(gòu)模型的類(lèi)型來(lái)說(shuō)，唯象本構(gòu)模型具有簡(jiǎn)潔的解析形式，在工程中應(yīng)用廣泛，具有物理基礎(chǔ)的本構(gòu)模型則可以更好地反映材料變形過(guò)程中的內(nèi)在物理機(jī)制，而近年來(lái)出現(xiàn)的基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)模型則具有更好的預(yù)測(cè)精度和靈活性。由于大量新材料和具有特殊性能結(jié)構(gòu)材料的涌現(xiàn)，目前建立兼具科學(xué)性和工程適用性的材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系仍具有很大的挑戰(zhàn)。如多維材料、微結(jié)構(gòu)調(diào)控材料、微納米結(jié)構(gòu)材料、增材制造材料、高熵合金等，其動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系的建立受到研究者的極大關(guān)注。動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系向著多變量復(fù)雜化、高準(zhǔn)確度等方向發(fā)展，可從以下兩方面看出。

（1）典型金屬材料在一定率-溫范圍內(nèi)可能出現(xiàn)如動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效、變形孿晶、沖擊相變和不同于靜載下的位錯(cuò)交滑移（Kear-Wilsdorflock 現(xiàn)象）等微觀機(jī)制，使得材料會(huì)出現(xiàn)反常的應(yīng)變率和溫度敏感性，這時(shí)傳統(tǒng)本構(gòu)模型不再適用，需要建立考慮這類(lèi)微觀機(jī)制和準(zhǔn)確描述反常率-溫耦合效應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。

（2）以往，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，揭示材料力學(xué)行為采用單軸加載，本構(gòu)方程以單軸一維應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)建立。這些都與實(shí)際結(jié)構(gòu)中材料的力學(xué)狀態(tài)不一致，且材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)行為具有差異性（如拉-壓不對(duì)稱(chēng)性），應(yīng)力三軸度、羅德角等應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)與應(yīng)變率的耦合關(guān)系的物理基礎(chǔ)還不明確，實(shí)際上，材料在三軸復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)行為也并非是單軸應(yīng)力狀態(tài)下的簡(jiǎn)單疊加。因此，建立考慮復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的三維動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型就很有意義。

經(jīng)特邀和按照《爆炸與沖擊》期刊的嚴(yán)格審稿流程，本專(zhuān)題特別呈現(xiàn)了不同材料類(lèi)型、不同研究方向的專(zhuān)家，就最新的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系建立和本構(gòu)關(guān)系的發(fā)展報(bào)道了各自最新的研究成果，在此對(duì)他們表示衷心的感謝，對(duì)《爆炸與沖擊》編輯部和曾月蓉老師的有力支持表示感謝！