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智能结构和先进材料研究中心

智能结构和先进材料研究中心

负责人：乔丕忠


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负责人：乔丕忠


智能结构与先进材料研究中心
 Center for Smart Structures and Advanced Materials

"智能结构与先进材料研究中心”是上海交通大学依托上海交通大学设计研究总院成立的产学研一体化平台和创新科研载体。中心立足于上海、面向海内外，致力于智能结构和先进材料的研究、发展和应用。主要内容有：高新（高性能和创新）材料的发展和在工程领域中的创新应用；智能器件的发展和应用；结构设计分析和模拟；微/纳米结构表征；材料和结构实验测试；智能结构健康检测/监测技术；先进计算方法和结构模拟等。

中心依托上海交大雄厚的科研实力和人才优势，拥有良好的工作环境，配备有高性能服务器和工作站，实验设备齐全，拥有完善的材料和结构性能研究的实验环境，如系列材料测试系统（MTSTM）、电子万能试验机、纳米力学材料测量系统、扫描式激光测振仪、智能材料实验室、混凝土材料实验室等。中心团队的核心成员是上海交通大学的讲席教授乔丕忠，他是第五批国家中组部“千人计划”特聘专家入选者，教育部‘长江学者’特聘教授（水工结构），也是ISI Essential Science Indicators（ESI）工程领域被高引用科学家之一（前1%的作者）。中心其他团队成员均来自于上海交通大学及国内外知名高校，均致力于智能复合和高性能材料在土木水利、航空航天和生物医学工程中的研究、发展和应用，并且研究人员的理论知识扎实，实践经验丰富，具有多年的相关领域研究经验和研发创新能力。该中心团队主持了多个与先进材料和智能结构相关的项目，如蠕变和湿热条件下的FRP-混凝土界面断裂机理研究（自然科学基金委）；可持续混凝土早龄期和长期性能的多尺度表征与演化机理研究（自然科学基金委）；结构损伤诊断“智能动态膜”；形状记忆合金智能复合材料研制及变形控制/损伤修复研究；混凝土材料与结构近场动力学计算分析与仿真等，均取得了巨大的突破。
中心提出的双层梁剪切和界面变形理论（被波音公司命名为“乔方法（Qiao Method）”），拓展了断裂力学的适用空间；将智能材料用于结构健康监测中的关键性基础问题，发展损伤识别的新理论与方法；另外还发展新的疲劳和概率破坏模型，为结构安全及寿命预测提供了理论依据。最近，在近场动力学断裂计算分析上有新的突破，首次建立了近场动力学参量与传统断裂力学能量释放率的关系，首创了II型近场动力学断裂分析模型。

该中心将充分发挥产学研特点，合理利用高校、企业及相关科研机构之间资源优势，进行技术创新，同时推动智能结构与先进材料研究的稳步发展。

智能压电模块

智能结构与先进材料研究中心的智能压电模块（SPM: smart piezoelectric module）内置技术和压电陶瓷（PZT）表面粘贴技术为混凝土结构力学性能的结构健康监测（SHM）建立了经济高效、实时动态的评估系统。该系统可对建筑、桥梁、大坝等土木工程中的混凝土结构损伤和材料退化进行无损评估、检测、监测。

智能压电模块（SPM）内置技术是将PZT预先封装并内置于混凝土或大理石模块中，作为智能骨料埋入混凝土结构中相应位置，并对PZT施加人为设定的电载荷通过逆压电效应激发出应力波，最后通过压电效应对PZT接收到的应力波转化成的电信号进行信号处理，获得相应的力学性能信息（如动态弹性模量、泊松比、损伤位置和程度）。该技术具有理论模型简洁、检测范围大、信号抗干扰能力强的优点。

PZT表面粘贴技术是将PZT直接粘贴在混凝土结构表面，与SPM内置技术的本质区别在于激发出的应力波类型由体波变为表面波（瑞利波）。该技术具有安装更换方便、对现有结构可做无损检测、应力波清晰易辨识的优点。

SPM内置技术和PZT表面粘贴技术以及激励信号设计、信号采集处理系统，共同构建了完整的针对混凝土结构力学性能的结构健康评估/检测/监测系统。该系统具有清晰的物理模型、操作简便的技术流程和高效可靠的监测效果，在混凝土结构健康监测领域中有广泛的应用前景。






智能结构健康检测/监测技术

智能结构与先进材料研究中心的动态智能检测/监测技术为土木水利、航空航天等工程领域的结构健康检测/监测提供了牢固的基础支撑和发展保障。智能结构与先进材料研究中心的智能材料实验室基于结构动力学在健康检测/监测技术中的应用研究，自主设计并搭建完成了可移动式实时监测/检测平台。该平台不仅可基于传统波传播和模态相关等方法，常规实现金属材料、混凝土材料和纤维增强复合材料等结构健康状况的诊断和损伤缺陷的判断识别，支持多损伤的在线实时检测和相对量化评估；同时可以进一步拓展应用于诸多动力学性能测试相关的实际工程应用中（诸如新型智能结构的开发设计、大体积混凝土结构健康检测/监测与寿命评估系统的搭建、动力响应分析与振动控制相结合的结构姿态控制等），为智能结构、智能系统甚至智能城市的发展奠定了可靠的软硬件基础。




先进计算方法和结构模拟

智能结构与先进材料研究中心拥有系统的近场动力学理论分析基础和数值计算能力，可以进行复杂环境条件下的材料和结构失效行为的模拟，从而为智能结构和先进材料的失效预测提供科学精准的判断依据。

近场动力学是一种新兴的非局部理论，不再基于连续性假设和欧拉-柯西应力原理来求解力学问题，而是将连续体视为空间域内一系列具有质量，包含材料力学行为特性，并且相互作用的物质点。通过借鉴分子尺度长程力的思想，引入“键”的概念，假设某物质点与其周围特定范围内的物质点之间两两成键，相互作用通过近场动力学键进行传递，从而将基本运动方程中物理量对空间位置变量的偏导用一种新的微力积分的形式取代。材料内部的损伤失效和断裂破坏等非连续行为即可通过键的失效进行表达。这种对经典理论的根本性重构，允许近场动力学直接而自然地描述材料变形过程中内部微裂纹的产生和扩展。

中心拥有的基于近场动力学理论的离散粒子基的数值模拟程序，对连续和非连续情形无需加以区别处理，可以自然模拟缺陷的萌生，裂纹的扩展分叉以及多裂纹的相互作用等复杂问题。程序具有良好的并行计算能力，设计框架完整，具有极强的可扩展性，未来可根据计算需求进行功能完善。

中心依托的上海交通大学先进结构材料力学研究团队拥有多台高性能计算设备，具有强大的计算能力。计算设备主要包括10台40核心的Intel Xeon工作站，可以满足常规研究项目的计算需求。





结构设计分析和模拟

智能结构与先进材料研究中心有丰富的结构设计方向和模拟基础和经验，尤其结构稳定性分析。采用解析法和有限条半解析法，在航空航天、土木领域均进行了大量的结构稳定性研究。本中心的地下空间顶管屈曲研究为地下空间顶管施工设计提供了参考基础。

顶管施工因其非开挖施工影响较小等优点，在城市地下空间施工及给排水管道建设中得到了广泛应用。随着地下空间顶管施工直径和顶进距离的不断增大，顶管屈曲破坏成为了施工过程中的工程隐患。本中心进行了应用于地下空间大口径长距离顶管施工的屈曲分析，研究了顶管临界屈曲载荷随顶管几何尺寸及地基刚度的变化特性，并在此基础上提出相应措施来提高顶管施工的稳定安全性。其中，采用无拉力弹性地基模拟周围土壤而进行的顶管屈曲分析更能反映土壤对顶管变形的单侧约束作用，更符合工程实际，对地下空间顶管施工设计具有指导意义。




微纳米结构表征

智能结构与先进材料研究中心拥有微/纳米结构表征实验室。实验室配备纳米压/划痕设备（TI950, TriboIndenterTM）、试样制备系统，同时实验室具有微观力学理论分析基础和数值计算能力，能实现对先进复合材料，生物材料，先进医学材料等进行微、纳米尺度的表征以及多尺度力学模型的建立。

纳米压痕技术是利用计算机控制载荷，将特定形状的刚性压头压入被检测材料的表面，同时利用高分辨的位移传感器来采集被测材料表面的压深量，得到载荷-位移曲线，进而获得材料在微/纳米尺度下的一些力学特性，如硬度、弹性模量、应变硬化效应、蠕变行为等。纳米压痕技术因其具有试验操作简单、测量效率高以及使用范围广等优点，等到了广泛的应用。本团队通过结合纳米压痕阵列技术与弹性模量云图方法，分析了喷射混凝土在加速老化试验条件下微观机构的演化机理，并应用有限元技术从微观到宏观上推了弹性模量，获得了喷射混凝土寿命评估模型。同时，本团队运用该技术对低退化骨料混凝土，高性能混凝土等材料的老化演化机理进行了研究。

纳米划痕技术是通过在小曲率的刚性纳米划针上施加法向应力，并使探针沿样品表面刻划，通过产生的划痕来获取目标材料摩擦系数、硬度等力学参数的测试方法。随着材料科学技术的发展和新材料的不断涌现，纳米划痕技术得到了广泛的应用，尤其是在结构材料、电子材料、生物材料等领域。本团队应用该技术对混凝土材料微观界面进行了表征，并运用纳米划痕技术获得了混凝材料微观结构的断裂韧性。



混凝土新材料和多尺度试验表征

智能结构与先进材料研究中心借助于微/纳米结构表征实验室（如纳米压痕/刮痕和单根纤维拔出试验）开展混凝土新材料研发和多尺度试验表征，探究混凝土新材料性能（如超高性能混凝土（UHPC）的微观结构、微观力学性能以及纤维界面的粘结性能等）。为混凝土新材料开发以及其在桥梁工程、道路工程中的应用和推广提供基础数据和理论依据。

UHPC是一种纤维加劲的水泥基复合材料，由水泥、石英砂、硅灰、钢纤维、高效减水剂等材料，在较低的水灰比、一定的养护条件下制备而成。通常具有较高的抗压、抗拉以及开裂强度等力学性能。

通过材料多尺度试验表征实验平台在水泥浆体、纤维-浆体界面过渡区分别建立压痕阵列，采用统计纳米压痕方法对压痕结果进行处理后得出浆体、过渡区的微观成分、成分体积分数、各成分的模量与硬度。分析界面过渡区的模量分布云图可以确定界面过渡区的厚度。UHPC纳米压痕实验结果可以从微观尺度解释UHPC抗裂、抗侵蚀以及抗冻性等性能的机理，同时为UHPC细观尺度上数值模型研究提供参数。

材料多尺度试验表征实验平台可以针对在不同强度水泥基体、不同类型纤维以及不同加载速度等情况进行单根纤维拔出试验。通过分析拔出试验的力-拔出位移曲线可以得到纤维的起始脱粘力、始脱粘位移、最大脱粘力、完全脱粘时位移、完全脱粘后滑动摩擦力等力学参数，同时可以推导纤维拔出力计算模型。UHPC中单根纤维的拔出实验结果可以描述纤维对UHPC中裂缝扩展的阻碍作用，为纤维桥接应力计算提供依据。

新型FRP-混凝土板体结构

智能结构与先进材料研究中心最近研发了全无钢、无模板、耐腐蚀“FRP-混凝土板体结构”，可应用在装配式建筑工程中墙体和板块结构建造，从而提高结构寿命和受损混凝土结构的承载力，为解决传统钢筋加强混凝土结构中存在的耐久性问题提供新的思路和方法。

FRP加固修复混凝土技术是指利用各种形式的FRP材料（包括FRP片材、网格/格栅料和FRP筋等）对老化和受损的混凝土建筑物进行加固修复，从而提高结构的承载能力的技术。该技术具有高强高效、不影响结构自重和尺寸、操作性强、施工工艺简单、抗疲劳、耐腐蚀和适用于各种类型和形状结构部位的加固修补等优点。新型FRP壳体-混凝土结构采用了FRP壳体腹板开孔的设计理念，壳体腹板孔洞中的混凝土榫有效地阻止了FRP壳体和混凝土之间的滑移，使FRP壳体和混凝土完好地复合在一起，在新型剪力墙结构、桥面板结构、挡土墙结构和桩基等结构的应用方面具有广阔的前景。针对FRP-混凝土中存在的界面强度问题，本中心创造性地测量了较广断裂模态下的FRP-混凝土界面断裂韧度，为FRP材料在土木水利工程中装配式建筑一体化、混凝土结构的加固修复、新型FRP-混凝土结构等的建设提供了新的设计准则。



材料和结构实验

依托上海交通大学先进结构材料力学研究团队，智能结构与先进材料研究中心能借助材料和结构实验室各类材料静态和动态试验机以及各种配套设备（包括各种环境试验箱、动态数据采集仪和远焦显微镜等），可实现从小尺寸到中等尺寸的材料和结构静态和动态试验。该材料和结构实验室设备功能齐全，具有荷载、应变和位移三种独立闭环控制方式，进行各种金属、非金属和复合材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转试验，测定材料和结构的各种参数。结合湿热环境试验箱，该实验室进行了各种环境下双材料界面的常规断裂和耐久性及亚临界耐久性试验，揭示了界面的脱胶机理，为预测双材料粘结界面的寿命提供了原始实验数据。动态疲劳测试可以实现0.001Hz-100Hz的准静态和动态疲劳测试，从而预测结构在各种频率下的寿命，满足客户的各种需求。本中心成员具有丰富的试验经验，开展和完成了各类国家自然科学基金、研究院所和企事业单位等各类工程项目。