固体力学有哪些值得研究的领域？

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　　编者按：近日小编整理发布了《自然科学学科发展之战略研究报告》中关于固体力学方面的研究现状和发展趋势(详见文后关联阅读)，今天我们再来分享一下报告中给出的固体力学方面建议的着重研究的领域。

　　1. 材料的宏细微观本构理论与破坏过程

       材料本构理论是固体力学的核心，是一切固体力学分析计算的基础。与流体力学中的湍流问题相类似，材料在外载作用下经变形、损伤到失稳或破坏过程是固体力学家自伽利略时代以来一直为之奋斗而尚未克服的难题。

　　该研究领域的主要难点在于破坏过程的跨学科性、多层次性和状态方程不清。宏、细、微观的结合为这项研究注入了新的生机。在某一细微观层次可初步封闭固体的状态方程，如利用原子结合力曲线的物理数据来封闭状态方程。在这一跨层次研究的认识下，固体力学家充分运用现代实验与计算技术的手段和近代数学的成就，将有希望解决这一难题。

　　首先，要针对不同材料及不同的加载条件和环境，发展相应的实验和测试的装置和手段，包括纳观和细观实验力学技术，在目标明确的实验观测中发现新现象和探索新规律; 同时在理论上，发展非线性宏微观力学和分子固体力学等新分支学科领域;需要发展原子/连续介质的嵌套算法和细微观统计数值计算技术; 还需要考虑辐射、磁场等因素作用的情况。

　　2. 制造工艺中的力学问题

       在激光加工、金属连铸连轧、复合材料成型及多层微结构的封装等工艺中，需要考虑热、光、电、相变、固-流耦合变形等多种效应的变化和耦合，特别是对于将带来全球技术革命的微电子-微机械-微力学工程中微结构、微器件的封装和制作来说，更需要研究加工过程中及制成品的细观力学及智能行为，进行可靠性分析，才能设计出满意的制造工艺和技术。当然，传统的机械加工工艺中同样需要进行类似的研究。

　　材料与零件的表面处理，对改善其摩擦、磨损、防腐与疲劳性能有密切关系，而且对接触电阻也有重要影响。力学工作者可以在表面粗糙度、弹塑性接触问题、多层复合结构等方面，做出有价值的贡献。在有润滑液的情况下，还需考虑流体力学因素。

　　3. 岩土类材料的破坏与地质灾害的防治

       岩土类材料多为具有群体不连续性的介质，其典型例子包括岩体介质、矿床介质、散体和混凝土。这些介质中由于缺陷、裂纹和裂隙的演化和串接，特别是伴随有水的渗流以及有地应力作用的情况下产生多种严重的地质灾害，如矿井崩塌、边坡失稳、地震发生、泥石流等等。这些现象所造成的灾害占全球尤其是我国国民经济损失的相当大的部分，如何认识其科学规律而进行安全防治对国计民生有重要影响。

　　这类灾害力学问题在科学问题上均可提炼成为具有群体缺陷、裂纹和裂隙的不连续介质、非均匀体的力学演化过程。研究的重点应放在现场观测和实验室模拟方面。研究的目的是为了识别灾害前的宏观可观测征兆，并为安全防范提供量测手段、理论基础与应用基础。

　　4. 结构的分析、优化、稳定性研究和安全评估

       根据先进结构及重大工程要求，综合利用固体力学的基础理论和数据资料，探讨计算方法和数值仿真技术，分析和设计安全经济而优化的选材方案和结构形式，研究无损检测的理论和技术，并对老龄结构和工程(如飞机、建筑、桥梁、压力容器)的安全性提供评估和监测方法及规程，这里还包括基于检测到的信号进行反问题的分析。

　　结构稳定性的研究不仅要考虑平衡稳定性，而且要考虑动力稳定性。尤其对于受到冲击载荷或随时间变化的载荷作用下的系统，必须考虑惯性和应力波的效应。要借助非线性动力系统研究中关于Hopf分岔现象及奇异性分类的突变理论方面的进展，并且发展数值方法在多重奇点、多重分支的确定及再分岔的分支追踪等方面进行探讨。

　　5. 复合材料细观力学和性能控制

       复合材料具有丰富的细观结构组合方式，对其细观力学的研究是当前复合材料力学研究的主要发展方向。研究内容包括界相力学、编织复合材料的细观力学建模、混凝土材料力学、灵敏复合材料力学，复合材料在拉伸、压缩、剪切、冲击、疲劳加载下的损伤演化过程，等等。

　　新一代结构复合材料采用结构承载层与敏感元件混排的方式，并利用敏感层的输出信号来监测复合材料的整体完整性。这为复合材料的力学计算及材料的优化设计提供了新的研究内容。

　　6. 流体-固体的非线性强耦合问题

       考虑完全非线性的流固强耦合问题。在固体中考虑材料非线性与材料破坏，考虑大变形引起的几何非线性问题以及屈曲现象等。在流体中采用纳维-斯托克斯方程，考虑流体的分层、旋涡、晃动、空化、飞溅的复杂流动行为。在界面描述上需要融合欧拉坐标与拉格朗日坐标，在计算格式上力图兼顾有限元和差分法在处理流体运动和固体变形中的特长。发展真实、高效、高精度的流固界面模型。在流体激发振动问题上考虑复杂的结构阵列的复杂流体流动。发展可应用于典型工程流固耦合问题的分析软件。岩土是一类具有复杂裂纹和孔隙分布且有液、气占据裂隙的材料，其骨架的变形、破坏和裂隙中的流动是一类特殊的流、固耦合问题。

　　7. 冲击动力学

       弹性波在层状介质中的折射和反射以及在含孔洞或裂隙介质中的衍射现象在地球物理勘探、无损检测及结构抗震和抗冲击等方面起着重要的作用，当物体受到冲击载荷的作用，因材料及载荷强度的不同，除了弹性波外还可能发生粘弹性波、弹塑性波、粘弹塑性波和间断波等，需要研究这些波的传播以及引起的损伤、破坏或其他效应。

　　近年来许多工程领域提出了结构在冲击载荷作用下的动力响应和破坏的问题，叫做“结构的耐撞性”(structural crashworthiness)。轻工业产品及农产品的包装运输是工业中损失严重的部分，实际上也属于这方面的问题。需要发展描述冲击变形和失效的力学模型和计算方法及软件，建立满足工程要求的结构耐撞性准则，并需要开发和设计各类耐撞材料和结构。

　　这里的一个基本问题属于材料的动态本构关系和破坏准则。需要发展各类冲击实验装置、高速摄影和超声技术以及具有高的时、空分辨率的测量应力和温度的探头;同时在理论上采用宏、细观结合的方法研究损伤的演化，从而提供实用的本构关系。

　　8. 摩擦和磨损

       所有的运动机械部件普遍存在摩擦和磨损问题，材料的表面处理也和摩擦、磨损相关。它涉及很多基本的力学现象，包括：考虑弹塑性变形的接触问题、材料的疲劳、微细裂缝的失稳发展，碎末的形成和碎末垫层的缓冲作用、热塑性和相变效应等;在有润滑流体的情形是流固耦合的问题，而在高速运动的情况则有局部的冲击力学问题等。

　　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》。