楊 衛(wèi)
(國家自然科學基金委員會,北京100085)
創(chuàng)刊60周年專欄
中國力學60年
楊 衛(wèi)
(國家自然科學基金委員會,北京100085)
中國力學學會已經(jīng)走過了60個春秋.一甲子的成長與輝煌,是中國力學界創(chuàng)業(yè)、奮斗和發(fā)展歷程的真實寫照!在中國力學學會成立60周年之際,面對會聚一堂的三千余名力學同仁,我將與大家回顧中國力學學會60年的發(fā)展、抒懷中國力學近10年的重大成就,展望中國力學未來的發(fā)展.
中國力學學會(以下簡稱力學會)是在錢學森、周培源、錢偉長、郭永懷等著名力學家的倡導和組織下,于1957年成立的全國性力學工作者的群眾組織.經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展,學會現(xiàn)有2萬余名會員,33個分支機構(gòu),主辦18份學術(shù)期刊.學會在中國科協(xié)的領(lǐng)導下,扎實進取,努力建設(shè)成為具有高水平專業(yè)化服務(wù)水平的現(xiàn)代科技社團.近年來,力學會著力提升服務(wù)科技創(chuàng)新、服務(wù)政府和社會、服務(wù)科技工作者的能力,先后獲得“全國科協(xié)系統(tǒng)先進集體標兵”、“中國科協(xié)先進學會獎”、民政部“全國先進社會組織”等表彰和獎勵,國內(nèi)外學術(shù)地位和影響力顯著提高,正在向國際一流的科技社團邁進.
力學是橫跨工程和科學的橋梁,在航空、航天、能源、交通等國家重大工程技術(shù)的發(fā)展中,既有大量學科前沿的力學問題亟待解決,又需要應(yīng)用力學方法攻克諸多技術(shù)難關(guān).力學會發(fā)揮人才薈萃、橫向聯(lián)系的優(yōu)勢,組織動員力學工作者圍繞國家需求積極獻智出力.
(1)發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢開展決策咨詢.先后組織50多位院士專家開展大型飛機調(diào)研論證,梳理了從氣動外形、結(jié)構(gòu)、強度到動力、系統(tǒng)等方面蘊含的關(guān)鍵力學問題,向國務(wù)院提交了《大型飛機研制中的關(guān)鍵力學問題建議書》,為國家重大科技專項論證提供了決策依據(jù).
(2)推動基礎(chǔ)研究與國家需求有機結(jié)合.在我國率先提出深水鉆井平臺力學關(guān)鍵技術(shù)問題,并組織系列學術(shù)會議進行深入探討,在我國自主設(shè)計和建造首座第六代深水半潛式鉆井平臺中發(fā)揮了重要作用.
(3)以國家目標為導向引領(lǐng)學科發(fā)展.以國家重大工程技術(shù)中的關(guān)鍵力學問題為主題,以專業(yè)分會為載體,促進學科交叉融合,使我國在高超聲速力學、稀薄氣體動力學、環(huán)境力學、微納米力學、軟物質(zhì)力學、智能材料力學等若干領(lǐng)域進入世界水平前列.
力學會著力打造學術(shù)會議和期刊品牌,推動我國力學界的學術(shù)地位和國內(nèi)外影響力不斷提高.
(1)搭建高端前沿學術(shù)交流平臺.近五年來共舉辦各類學術(shù)交流活動200次以上,參會代表兩萬人次以上.第23屆世界力學家大會和第13屆國際斷裂大會等力學界最具影響力的盛會已在北京召開.
(2)推進學術(shù)期刊國際化.通過聘請國外著名科學家擔任主編、成立多種期刊聯(lián)合運作的主編聯(lián)席制度等方式,發(fā)揮18個學術(shù)期刊作為學術(shù)交流平臺和科研成果展示窗口的作用,推進5個英文期刊走向優(yōu)質(zhì)國際學術(shù)期刊.
(3)開展學科發(fā)展戰(zhàn)略研究.圍繞學科前沿組織高級討論會和學科發(fā)展戰(zhàn)略研究,明確學科發(fā)展方向,推動學科合理布局,促進我國在高超聲速力學、稀薄氣體動力學、環(huán)境力學等若干領(lǐng)域進入世界前列.
力學會始終堅持錢學森等學會創(chuàng)辦者甘為人梯、竭力培育優(yōu)秀人才的理念,致力于發(fā)現(xiàn)、培養(yǎng)、舉薦人才,得到了力學界的充分肯定和廣泛支持.
(1)發(fā)揮同行評價優(yōu)勢發(fā)現(xiàn)舉薦優(yōu)秀人才.近年來共向國家成功推薦了12位“中國青年科技獎”獲得者、6個基金委“創(chuàng)新群體”、16位“兩院院士”、6項“國家自然科學獎、科技進步獎”項目.中國力學學會建立了自身的科技獎勵體系,是力學科技人才被同行認可的一種有效方式,目前已形成比較完備的集成就獎、成果獎、人才獎于一體的社團科技獎勵體系.
(2)通過學術(shù)交流凝聚和推動創(chuàng)新團隊建設(shè).力學學會以國家重大需求為導向,推動力學學科創(chuàng)新團隊建設(shè),在中科院、高等院校形成了各具特色的多個優(yōu)秀創(chuàng)新群體,例如,北京大學的“可壓縮湍流的機理、模式和實驗研究”群體、哈爾濱工業(yè)大學的“高超聲速飛行器復合材料的熱力耦合問題”群體.這些群體的形成和發(fā)展對我國的科技創(chuàng)新起到了越來越顯著的引領(lǐng)作用.
(3)推舉國內(nèi)專家擔任國際學術(shù)組織要職.近年有20余位我國科學家在國際力學聯(lián)合會、國際斷裂學會、國際計算力學學會、國際權(quán)威期刊等國際組織中擔任主席、副主席、主編、執(zhí)委、工作委員會主席等重要職務(wù).
在加快建設(shè)創(chuàng)新型國家的偉大征程中,科技社團肩負著光榮任務(wù)和重要使命.我們將繼承和發(fā)揚老一輩力學工作者的優(yōu)秀傳統(tǒng),不斷加快創(chuàng)新發(fā)展步伐,努力做出新的更大貢獻.
著名力學家鄭哲敏先生榮獲2012年度國家最高科學技術(shù)獎.鄭先生基于工程科學思想創(chuàng)建了爆炸力學這一力學的分支學科,引領(lǐng)了我國爆炸技術(shù)的發(fā)展.他的最重要貢獻是提出了爆炸力學的流體彈塑性理論,促進了爆炸力學的學科體系的形成;建立了爆炸力學的基本研究方法,為我國武器設(shè)計和武器效應(yīng)評價提供了理論基礎(chǔ);并開辟了爆炸成形、爆炸筑堤等一系列技術(shù)研究領(lǐng)域.
下面分7個方面扼要介紹中國力學事業(yè)近10年的重要科學進展:
近空間飛行器的發(fā)展涉及國家安全與和平利用空間,已成為21世紀國際空天技術(shù)競爭的戰(zhàn)略制高點.國家自然科學基金委員會由數(shù)理科學部牽頭,相繼啟動兩個與近空間高超聲速飛行器有關(guān)的重大研究計劃,為引導我國未來空天飛行器的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ).
(1)近空間飛行環(huán)境的空氣動力學,提出了高超聲速復雜流動新理論;發(fā)展了復雜流動的建模和數(shù)值模擬方法,建立了多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度動態(tài)氣動力、熱測試手段.
(2)先進推進理論和方法,提出了高超聲速飛行器流道設(shè)計方法,提高了推進與機體一體化設(shè)計能力,有力地支撐了我國高超聲速飛行試驗平臺的低成本研發(fā)與成功首飛.
(3)超輕質(zhì)材料/結(jié)構(gòu)及熱環(huán)境預(yù)測與防熱,揭示了超高溫防熱材料響應(yīng)機理、多種失效模式及其機制,建立了輕質(zhì)化材料和結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計和層級結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論;系統(tǒng)發(fā)展了多場耦合高溫實驗方法與在線信息獲取技術(shù);突破了超燃發(fā)動機陶瓷基復合材料體系與高導熱復合材料體系的技術(shù)方法瓶頸.
(4)智能自主控制理論和方法,提出了高超聲速飛行器精細姿態(tài)控制系統(tǒng)、多通道協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計新概念和新方法;提出在線辨識自適應(yīng)結(jié)構(gòu)濾波的主動控制律設(shè)計方法;實現(xiàn)了高超聲速熱氣動彈性顫振控制.
雖然固體力學的發(fā)展已經(jīng)科學地闡明了材料的強度和韌性,但是固體強度問題還沒有根本解決.強度與韌性都與固體材料的微細結(jié)構(gòu)密切相關(guān).從原子鍵斷裂到固體出現(xiàn)宏觀分離,尺度差異高達7個量級,這就促進了固體微細觀力學的孕育和發(fā)展.我國學者在固體微細觀力學開展了系列原創(chuàng)性工作,其主要研究進展體現(xiàn)在如下三個方面:
(1)宏微觀本構(gòu)理論及破壞力學,包括本構(gòu)不變性研究和張量表示理論、形狀記憶合金相變塑性理論、非均勻材料的均勻化方法、宏微觀斷裂、宏細微觀損傷力學等.
(2)固體的跨尺度力學理論和方法,包括考慮應(yīng)變梯度效應(yīng)的力學理論,基于模擬關(guān)系的計算力學辛理論體系和數(shù)值方法,納米結(jié)構(gòu)金屬力學行為尺度效應(yīng)的實驗觀測與模擬方法等.
(3)強度理論,建立了描述材料屈服和破壞規(guī)律的雙剪統(tǒng)一強度理論,發(fā)展了納尺度物理力學理論,研究了納微系統(tǒng)中的表面效應(yīng),為納微系統(tǒng)的相關(guān)力學設(shè)計提供了“基本設(shè)計參數(shù)”.
以大型風洞為代表的空氣動力試驗設(shè)備設(shè)施,是飛行器發(fā)展的“搖籃”,是國家重要戰(zhàn)略資源.步入新世紀,為滿足自主創(chuàng)新發(fā)展需求,大型空氣動力試驗設(shè)備設(shè)施列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要.莊逢甘院士牽頭制定了《2008—2020年國家大型空氣動力試驗設(shè)備設(shè)施平臺建設(shè)規(guī)劃》.在該規(guī)劃的指引下,一批具有世界先進水平的大型風洞相繼建成,為新一代航空航天飛行器研制提供了重要支撐.
(1)國家“十一五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目大型結(jié)冰風洞和聲學風洞的建成,標志著我國具備了自主開展飛機結(jié)冰與防冰除冰、氣動噪聲控制等問題的研究和工程應(yīng)用能力;新建的低速增壓風洞使試驗雷諾數(shù)提高到107量級,接近真實飛行雷諾數(shù).
(2)JF-12激波風洞采用獨創(chuàng)的反向爆轟驅(qū)動方法,在國際上首次復現(xiàn)了馬赫數(shù)5至9的高超飛行條件,獲美國AIAA地面試驗獎;Φ2米高超聲速風洞和Φ1米高超聲速低密度風洞,發(fā)展了誘導湍流增強換熱、邊界層增長抑制理論和方法,突破大流量加熱器、低密度高馬赫數(shù)噴管關(guān)鍵技術(shù),使我國形成了近空間全空域?qū)捤儆蚋叱曀倏諝鈩恿υ囼炑芯磕芰Γ?0兆瓦電弧風洞攻克了自動啟弧、高溫高壓應(yīng)力變形控制等多項技術(shù)難題,具備了大尺寸部件高焓高壓熱環(huán)境長時間模擬考核試驗?zāi)芰?
(3)建成以Φ2.4米脈沖燃燒風洞和LF自由射流系統(tǒng)為代表的推進試驗設(shè)備,滿足了大尺寸吸氣式發(fā)動機和機體/推進一體化試驗需求,為我國吸氣式高超聲速飛行器提供了不可或缺的試驗研究平臺.
材料與結(jié)構(gòu)的多功能化和復合化是當今科學技術(shù)的發(fā)展趨勢之一.實際材料與結(jié)構(gòu)的服役表現(xiàn)和安全性評估必須建立在多場耦合作用下多功能材料的本構(gòu)關(guān)系和破壞行為的研究基礎(chǔ)上.近年來,我國學者在多場耦合力學方面開展了系列的原創(chuàng)性工作:
(1)力電磁耦合理論,建立了電磁材料結(jié)構(gòu)多場耦合非線性力學理論,在電磁固體的電致/磁致變形與斷裂研究方面獲得了具有原創(chuàng)性的成果;在壓電材料的斷裂、壓電和電磁機敏材料的力學研究方面取得重要進展.
(2)多功能復合材料與結(jié)構(gòu)力學,揭示了超高溫條件下復合材料的熱致?lián)p傷機理和失效行為,以及形狀記憶和電致活性聚合物復合材料的主動變形機理與力學行為.
(3)功能材料與結(jié)構(gòu)熱--力學理論及方法,建立了功能梯度結(jié)構(gòu)的熱--力變形理論,智能材料的電彈性與斷裂理論,壓電層狀介質(zhì)中的彈性波理論,針對皮膚這類生物材料發(fā)展了的熱--力--電多場耦合行為理論.
經(jīng)典的湍流理論曾一度認為湍流脈動是一種完全不規(guī)則的隨機運動,而近年隨著高精度實驗測量和數(shù)值模擬技術(shù)的進步,研究發(fā)現(xiàn)湍流擁有極其復雜的多尺度擬序結(jié)構(gòu).這些湍流結(jié)構(gòu)對工程應(yīng)用中的力、熱、聲輸運過程可起到主導作用.我國學者在湍流多尺度結(jié)構(gòu)方向開展了系列原創(chuàng)性工作:
(1)發(fā)展了基于物理約束的大渦模擬模型,并應(yīng)用于大飛機等氣動設(shè)計.
(2)基于時空關(guān)聯(lián)統(tǒng)計模型,提出了時間精準的大渦模擬方法.
(3)在壁湍流轉(zhuǎn)捩中發(fā)現(xiàn)了三維非線性波結(jié)構(gòu)、二次渦環(huán)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和相關(guān)動力學過程,并發(fā)展了一系列近壁流動測量方法及基于拉格朗日的跟蹤湍流結(jié)構(gòu)生成方法.
(4)揭示了熱對流系統(tǒng)中的熱羽流和大尺度環(huán)流結(jié)構(gòu)的起源、演化幾何和統(tǒng)計特性、及對傳熱效率的影響.
這些成果以2012年世界力學家大會開幕式報告的形式予以專門報道.
結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化一直是工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域最受矚目的研究方向.我國學者在結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化基本理論問題研究中做出了重大貢獻.近年來所創(chuàng)立的材料/結(jié)構(gòu)一體優(yōu)化設(shè)計、層級結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、多功能協(xié)同設(shè)計以及整體布局優(yōu)化設(shè)計理論與方法、基于顯式幾何描述的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)新框架等均產(chǎn)生了較大的學術(shù)影響.近十年來,我國學者還面向國家重大需求,主動將拓撲優(yōu)化的理論與方法應(yīng)用于“長征5號”運載火箭、新型艦載機等重要裝備研制,為保障裝備運載能力、實現(xiàn)輕量化等做出了突出貢獻.
我國學者還發(fā)明了三維輕質(zhì)點陣復合材料結(jié)構(gòu)纖維束穿插編織方法和二次鋪層工藝,該工藝解決了面板和芯層間界面強度低的難題并已成功應(yīng)用于新一代運載火箭、亞軌道重復使用運載器研制.
我國高速鐵路取得了舉世矚目的成就,成為國家的一張靚麗名片,其中飽含著力學的研究成果與重大貢獻.
列車速度日益提高,導致機車車輛與線橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的動力相互作用不斷加劇,高速列車運行安全性與乘車舒適性成為高鐵設(shè)計與運營中必須解決的重大問題.我國學者針對這一國家重大需求,運用動力學理論開展跨學科創(chuàng)新研究,在國內(nèi)外率先創(chuàng)建了車輛-軌道耦合動力學理論體系,建立了高速列車-軌道-橋梁動力相互作用理論,開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型工程動力學仿真系統(tǒng)與安全評估技術(shù),為中國鐵路提速及高速鐵路動態(tài)安全設(shè)計提供了先進理論方法和關(guān)鍵技術(shù)支撐.該理論與技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國時速160~250km提速鐵路及時速200~350km高速鐵路重大工程,特別是各種典型復雜結(jié)構(gòu)橋梁的動力分析、設(shè)計優(yōu)化與安全評估,支撐了我國高鐵的快速發(fā)展.
力學是關(guān)于力、運動、變形及其關(guān)系的科學.力學研究介質(zhì)運動、變形、流動的宏微觀行為,揭示力學過程及其與物理、化學、生物學等過程的相互作用規(guī)律.現(xiàn)代科技、經(jīng)濟和社會發(fā)展對力學提出了一系列挑戰(zhàn)性問題,致使力學學科的發(fā)展呈現(xiàn)出如下態(tài)勢:(1)更加重視宏觀與微觀相結(jié)合;(2)更加重視超常環(huán)境與復雜系統(tǒng);(3)更加重視高性能計算手段;(4)更加重視先進實驗技術(shù);(5)更加重視學科交叉與融合.
基于以上的發(fā)展態(tài)勢,力學學科呈現(xiàn)出如下發(fā)展規(guī)律:
(1)“應(yīng)用性與基礎(chǔ)–雙力驅(qū)動”.當代力學強國要在力學的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究上同時發(fā)力,謀求實現(xiàn)兩者的良性互動.
(2)不斷提升模型的描述和預(yù)測能力.力學是一門基于模型進行定量研究的學科,當代力學強國都重視提出新模型、新計算方法和新測試技術(shù),并在開發(fā)新軟件、新儀器上占據(jù)顯著優(yōu)勢.
(3)積極謀求與其他學科進行交叉創(chuàng)新.力學現(xiàn)象的普遍性和力學研究方法的普適性,提供了力學與其他學科產(chǎn)生交叉的前提.當代力學強國不僅重視傳統(tǒng)力學交叉學科領(lǐng)域,而且投入更大的精力發(fā)展與新興學科相關(guān)的力學問題.
我國力學學科是伴隨新中國成長而成長,伴隨國家的經(jīng)濟和國防建設(shè)發(fā)展而發(fā)展的.近十幾年來,我國力學學科發(fā)展迅速,形成了完整的學科體系,在力學學科的權(quán)威國際組織——國際理論與應(yīng)用力學聯(lián)合會(IUTAM)的理事人數(shù)位已與美國平齊.我們已經(jīng)踏上了從力學的國際大國走向國際強國的征程.
目前,我國力學學科擁有國際上最具規(guī)模和廣泛性的研究隊伍.中國力學學會現(xiàn)有會員 2萬余人,國家自然科學基金委數(shù)理學部力學科學處統(tǒng)計顯示,我國力學研究的基層單位為652個,積極參與力學基礎(chǔ)研究的隊伍在7340人以上.而根據(jù)我國2016年第四輪學科評估的有關(guān)數(shù)據(jù),達到一定規(guī)模、參與評估的力學基層單位為81個,專職科研人員數(shù)為 3600多人 (約占全國 50%),在校研究生約11000人.近五年,在高層次人才隊伍方面,我國力學學科的優(yōu)秀人才成長迅速.其中,共4人當選為中國科學院院士,10人入選長江學者特聘教授,31人入選國家杰出青年科學基金,32人入選國家優(yōu)秀青年科學基金.在海外人才引進方面,“千人計劃”和“青年千人計劃”入選者分別達到27和29人,為提升我國力學學科隊伍的研究水平起到重要作用.
“十三五”期間力學學科規(guī)劃戰(zhàn)略的發(fā)展目標是,爭取使我國力學學科的綜合實力進入世界前四強,部分二級學科的綜合實力進入世界前兩強.具體體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)瞄準世界科技發(fā)展前沿,保持基礎(chǔ)研究的優(yōu)勢和特色,繼續(xù)鼓勵原創(chuàng)性及引發(fā)力學理論體系創(chuàng)新的自由探索研究,注重學科交叉和新生長點.在某些方向爭取形成具有國際引領(lǐng)性的研究方向,獲得具有里程碑意義的研究成果.
(2)瞄準國家重大需求領(lǐng)域中的新概念、新理論、新方法和新技術(shù)研究,提出新模型、新算法和新實驗方法,在發(fā)展新軟件、新儀器上占據(jù)優(yōu)勢,形成對國家重大需求的重要支撐能力.
(3)著力培養(yǎng)高級力學人才、特別是在國際上有影響力的科學家和研究團隊.到2020年,爭取產(chǎn)生20名左右具有國際影響力的力學家,形成6個左右在國際上有吸引力的力學研究中心.
具體實現(xiàn)途徑:(1)深刻洞察國際力學研究前沿的變化、我國力學學科的現(xiàn)狀及面臨的使命,明確主攻方向;(2)營造寧靜致遠、潛心治學的學術(shù)氛圍,使杰出青年力學家脫穎而出;(3)加強大規(guī)??茖W計算和高水平實驗條件建設(shè),為原始創(chuàng)新提供必要條件;(4)進一步改善評審和管理機制,改善學術(shù)評價體系,使優(yōu)勢學科更強、薄弱學科得到較大提升、學科交叉與融合更加深入.
一個甲子的時間,在人類發(fā)展史上僅是短暫的一瞬,但在中國力學史上,卻是可歌可頌的60年.在中國力學學會成立的60年間,我國的力學工作者已經(jīng)成為全世界力學領(lǐng)域最大的一支隊伍,中國已經(jīng)是力學大國.我們的下一個目標是在中國力學學會成立80周年之際,中國成為力學強國.為了實現(xiàn)這一力學夢,中國力學學會要帶領(lǐng)全國力學工作者努力做到:
(1)力學成果服務(wù)于國民經(jīng)濟和工程.力學學科橫跨理工、體系完善.希望力學研究的成果能夠為各種工程服務(wù).希望在我國的建設(shè)中到處都能顯現(xiàn)出力學工作者的身影.
(2)力學發(fā)展成為培育領(lǐng)軍人才的平臺.力學在諸多技術(shù)科學的發(fā)展中往往起到抓總的作用.我們祝愿更多的力學工作者成為領(lǐng)軍人才.中國力學學會要成為力學工作者之家,為年輕人才提供一個成長和發(fā)展的平臺.
(3)將力學的思想注入國家的思想庫和智庫.力學應(yīng)該思想在前,希望力學的思想為國家的思想庫和智庫服務(wù).讓力學的思想來指導國家科學技術(shù)和工程政策的制訂.
本文于 2017–08–24 收到.
楊衛(wèi).中國力學60年.力學學報,2017,49(5):973-977
Yang Wei.60 years of mechanics in China.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(5):973-977
致謝感謝北京大學工學院段慧玲教授.本文部分內(nèi)容引自“國家自然科學基金‘十三五’規(guī)劃力學學科戰(zhàn)略研究報告”,“中國力學學會——全國科技創(chuàng)新大會書面發(fā)言”等資料,在此表示感謝.
10.6052/0459-1879-17-287