固体力学学科研究的发展趋势

2016-06-27 声振之家

导读：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。因此探讨固体力学的发展趋势可以从应用研究和学科研究两个角度进行。本文讨论固体力学学科研究的发展趋势。

自然科学和工程技术的跨世纪发展将拓广固体力学的学科前沿。研究的对象从均匀介质拓广为非均匀介质，从单相的介质拓广为多相的介质。研究环境从简单的环境拓广为伴随着热、电磁与化学（例如相变）作用的环境。研究的层次从宏观深入到细观与微观，并实现宏、细、微观的结合，由此造成细观力学的发展。与层次细化相呼应的另一发展趋势是空间尺度与时间尺度的粗化，探讨地球和地壳板块的运动和断裂，进行星际撞击的破损评估。

固体力学的研究过程已从古典固体力学所涉及的强度条件，延伸到固体连续变形至宏观裂纹扩展的破坏过程；再进一步深化为研究固体由变形、损伤的萌生和演化，直至出现宏观裂纹，再由裂纹扩展至破坏的全过程。研究不仅限于当前状态，而追溯到材料形成、构件与结构的制造工艺的历史过程。

研究的目标不仅针对已有材料，还要按一定的力学性能或特种功能的要求从不同的尺度上设计材料。上述研究内容的拓广，使当今固体力学远远超出古典线性固体力学的范畴，而具有高度非线性特征。固体力学的发展必须吸收非线性科学的成就，同时推动非线性科学的发展。

为了实现固体力学对研究对象、环境、层次、过程、历史和目标的拓广，力学家们应借助于计算机和计算力学的发展，借助于近代物理学提供的从宏观到细、微观尺度的新型实验力学手段。

在对力学发展的总体认识下，固体力学在世纪之交将体现以下趋势：

1. 以非线性力学为核心领域的力学与数学的结合

这一结合引入近代数学的定性理论和非线性科学的成就，使力学研究的思想观念和分析方法上升到一个新的高度。这些非线性科学的工具包括非线性动力学的方法和概念，如分岔、混沌、孤立子、分形几何；也包括非平衡统计理论，如粗视化（重整化群）方法和渐近相似理论。图案动力学（pattern dynamics）方法，宏微观群体演化的逾渗过程也将成为固体力学理论、实验和数值模拟的重要方向。

2. 以宏、细、微观力学为核心的力学与物理科学的结合

这一结合将力学引入细微观世界，使力学研究的层次和精确性深入到一个新的水平。进入90年代以来，国际固体力学界在学科进展方向上取得了四项重要成就：

① 哈佛大学赖斯教授所领导的研究组提出了裂尖位错形核的皮尔斯（R.E. Peierls）框架。赖斯等在原子内聚力思想下研究了非完整位错自裂尖的逐步形成过程，摒弃了不准确的位错芯概念。该研究提出了一个位错形核特征量: 不稳定性堆垛能，其重要性相当于格里菲思为描述脆性过程在1920年提出的断裂表面能。美国ONR评价这项研究是近十年来这一领域内最重大的研究发现。以该研究为契机，一批固体力学家的研究开始进入传统的固体物理领域。

② 美国布朗大学金（K.S. Kim）教授所领导的纳观力学实验室实现了力学量测技术的重大突破：借助于具有原子分辨率的电镜和量测数据的量子场论修饰技术，首次实现了具有原子尺度分辨率的力学场测量，使实验力学测试的空间分辨率从原先的微米量级跃进至纳米量级。在实验中测得的位错变形场结构推翻了原有的位错芯模型。

③ 原子镶嵌模型（EAM）逐渐成熟。美国桑地亚国家实验室在巴思克斯（M. Baskes）教授领导下的研究组已对元素周期表上的常用元素（42种）测出了EAM所需的物理参数。该项研究为原子多体势理论的应用提供了一个可操作的方案。在该套数据下，固体的本构和破坏过程描述将在原子层次上初步得到封闭。

④ 大规模位错计算得到实施，计算规模为几千根三维位错的演化过程。大规模位错计算初步支持了变形诱导位错花样的理论。

发展空间分辨率在微米或亚微米尺度的实验力学量测方法是开展细微观力学研究的关键之一。对金属和合金的显微变形与破坏特征、两相或多相复合材料的界面力学行为、纳米颗粒掺杂的陶瓷材料的增韧机理，薄膜和多层介质膜的微纳结构的力学行为等，都需要微米或亚微米级的观测。将扫描电镜与现代光测方法中的云纹干涉技术、网格法、广义散斑法相结合，并配合图像处理，可获得大量的细微观变形信息。

固体力学理论与热学、电磁学等作用环境的进一步结合将拓宽固体力学的领域；并将深化对非平衡热力学和非均匀群体布朗运动规律的统计；深化对磁致应变、电致应变、畴壁结构、应变容纳问题的认识。预计经过一个较长的发展阶段，固体力学将与液体力学一起进入生命科学的领域。力学家将与生命科学家、物理学家和化学家一起模拟生命的发生、繁衍、进化、损伤、老化等过程，探究生命信息的传递，定量地展示仿生医疗器械的力学功能与控制。

3. 岩土力学

由于岩石结构及环境因素极为复杂，岩土力学的研究将不断丰富力学学科的内容，目前较活跃的研究前缘包括：

① 岩石非线性本构理论与流变。包括非线性体积变化、非关联塑性与粘性流动、应变软化、各向异性、拉压异性、主应力旋转影响、加卸载路径依赖性和围压效应等本构行为的研究。此外，由微裂纹成核、扩展以及宏观裂纹的出现而导致的破坏与失稳全过程的非线性本构描述；非局部理论、微极理论以及高应变梯度等本构理论都是重要的研究方面。应在细观流变力学研究和宏观流变实验基础上，建立流变理论模型。对岩体长期强度研究和预测还须考虑到岩石裂纹表面的形态、岩石节理充填物性质、应力解除以及水渗透等环境因素的影响。需要研究如何识别系统发生突变的前兆信息的方法和测量手段。

② 细观岩石力学与分形。包括建立基于分形的岩石内部结构状态的定量方法，确定可测量的能描述岩石组构的微结构参数，进行结构演化的细观力学分析，提炼岩石损伤演化与岩石宏观变形和破坏之间的力学关系，认识岩石不规则裂纹尖端的应力场奇异性以及裂纹的分形性质，考虑与孔隙水、温度等环境因素有关的岩石裂纹扩展问题等等。发展非连续岩体力学、非均匀岩体力学，其内容包括节理岩体的地质描述、节理面力学性质研究、块体静态与动态力学分析等。

③ 岩石工程失稳的分岔和混沌研究。利用岩石非线性本构理论，进行岩石剪切带局部化与岩石失稳过程的有限元数值模拟。引进非线性科学研究的原理与方法，研究岩土工程失稳过程的分岔和混沌特征。

④ 流固耦合岩土力学与渗流。包括考虑固体矿物颗粒、水和气三相相互作用，岩石孔裂隙网络几何形状和裂隙表面粗糙度对渗流的影响，固流两相介质应力-变形和流动耦合分析，煤与岩体应力-气（液）渗流耦合分析，岩体中应力-热-气（液）体流动及化学材料渗流耦合分析，岩体内的二相流动等。

4. 实验固体力学

在固体力学的跨学科发展中，力学工作者往往先通过固体力学实验获得一些新发现；提出一些新概念，以孕育新理论的形成。因此，实验力学量测能力的进一步扩展是跨世纪期间的重要发展态势。力学家们将得到具有原子清晰度的变形、应变场图像，将具有单原子操作和加工能力；将与空间技术配合量测大地构造的变形（如地震前兆应变监测、格陵兰巨冰断裂韧性试验），并模拟和监控巨观结构（如青藏高原）的塑性蠕变演化行为；借助于电磁炮冲击（弹头速度超过10km/s）将可实现局部的超高应变率加载，在轻气炮冲击下实现跨音速分层断裂，将设计出多种具有三维高速加载能力的实验设备。

实验固体力学工作者必须从事测试技术的研究与相关仪器的研制，关注各个学科领域的进展，要借助于各种高新技术、敏感元器件的新成果、控制技术、图像和软件等方面的新成果，把力学仪器提高到一个新水平。

测试技术按学科分类，可以大致表述为以下几个方面：

① 声光技术。由于声波可穿透各种材料，所以是对内部测试的有力工具。声发射、声弹性、声全息、声散斑、声频谱分析、声显微镜、精密声速、光声光热技术等等，都可以在一定条件下获得内部的信息，有些空间分辨率也可达到光波波长的量级，对于监控也非常有用。

② 光学技术。特点是非接触式的方法，有众多的技术。如全息干涉、散斑干涉、云纹和云纹干涉、焦散法、网格法、衍射法等等，配合图像处理可以用于了解损伤到破坏的过程。激光是最重要的光源，白光也常被使用，同步辐射光是非常有用的新光源，全息技术和层析技术都是获取内部信息的有效方法。

③ 电学技术。这是应用最广的技术，也有利于实现长期监测。目前声、光、磁学方法的检测，大都通过自动记录或图像处理手段来显示和处理，也可以说是与电学技术相配合。毫米波技术在无线电领域已经成熟，应用到实验力学，也是一种高分辨率测试内部的手段。

④ 磁学技术。铁磁材料是工程中被广泛使用的材料。应用磁学方法，研究钢材细观的和宏观的现象是很有效的，如巴克豪生效应、磁致伸缩以及磁致伸缩的逆效应、漏磁通和磁声发射。

⑤ 计算机技术。包括动态实验图像处理和分析，多媒体实验力学技术，计算-实验力学等。

因为仪器的研究既是基础又是学科发展的技术支撑，所以实验力学工作者还必须肩负高新仪器研究的任务。

5. 计算固体力学

长期以来，力学的发展以实验与理论分析为支柱。宏观力学的经典理论体系早已建立，然而其方程的分析求解却远未解决。力学的数值分析计算在过去成了通向工程应用的一道瓶颈。当今计算机的功能发展很快，从根本上改善了固体力学的计算能力，材料的本构与破坏也有了更为深刻的描述，多层次计算技术、并行计算技术和智能性计算环境已经成为可能，计算固体力学已成为带动固体力学发展的分支学科。

计算固体力学中的重要研究领域有：

① 计算固体力学的数值方法。算法是计算固体力学研究的重点，将不断地提出新的高效算法，在未来10年内的发展趋势为：

（a）非线性问题将是算法研究的集中点。

（b）并行算法和技术将有很大发展。

（c）计算力学软件向更大规模、更完善化发展，着力改善人机界面，采用图形化，可视化的前后处理，采用多媒体手段等。

在这一研究趋势下，计算固体力学算法研究的若干重要问题可列举如下：

（a）计算细观力学。为深入研究材料的本构和破坏行为，提出了多种细观的离散模型，例如分子动力学模拟、缺陷和裂纹的损伤演化模拟等。

（b）解析法与数值法的结合。采用数值法并不排斥解析法，巧妙地采用解析法可能带来有价值的结果。边界元法就是这种结合的产物。对于旋转体或多种对称的结构可用群论方法求解。这类有效算法应当集成到通用有限元程序中。

（c）哈密顿体系。弹性力学基本体系的解析求解方法历来在一类变量的范围之内进行的，或者是力法，或者是位移法。从数学体系来看，一类变量属拉格朗日体系的方法，长期以来多采用半逆解法求解。然而，如果将方程导向哈密顿体系，则完全可以用直接法找出这些解答。对于结构动力学，有陀螺项的系统。波的传播问题等，可以将方程导向哈密顿体系，用辛数学方法求解。

（d）并行算法。为适应计算大型问题的需要，并行计算在国际上的呼声日高。在发展我国新一代并行计算机技术装备的同时，研究重点应放在针对典型问题研究和设计快速有效的并行算法及与之配套的专用的并行计算机。

② 计算力学软件。国产软件问题应特别予以强调。计算决不是仅仅为验证理论而服务，而是要提供应用于工程的手段。重要工程都是综合性的，因此必然要求大规模的计算固体力学程序系统、集成系统。我国必须发展自己的大规模结构分析程序系统。

计算模型的妥当选择是计算力学软件成功的关键问题。一个优秀的计算力学软件中一定要涵盖足够丰富的计算模型。要开展计算力学专家与特定工程领域或结构力学专家的合作，建立可以部分代替人类专家的有限元模型化咨询系统，延伸现有的前、后处理器使它智能化。

CAD、CAM、CAE及CAI，是计算力学程序系统与工程及计算机科学的交叉点上生长出来的。它紧密地连接计算力学程序系统，并且在工程中显示出强大生命力，必须予以足够的重视。

计算软件的研究还应当包括理论公式的机器推导与机器证明，以及计算结果的可视化技术等。

③ 非线性计算。系统优化、结构优化、参数识别、结构控制、动力控制以至人工智能、专家系统的提出与发展，提出了一类新的非线性计算问题。问题的非线性性质体现在设计参数、控制参数及其历史进程方面。小参数展开的近似方法、牛顿法、修正牛顿法、规划论等多种方法，给这一大类非线性力学问题的求解提供了有力手段。

求解各类大变形固体力学问题是当今数值计算的一个重要发展方向，它们涉及到材料粘塑性、流变、热传导与相变等效应，需要发展相应的有效算法。

④ 计算结构力学。计算结构力学以计算机为手段研究结构力学中的结构分析和结构综合问题。结构分析指在一定外界因素作用下分析结构的响应，包括应力、变形、频率、极限承载能力等。结构综合指在一定约束条件下，综合各种因素进行结构优化设计，例如寻求最经济、最轻或刚度最大的设计方案。

结构动力学问题（如抗震动力分析与控制）是不能松懈的课题。时程积分是结构动力学的基本问题。对于结构在冲击荷载、突加荷载、控制力、热冲击、传质传热等过程中的响应都要进行时程积分的计算。当前熟知的Newmark法、Wilson-θ法、中央差分法等差分类的算法，易于带入误差，应发展高精细程度的积分类算法。

结构在冲击作用下的大变形与破坏，其中包括高应变率下的响应，以及在动力荷载作用下发生的稳定性分岔均需要发展数值方法及软件。

对于周期性载荷作用下的结构，频率较高的振动在很大程度上形成波的传播与散射。微小的不均匀可以引起局部化振动，造成严重后果。该问题与哈密顿体系相衔接，有许多理论与计算方面的问题需要深入探讨。此外，流固耦合的振动及响应计算也是具有多方面工程应用前景的课题。

结构的主动控制是大型结构抗风、抗震的发展趋势。应当认真研究数据采集，参数识别，控制反作用（actuate）的全套过程，用算法与程序系统贯通起来。

应用中不可避免地要处理不确定的因素，例如制造误差与环境因素等。随机振动在工程中有广泛的应用，目前对于平衡或非平稳，多点同相位或异相位激励的快速计算方面都已取得突破性进展。应当大力提倡这方面的应用研究。

⑤ 结构优化。结构优化是应用中的重大课题。近年来已从结构尺寸优化发展到结构形状和拓扑的优化。与优化相关联的反问题是许多应用课题中的基础，应大力予以研究。在优化与反问题中，可应用序列线性规划与序列二次规划法。

结构优化分析反过来对于力学基础理论也作出了重要推动。在板的优化研究深入之际，已发现传统的连续体并不是最优的，真实的优化解应当是由无限密肋组成的板结构形式。这个结构影响深远，由此启发出微结构材料设计这一尖端领域。一般的结构优化问题中未知量是连续变化的，而拓扑优化则是离散的，而且改变着区域的拓扑性质，所以拓扑优化的非线性性质更高出一个层次；至于设计方案、总体布局等问题，甚至都无法找到恰当的数学模型来进行表达，这一类非线性只能用人工智能、专家系统的手段来处理。

6. 流固耦合问题

工程结构往往工作和运行在各种流体介质之中，从而在工程中形成各种流固耦合问题。流固耦合可造成灾难性的破坏事故：如输油管道由于流油激励诱发振动而造成管道断裂；反应堆中吊篮和冷却液相互作用在失水事故中会降低堆芯的安全性；石油海洋平台与波浪或流冰、船舰与波浪相互作用的重要性是显而易见的；周围水中爆炸冲击波与水面舰只或潜水艇的破坏作用半径是海军舰群防御的重要数据在水利工程中水坝、坝内间隙与水波的相互作用，在水电工程中水轮发电机叶片与水流的相互作用都是典型的流固耦合课题；航空工程中机翼的颤振、油箱内燃油的晃动都由流固耦合产生；在航天工程中液体火箭飞行的运动稳定性问题、高层建筑在风载下的变形、在地震激励下的储油罐破坏问题都涉及到复杂的流固耦合现象。

流固耦合的特点在于固体变形不仅取决于运动流体所给予的载荷，而且又反过来影响流体的运动，从而又改变了作用于固体表面的载荷。如果流体是液体，那么流体内部还可能发生空化现象。这类流固耦合问题需要对流体运动和固体运动的方程联立求解。

近年来，流固耦合研究发展的三个标志为：

（1）由线性流固耦合问题发展到非线性流固耦合问题；

（2）由固体结构的变形和强度问题发展到固体的屈曲问题；

（3）计算格式从单纯的固体有限元格式或流体的差分格式到混合或兼容的流固格式。

现已能在固体和结构中考虑材料非线性和几何非线性；在流体中也开始考虑有粘性和空化等效应的流体模型，从而得以模拟出晃动、空化、飞溅等流固耦合行为。在流体激发振动中也已经开始考虑复杂的结构阵列和流体流动。

本文摘录自由郑哲敏院士领衔的多名院士起草的《自然科学学科发展之战略研究报告》。

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