图1 论文信息

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2026.106552

引用本文：Yan, Y., Ji, H., Zhao, Z.Z., Wang, M., Deng, Z.C., Feng, X.Q., Yao, H., 2026. Fractal cracking: An emergent failure mode of nacreous materials with microstructural randomness. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 211, 106552.

成果简介：

“复杂系统动力学与控制”工信部重点实验室邓子辰教授团队青年教师燕翌副教授在材料多尺度断裂力学领域取得重要进展。该工作依托“香江学者计划”项目，与香港理工大学姚海民教授团队开展合作研究，揭示了微结构随机性对于材料宏观断裂模式涌现的决定性作用。相关成果以“Fractal cracking: An emergent failure mode of nacreous materials with microstructural randomness”为题，发表在固体力学旗舰期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。论文的共同第一作者为该实验室燕翌副教授和东北大学季洪梅副教授，团队硕士研究生赵政泽、王萌，实验室邓子辰教授，清华大学冯西桥院士为论文合作者，香港理工大学姚海民教授为论文通讯作者。

研究团队发展了适用于生物材料复杂微结构跨尺度计算的拉剪链网络模型，该模型融合了拉剪链(Tension-shear-chain)模型和虚拟内键(Virtual-internal-bond)法的思想，利用节点网络构型精准粗粒化描述生物材料的微结构几何特征，从而在最大化保留微结构特征的前提下，实现材料跨尺度力学行为的数值计算。基于OpenMPI并行框架，团队开发了C++和Python联合编程的拉剪链网络模型的高效数值实现方法，模拟了珍珠母砖-泥结构从微米至毫米尺度的变形损伤和断裂行为。进一步地，研究团队考察了微结构随机性对砖泥结构多尺度断裂行为的影响。随着随机性增大，材料呈现更复杂的分形断裂形貌，具体表现为分叉、融合以及独立起裂。此外，随机性不仅改变了材料断裂的几何形貌，也重塑了材料裂纹演化的基本力学规律。具体而言，随机性显著改变了裂纹阻力曲线。具有高随机性的微结构裂纹扩展阻力曲线截距更大，裂纹扩展阻力更低，这表明材料的内禀韧性得到提高，能量耗散更多通过分布式损伤演化实现而非局部化裂纹扩展。另一方面，随机性还改变了缺陷敏感性的标度律：随机性增强了材料的缺陷不敏感性；在较高微结构随机性水平下，断裂强度越来越多地由有效承载面积（名义强度）所控制，而不是由裂纹尖端奇异性所主导。这些结果表明，随机性不仅是控制断裂几何形貌的关键要素，更驱动了材料断裂底层机制的改变。和完全周期性微结构相比，具有随机性的微结构的断裂行为体现出根本机制的不同，证明了微结构随机性对于材料宏观断裂行为涌现发挥的重要意义。

该研究工作得到了国家自然科学基金、“香江学者计划”和广东省基础与应用基础研究基金的资助。

研究团队发展了适用于生物材料复杂微结构跨尺度计算的拉剪链网络模型，该模型融合了拉剪链(Tension-shear-chain)模型和虚拟内键(Virtual-internal-bond)法的思想，利用节点网络构型精准粗粒化描述生物材料的微结构几何特征，从而在最大化保留微结构特征的前提下，实现材料跨尺度力学行为的数值计算。基于OpenMPI并行框架，团队开发了C++和Python联合编程的拉剪链网络模型的高效数值实现方法，模拟了珍珠母砖-泥结构从微米至毫米尺度的变形损伤和断裂行为。进一步地，研究团队考察了微结构随机性对砖泥结构多尺度断裂行为的影响。随着随机性增大，材料呈现更复杂的分形断裂形貌，具体表现为分叉、融合以及独立起裂。此外，随机性不仅改变了材料断裂的几何形貌，也重塑了材料裂纹演化的基本力学规律。具体而言，随机性显著改变了裂纹阻力曲线。具有高随机性的微结构裂纹扩展阻力曲线截距更大，裂纹扩展阻力更低，这表明材料的内禀韧性得到提高，能量耗散更多通过分布式损伤演化实现而非局部化裂纹扩展。另一方面，随机性还改变了缺陷敏感性的标度律：随机性增强了材料的缺陷不敏感性；在较高微结构随机性水平下，断裂强度越来越多地由有效承载面积（名义强度）所控制，而不是由裂纹尖端奇异性所主导。这些结果表明，随机性不仅是控制断裂几何形貌的关键要素，更驱动了材料断裂底层机制的改变。和完全周期性微结构相比，具有随机性的微结构的断裂行为体现出根本机制的不同，证明了微结构随机性对于材料宏观断裂行为涌现发挥的重要意义。

该研究工作得到了国家自然科学基金（批准号：12372325）、“香江学者计划”和广东省基础与应用基础研究基金的资助。原文链接： https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0022509626000529

图2 微结构随机性诱导材料分形断裂模式涌现的力学机制

作者简介：

第一作者 燕翌，西北工业大学力学与交通运载工程学院副教授，兼任期刊Engineering Fracture Mechanics、Acta Mechanica Sinica、《机械强度》青年编委。燕翌主要从事生物材料断裂力学研究，以生物材料自然演化的多尺度微结构为对象，发展新型理论和数值模型，解析材料断裂问题的细观力学机制，揭示材料微结构与宏观力学性质的联系，开发高性能仿生复合材料。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目、博士后基金特别资助（站前）和博士后基金面上项目等科研项目。

图/文：燕翌

审核：温志勋