《力学_自然科学学科发展战略调研报告_续_》由会员分享，可在线阅读，更多相关《力学_自然科学学科发展战略调研报告_续_（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、力学纵横力学自然科学学科发展战略调研报告(续)国家自然科学基金委员会2固体力学这里所说的固体指在一自然约定的时间尺度内可有效承受剪力的连续介质.固体力学旨在认识与固体受力、变形、流动、断裂有关的全部自然现象并利用这些知识来改善人类生存条件、实现人类目标.固体力学是整个力学学科中的研究规模最大的分支.211固体力学的发展状况21111固体力学的两重属性与整个力学学科一样固体力学兼具技术科学与基础科学的属性.它既为工程设计和发展生产力服务也为发展自然科学服务.固体力学在许多工程领域都发挥着重要的作用.这些领域包括航空航天工程、造船与海洋工程、核电工程、机械制造、动力机械工程、地质勘探、石油开采、土
2、木工程、水利工程、岩土工程、材料科学与工程、微电子技术、医学工程等等.作为基础科学的力学为自然科学的发展作出了重要的贡献.在力学发展中作出奠基性贡献的学者如伽利略(G.Galileo)、牛顿(I.Newton)、柯西(A.Cauchy)、爱因斯坦(A.Einstein)等人带动了整个数理科学的发展.在各门基础学科的术语中“力”无所不在.弹性力学的理论体系的建立是科学发展史上一个范例.非线性科学中分岔的基本概念和分析方法萌芽于固体力学中的压杆稳定问题.固体力学研究的对象包括自然界中表现形式最丰富的物质形态和人类创造的绝大多数技术材料它所研究的力学过程是宇宙间最基本的过程之一.它通过数学力学理论、
3、物理力学、力化学、天体力学、地质力学、生物力学等交叉科学与其它所有基础科学门类相联系.国际著名固体力学专家赖斯(J.R.Rice)教授在不列颠百科全书(1993年版)“固体力学”条目中列举了下述可利用固体力学概念来研究的命题:“在地幔中如何发生流动从而牵带大陆板块的迁移及海床在它们之下的伸入山脉是如何形成的地震时断层处发生了什么过程这些扰动是怎样以地震波的形式传播且震撼并可能摧毁建筑物和桥梁滑坡如何产生土壤和岩石基础在不破坏的前提下可以承受建筑物对它的多大压力如何选择、配置和成形各种材料从而控制它们的承载来制成安全、可靠、耐久、经济的结构(这些结构包括飞机骨架、桥梁、船舶、建筑物、人工心脏瓣膜
4、和计算机集成电路芯片)如何利用这些固体材料来制造诸如喷气发动机、泵、自行车之类的机器结构表面形状的变化或流体介质的不均匀性如何引起运输工具(如汽车、飞机、轮船)的振动如何由振动控制来达到舒适、减噪和避免疲劳破坏的目标在结构循环加载时(如桥梁、发动机、机翼或油箱)裂纹扩展的速度有多快什么时候会产生灾难性的裂纹扩展我们如何控制结构物在冲击过程的变形从而在设计运输工具时使其具有耐撞性如何成形材料或技术产品(如金属和高聚物的模具挤压、板材轧制、复杂形状模压等等)多晶体塑性和蠕变应变时历经了何种微观过程如何将不同的材料相元配置在一起像纤维增强复合材料一样来实现实用中所需要的刚度和强度的综合性能在体育用品
5、(如滑雪板和网球拍)中所需要的材料综合性能和总体响应是什么人类头骨在事故中的冲击响应是什么人体的心脏肌肉如何控制血液的泵压且动脉瘤的发生源于何种控制功能紊乱”上述种种问题对自然界演化的解释对科学技术的进步对人类的生存保护都是非常重要的.21112固体力学的历史发展固体力学是人类科学技术史上最先发展的少数学科之一在人类文明进化过程中几度占有中心地位.固体力学是在牛顿力学的伟大成就下得到迅速发展的一门力学学科但远在牛顿之前就有过很多重要的固体力学研究工作:如列奥纳多达芬奇(L.daVinci1452年1519年)关于线材拉伸强度的实验和伽利略(1564年1642年)关于受拉和受弯杆件破坏强度的研究
6、.关于应力、应变和弹性的基本概念是在公元1660年到1822年期间逐步形成的.胡克(R.Hooke)、伯努利(J.Bernoulli)、欧拉(L.Euler)、库仑(C.A.Coulomb)、柯西等著名科学家为此作出了重要的历史贡献.在18、19世纪和20世纪上半叶借助于梁、柱、板、壳等简化理论固体力学成为当时工业的两大支柱建筑业和机械制造业的主要技术分析手段.小变形弹性力学的一般理论在19世纪20年代由柯西总结形成大变形弹性力学理论经过19世纪中叶格林(G.Green)、皮奥拉(G.Piola)和基尔霍夫(G.R.Kirchhoff)的奠基于本世纪中期通过瑞夫林16第2期力学自然科学学科发展
7、战略调研报告(续)(R.S.Rivlin)的工作推至可供实用的阶段.工程结构的轻型化和金属加工的迅速发展推动了固体力学中另一分支学科塑性力学的发展.塑性力学的若干基本概念起源于库仑(1773年)蓬斯莱(J.V.Poncelet1840年)和兰金(W.J.M.Rankine1853年)等关于延性材料屈服的研究而近代宏观塑性理论奠基于屈雷斯加(H.Tresca1864年)胡伯(M.T.Huber1904年)冯密赛斯(VonMises1913年)普朗特(L.Prandtl1920年)和汉基(H.Hencky1923年)等人的研究理论之上.在战后经依留申(A.A.Iliushin)希尔(R.Hill)
8、普拉格(W.Prager)和德鲁克(D.C.Drucker)等人的工作而建立了塑性理论的数学框架.航空与航天工程的发展要求航空航天结构物具有尽可能低但又确保可靠性的安全系数从而使固体力学成为不可缺少的分析工具除了关于充分发挥强度储备的塑性极限分析、薄壁结构的弹塑性稳定性分析以外关于应力集中、疲劳、振动、减噪方面的研究得到了迅速发展.在第二次世界大战期间美国自由轮的大量低应力脆断解体事故促使由格里菲思(A.A.Griffith1920年)首先提出但未受到普遍重视的断裂力学的基本思想迅速发展为一门固体力学的重要分支学科断裂力学.由此产生的断裂分析方法迅速应用于航空、航天、核能结构完整性、石油化工压
9、力容器与管道防爆、以及海洋结构的安全可靠性.固体力学本世纪发展的另一个特征在于从宏观和微观并行不悖的研究逐渐转向宏微观相结合的研究.1905年弹性力学与数学家沃尔泰拉(V.Volterra)首先分析了位错固体的弹性静态应力和位移场.1934年泰勒(G.L.Taylor)奥罗万(E.Orowan)和波拉尼(M.Polanyi)各自独立提出了位错的概念.上述数学和物理研究两者的结合为揭示固体塑性变形的一类基本规律奠立了基础.位错研究是理论超前于研究、并指导人类认识的范例.它为近二三十年来固体力学与材料科学的结合打下了基础.我国固体力学研究从宏观层次向更精细物质层次的深入得益于钱学森倡导的物理力学.
10、钱学森提出了“细观力学”的名称专指对具有内禀材料微结构的固体连续介质的研究.实验是提出理论模型和工程准则的基本出发点也是检验它们的准绳.力学发展一方面受到实践中反映出来的大量新现象的推动另一方面通过实验更深入细致地取得第一手资料以此做为建立理论的基础使学科得到发展.实验固体力学不仅涉及力学还涉及其它多种学科特别是新技术领域.21113当代固体力学发展第二次世界大战后近50年间形成了固体力学的近代理论基础在宏观力学上取得了一系列重大成就.现概述如下:1)宏观固体力学已经形成一个初步框架.理性力学在50年代至70年代的迅速发展使宏观力学的基本理论在表观上形成比较严谨的体系.2)以有限元为代表的计算
11、固体力学高速发展.有限元法的数学思想曾由著名数学家柯朗(R.Courant)在1943年后加以初步描述但该方法的物理基础却归功于固体力学家在50年代与60年代所提出的广义变分原理.有限元法在80年代广泛应用于几乎所有工程技术领域.常规的结构固体力学计算已经基本解决.3)断裂力学的建立(针对于断裂、损伤、疲劳、磨损、腐蚀等破坏模式)扩展了固体破坏理论并发展了基于不同破坏特征量的缺陷评定体系.4)固体的宏观本构理论描述尽管尚不封闭但在材料对称性描述和通常条件下的弹塑性大变形本构方面取得了重要进展.5)固体力学的测试技术更新换代.用计算机控制加载路径的试验机已取代了老式试验机光测法的精度已提高到微米
12、乃至纳米量级计算机控制的振动平台可对大型机械和结构进行实测动态测试的应变率已达到106108秒量级无损探伤技术得到了发展.6)细观力学于70年代兴起至今已初具轮廓.细观固体力学与材料科学相结合在晶体塑性理论和结构材料的强韧性力学原理研究中取得了重要进展使科学家们对材料的强度和韧性有了更深层次的认识.7)固体力学在工程结构的完整性和可靠性方面取得了重要成果.对航空航天结构、核动力结构、锅炉与压力容器、近海石油平台、管道等重要工程结构建立了损伤容限评定或结构完整性评定的第一代标准.尽管固体力学已呈现出一个高度发达学科的某些特征但仍有一批基本问题尚未得到解决:首先是固体本构理论在宏观连续介质层次上未
13、能实现封闭破坏的发生和传播机制在宏观层次上并不清楚.材料在外界作用下经变形、损伤到失稳或破坏的过程是固体力学中最大的难题.固体的破坏同缺陷和微结构形态紧密相关该过程不仅对材料细观结构和损伤形态敏感对固态物质微观层次上的缺陷也敏感.与上述问题相对应的一个事实是目前工程材料可实现的强度与其理论强度相差1至2个量级.举例来说:现在已知许多纳米陶瓷具有比常规陶瓷高得多的韧性许多纳米晶体具有比常规大小的晶体高得多的强度.这些纳米材料的塑性变形的基本机制并不清楚.26力学与实践1998年第20卷如何由晶界区域塑性滑错、纳米晶粒转动及纳米晶粒内部和短程位错开动来实现纳米材料的超塑性组合变形还是一个非常模糊的
14、问题.固体破坏行为的许多反常困惑不仅发生在细微观世界也发生于尺度巨大的结构中.通常的标度律有时并不得到遵守.如对北极巨大冰试件进行的冲击试验表明其断裂韧性是实验室试件的10倍.大冰块的大量缺陷在加载时起着吸能的作用.固体疲劳行为的根本机制还远未得到阐明.目前尚缺乏理论模型来说明累积塑性变形与疲劳断裂行为的关系.在大循环数非规则应力应变加载下的循环塑性本构描述也一直未能取得突破性的进展.现有的结构完整性评定体系还不能完全描述实际的破坏行为.很多原来认为是材料常数的破坏特征量被实验证明与结构的几何形状有关.例如美国核管会和国家标准局模拟热力断裂事故的巨型试验结果表明:原来认为可逐渐延性止裂的结构在
15、实验中呈现出由延性破坏突转至脆性加速破坏的反常行为.地震预报是另一个与固体力学有关的重大疑难问题.断层在地应力作用下发生灾难性的裂纹扩展前在地层表面会出现何种可观测的力学信号是一个与人类安全有关的重要课题.有生命的固体(如人体和动物的骨胳、肌肉、内脏头颅和植物的茎、根、叶等)与无生命的固体在本构响应上有什么不同在它们的本构描述中如何嵌入记忆功能、学习功能、控制功能、条件反射功能和衰老特征动物和植物是怎样在自然界的长期斗争和适应过程中获得在本身能力限制下最佳的结构响应特征这些都是生物固体力学尚未解决的重要问题.还可举出薄壁结构的后屈曲、材料和结构在动载荷下的响应、固体材料的流变以及多孔介质中流固
16、耦合等问题.上述问题仅是固体力学尚待解决问题中露出的冰山一角固体力学的学科进展是无止境的.212固体力学的发展趋势固体力学的两重属性使我们可以从应用研究和学科研究两个方面来讨论固体力学跨世纪发展.21211固体力学应用研究的跨世纪发展趋势1)工程技术的跨世纪发展态势工程技术的跨世纪发展的特征是:工业文明从机器时代转入信息时代.在硬件上导致各种精微力电系统的出现在软件上需求大规模并行计算技术在安全运行上提出更高的可靠性要求.人类将追求更干净的环境和更清洁的能源.快中子堆技术、高坝技术和高功率水力发电技术将成为引导我国走向能源现代化的关键技术.人类将对防灾、减灾和改善事故安全提出更高要求由此需要对老龄工程结构和运输工具进行更科学的安全评估.高新技术材料和仿真材料将大量出现集传感功能和驱动功能为一身的智能型结构材料将进入各种用途.人们将在细微观力学原理下指导精细制造工艺和材料设计.航空与航天工程将呈持续发展势头.设计和研制空天飞机和高超音速客机提出了新的固体力学课题.生物医学工程和生命系统仿真技术将由定性的功能开发阶段转向定量的分析、实验和模
