中国力学事业50 年.doc

中国力学事业50年庄逢甘(中国航天科技集团公司，北京 100830)中国力学学会走过50个春秋，50年的成长与辉煌！50年的拼搏与奉献！是中国力学创业、奋斗和发展历程的真实写照！时值中国力学学会成立50周年之际，我们聚会一堂，共同庆贺。在这里我将对中国力学的发展谈谈自己的一些认识和想法，与大家共同回顾中国力学事业的创建过程和近10年的重大成就，共同展望中国力学未来的发展。1 中国力学事业的创建力学在中国的传播和发展远非50年所能概括。早在20世纪初，随着中国民族工业的较大发展，对力学知识的需求逐步增加。30年代，商务印书馆出版了郑太朴翻译的自然哲学的数学原理，徐骥著的应用力学，陆志鸿著的材料强度学。在这一时期，一批学者先后留学归国并开设力学课程，如北京大学的夏元瑮、清华大学的周培源、北洋大学的张国藩、唐山铁道学院的罗忠忱等，在国内开始系统地讲授相对论、理论力学、流体力学、工程力学等课程，并相应开展了一些力学的理论与应用方面的研究。这些力学活动为中国力学的早期发展是做出贡献的。但是，力学真正成为一门学科在中国快速蓬勃发展是新中国成立以后的事情。新中国成立伊始，百废待兴，建立独立民族工业体系的国家战略发展需求急需力学人才和专门机构。1952年，周培源在北京大学创办了中国第一个力学专业，1953年，钱伟长首先在中国科学院数学研究所创建力学研究室。1955年10月，钱学森回国，与钱伟长合作，在1956年1月5日成立了中国科学院力学研究所。建国初期，为解决专门力学人才匮乏的现状，钱学森等还探索了特殊的人才培养模式，我认为有两个较为成功的事例。第一个是1957年，中国科学院与清华大学开办的工程力学研究班，学员选自工科专业四年级学生和力学教研组助教及生产部门的工程师，做到了不拘一格选拔人才，后来的事实证明这样一种人才培养机制是可行而有效的，这些学员在后来的国民经济建设和国防建设中发挥了重要作用，做出了重要贡献。第二个是老五院。为了加速发展中国航天事业，1956年10月党中央决策成立国防部第五研究院。建院之初就成立了空气动力学、结构强度、飞行控制等方面的专业研究所，从全国各地引进了一批知名的专家学者，并从各高等院校招收了一大批力学和相关专业的青年学生。在钱学森等老一辈科学家的指导下，新参加工作的大学生首先要到设计部门工作36个月，以深入了解工程实际需求。在以后的具体工作中坚持理论联系实际，以型号为中心，为型号服务，在解决型号研制关键技术问题的过程中不断加强力学基础知识的学习与实际能力的培养。这样一种人才培养方式，卓有成效地造就了一批力学理论功底扎实、解决工程实际能力很强的青年力学专家，有力的支持了型号的研制和航天技术的发展。中国力学学会的成立标志着中国力学进入了快速发展时期。1957年2月510日，中国科学院物理学、数学、化学部和技术科学部联合召开了第一次全国力学学术报告会，与会代表200余人。会议最后一天，大会全体通过了中国力学学会章程，选举了35位著名力学家为理事，钱学森为第一任理事长，自此，中国力学学会正式成立，并建立了固体力学、流体力学、一般力学、岩土力学4个专业委员会。今天，中国力学学会拥有会员2万余人，专业委员会工作委员会28个，主办16个学术期刊，已具有十分广泛的群众基础。1957年2月，中国第一个力学专业学术期刊力学学报创刊。它的第一任主编是钱学森，第二任主编是郭永怀。至今她也走过了50个春秋，为力学科学在中国的传播立下了汗马功劳。国家重大战略发展需求是力学事业发展的巨大推动力。1956年春，在党中央、国务院直接领导下，制定了19561967年科学技术发展远景规划纲要。钱学森、周培源、钱伟长、郭永怀以及一大批知名的力学家都参与了有关力学专业规划的调研、制定、组织和实施。力学规划围绕国家重大建设和国防任务，内容涉及学科发展远景及各分支学科的基本内容；国家高等院校力学专业设置与人才培养；实验室与设备的配套建设等等。值得一提的是，19611962年，钱学森、赵九章、郭永怀、沈元、吴仲华等人以极大魄力和科学预见，在中国科学院组织“星际航行座谈会”，汇聚众多学科和高新技术领域的专家，针对中国的航天事业发展需求，举行了连续10余次的专题研讨活动，讨论的问题十分广泛，涉及运载工具、推进剂、姿态控制、气动力、气动热、生物空间实验、微重力影响等等。而所有这些问题的实质与关键都离不开力学。这个会对后来中国航天事业具有重要意义，并由此启动了其它高新技术领域研究的开展。力学在中国取得快速发展的另一个重要原因是对力学学科性质的清晰认识。1977年，谈镐生向中国科学院院党组呈报书面意见，强调支撑力学广泛应用性的是力学的基础性，提出召开全国力学规划会议，制定全国力学发展规划。这一建议被转呈中央，并得到批准。于1978年召开了全国力学规划会议，会议通过了19781985年全国基础科学发展规划理论和应用力学。这一规划反映了力学既是基础科学，又是应用科学的学科特征，明确了“力学是许多工程技术和自然科学学科的基础”。近30年来的实践表明，这样的认识促进了力学学科的发展，也使力学在经济建设和国防建设中发挥了重要的支撑与推动作用。力学的发展与国家经济建设和国防建设紧密结合，由此产生的重大成就举世瞩目，力学在国民经济建设和国防建设中都发挥了重要作用。中国两弹一星的成功研制，是力学成就的典范代表。历数中国近年来高新技术的重大成就, 如载人航天、大型运载火箭、飞机、潜艇, 还有高层建筑、巨型轮船、高水平的桥梁、海洋平台、海港与栈桥、精密机械、机器人、高速列车等等, 都有力学的参与与贡献, 都熔铸着中国数万力学工作者的心血。正因为力学在推动中国科学技术发展中所负有的特殊使命，才造就了以钱学森、周培源、钱伟长、郭永怀为代表的一批杰出的力学家。他们在奠定中国力学发展基础的同时，还带动了中国科学技术的发展。今天我们在这里再次回顾中国力学事业的创建过程，可以得到这样一个认识，只有将力学的发展同国家的需求紧密结合，才是力学发展的正确道路。也可以看到，中国力学事业之所以能欣欣向荣，具有强大的生命力，是因为几代力学工作者牢牢把握住了时代发展的脉搏，投身于国家建设的各个主战场，发挥自身的聪明才智和力学学科的强大作用，为国家的发展做出了贡献。2 中国力学事业近10年的重大成就当我们追忆往昔的奋斗岁月之际, 也欣喜地看到中国力学在50年中取得了丰硕成果。限于时间和篇幅，不可能非常全面和详尽地予以介绍。在此仅着重谈论近10年中国力学的重大成就。提到的成就都是重要的，这不说明未提到的就不重要。步入新世纪，中国力学事业有了更大的发展空间，取得了重要进展。总的来说，表现在学科体系建设日趋完善，人才储备日益增长，国际交流日益活跃，科技创新日益增多。在学科体系上，已形成了以固体力学、流体力学、动力学与控制等分支学科和生物力学、环境力学、爆炸力学等二十几门交叉学科相结合的力学学科体系。在人才队伍上，据统计，从事与力学相关研究的两院院士有60余名。2004年，对国内86个单位的力学基础研究人员的调研结果表明，国内拥有5300余人的力学基础研究队伍（具有正高级职称的人员1651人，副高级职称人员2363人，中级职称人员1289人）。在国际力学事务中，中国力学界在国际力学界中举足轻重。目前，中国在国际理论与应用力学联合会（IUTAM）中有4名理事，1名执委会委员，1名大会委员会委员，2名工作委员会委员。中国的力学期刊数已达20余种，其中进入SCI的刊物有3种。中国已经常主办和承办各种国际力学学术会议，近10年来，中国力学学会举办的国际会议就达70余次，国外参会代表逾4000人。 在学术水平上，核弹小型化、新型中远程导弹、载人航天等，表明中国在爆炸力学、空气动力学、材料与结构力学、系统动力学与控制理论等方面的基础与应用研究具有世界先进水平。中国在泥沙运动力学方面的研究也具有特色，在地球动力学和拓扑优化领域具有重要国际影响。中国力学研究的优势领域为：湍流、流动稳定性、复杂流动、高超声速流、风工程与工业流体力学、计算流体动力学（CFD）等流体力学领域；本构关系、断裂力学、宏微观力学、计算结构力学与优化设计、光测实验力学等固体力学领域；运动稳定性、非线性振动、结构振动与控制等领域；爆炸力学、微重力力学、生物力学、环境力学等交叉学科领域；板壳理论、广义变分原理等与数学紧密结合的力学分支领域。在上述国内相对优势领域已经成长起一批国家自然科学基金委员会的“创新研究群体”，在近5年里共获得国家自然科学奖二等奖6项、国家科技进步奖一等奖3项、二等奖14项。这些成就虽然足以让所有力学工作者感到自豪，但我们从中还是看到，现代力学的任务更加艰巨了，力学的发展任重而道远。因此，接下来我更愿通过几个具体实例与大家共同探讨一下现代力学研究的特点，希望能有助于明晰中国力学事业未来的发展道路。2.1 载人飞船返回舱步入21世纪，中国给全世界最大的震撼莫过于载人航天，因此我们首先不妨来关注一下神舟飞船主要是其中返回舱设计中所涉及的一些力学问题和研究方法。当返回舱以极高的速度再入地球大气层时，面对的是复杂多变的空气动力环境和流场结构，并伴随剧烈的气动加热，这些复杂现象使得返回舱的气动设计成为神舟飞船返回技术的关键技术之一。气动设计的主要任务包括飞船返回舱基本外形和突起物外形设计、准确预测返回舱在复杂环境下的气动力和气动热特性、返回舱周围空气流动机理研究和飞行稳定性等。关于气动设计，早在1978年钱学森同志就曾精辟地指出：“要较好地解决航天器空气动力学设计问题，必需是地面风洞模拟试验、计算机流场数值计算和实际飞行试验3种研究方法同时并举，相互配合。”在返回舱的气动设计中，我们贯彻了这一指导思想。在方案设计阶段，我们明确提出了返回舱空气动力学面临的10大关键技术问题，组织全国优势力量协作攻关。成功地解决了返回舱外形与耳片的外形设计，消除了多配平攻角现象；准确预测了返回舱复杂流动现象，解决了热环境和热防护设计问题；给出了可靠的气动特性数据，特别是跨声速飞行阶段的动稳定性数据等。这些工作为保证返回舱设计可靠性和飞行成功起到了重要作用。未来，中国的载人航天工程还将继续发展，将把更多的宇航员送入太空、实现宇航员出舱活动和空中对接，进行月球探索，建立空间实验室，以及开展新的空天运输系统的研究。为此，今后的气动研究任务还很艰巨，我们依然要借助上述3种手段，需进一步明确：气动设备建设是基础，气动实验是重点，气动计算是关键，气动创新是核心。坚持这一原则，相信我们必将取得更辉煌的成就。2.2 微细观力学虽然固体力学已经科学地阐明了材料的强度和韧性，使结构材料的发展奠立在新的基础之上，但是固体强度问题还没有根本解决。事实上，强度与韧性都与固体材料结构密切相关，强度问题跨越了固态物质从原子键断裂到固体出现宏观分离，尺度差异高达107倍。这促使固体微细观力学的孕育和发展。中国学者在微细观力学上开展了系列原创性工作，取得了新的认识。该领域的主要研究进展体现在两个方面：(1) 宏微观破坏力学，包括宏微观断裂、电致失效力学、宏细微观损伤力学、智能材料的细观力学行为等；(2) 现代宏细观本构理论，包括本构不变性研究和张量表示理论，形状记忆合金相变塑性理论、应变梯度塑性理论、非均匀材料的均匀化方法、铁电材料本构关系等。在研究上的一个显著特点是将上述两个研究方向结合起来，共同推进。研究对象具有多尺度的特征，研究方法体现了跨尺度关联。中国学者在该领域相继取得了创新性的研究成果，包括宏细观断裂力学；形状记忆合金相变塑性理论；张量表示和材料本构方程不变性研究；塑性梯度应变理论；智能和信息材料的力学行为；非均匀材料的多尺度力学等。这些成果分别于2004年和2005年获得国家自然科学二等奖。2.3 爆轰驱动激波风洞当飞行速度超过2km/s时，飞行器周围空气的物理和化学效应随速度增加变得越来越明显。因此，高超声速以及伴有燃烧、辐射等效应的气动力试验，要求气流具有很高的总温和总压，这类地面试验设备对于研制高超声速空天飞行器具有关键重要性。爆轰驱动是利用爆轰波后的高温高压燃气作为驱动气体来产生强激波的一种经济简便的驱动方法，世界各国对此进行了大量研究。爆轰驱动分为前向（爆轰波与主激波传播方向相同）和反向（爆轰波与主激波传播方向相反）两种模式，前者驱动能力虽强，但不适于做气动试验；后者虽然可以提供分布均匀的状态参数，但当爆轰波达到驱动段尾部时，将产生超过初始压力百余倍的反射高压，因此初始压力只能被限制在较低的范围，也难满足实用要求。20世纪60年代以后，爆轰驱动技术处于停滞状态。20世纪90年代，中国学者提出一种反向爆轰驱动技术，有效地消除了被驱动段尾部的反射高压，使反向爆轰驱动具有实用价值。在此基础上，德国亚琛工大和中国科学院力学研究所合作，将欧洲最大的TH2激波风洞改造为可爆轰驱动的激波风洞；美国Texas大学也开始建造爆轰驱动激波风洞。中国率先建成世界上最早投入正式运行的氢氧爆轰驱动高焓激波风洞JF10。后又发展了双爆轰驱动方法，进一步提高了风洞的驱动能力和改善了高超声速流动的品质。实现了来流总压达到80MPa和总温近8000C的实验条件，能提供实验气流时间达到36ms左右，且储室压力变化不大。代表了高超声速流动模拟技术的最新进展。在该风洞中进行了球钝锥激波层与近尾流中红外辐射功率分布剖面等多项实验。但是高焓风洞驱动的气流属于非平衡流动，与需要模拟的实际情况尚存在一定差别，还有待进一步开展研究。2.4 大型结构分析与拓扑优化自20世纪80年代以来，拓扑优化一直是工程结构优化设计领域中的一个最受瞩目的研究方向。但是奇异最优解问题从理论上对结构优化研究提出了严峻挑战。十余年来，对该问题的研究是结构优化领域的重要国际前沿课题之一。中国学者在对此问题的研究中取得了创新的研究成果。首次正确描述了奇异优化问题的可行域形状以及奇异最优解的本质特点，纠正了以往研究中的错误认识；首次将连续性分析引入奇异最优解研究，为奇异性现象的分析及求解方法的构造提供了有力的理论工具；指出了传统拓扑优化算法求解奇异性问题的固有缺陷以及不同类型拓扑优化问题的本质区别；提出了处理奇异最优解的Epsilon-放松及其系列算法，成功地将结构拓扑优化和尺寸优化统一在了同一框架之下。上述理论和算法研究成果，在大型结构分析与优化设计软件JIFEX中实现，并应用于工业和国防工程等结构优化选型的研究开发中，取得了显著的社会效益。 2.5 机车车辆轨道耦合动力学理论及工程应用最后一个事例与我们的生活息息相关，每个中国人都可从中享受到科技发展的实惠，这就是刚完成的全国第6次铁路大提速。这次提速不同于以往的5次提速，在中国铁路发展史上是里程碑式的革命。其中最大的贡献源自力学中的动力学与控制。中国学者运用动力学理论对这一工程科学问题进行了10多年的研究，研究成果入选2005年度中国高校十大科技进展，获得2005年国家科技进步一等奖。其系统性研究成果包括：(1) 提出并系统创建了机车车辆轨道耦合动力学理论体系，为中国铁路大运量、高密度、客货混运、高负荷运输模式下机车车辆及轨道动态安全设计提供了关键理论基础。(2) 首次建立了详细的机车车辆轨道耦合模型，得到国际同行学者的广泛采用。(3) 研制了具有完全自主知识产权的机车车辆轨道耦合动力学仿真分析系统VICT和TTISIM，建立了机车车辆轨道动态作用安全性现场测试评估系统，为高负荷运输模式下机车车辆及轨道系统动力性能优化设计及运用安全性评估提供了关键技术手段。机车车辆轨道耦合动力学理论及技术已广泛应用于中国铁路机车车辆开发设计、既有铁路提速改造、山区铁路扩能改造、重载运输、客运专线建设等10多个重点工程之中，为中国铁路现代化建设做出了重要贡献。综上而言，现代力学具有这样几个鲜明特征：一是研究对象的多尺度效应，需要开展从宏观、细观到微观的跨尺度一体化研究；二是研究对象的超常环境，如载人航天、水下发射、超深开采等造成的超高温、超高速、超高压等服役环境；三是研究对象的复杂性与非线性，涉及高维非线性系统的多场耦合与复杂动力学与控制；四是与其它学科的广泛交叉和融合，使力学在新兴科技发展中的基础作用更加明显和广泛。面对这些特点，中国力学工作者坚持学科发展面向国家战略发展需求，与工程实际相结合，坚持理论、实验、计算三大手段的有机结合，坚持自主创新。也正因如此，才能取得上述的成就，这些经验对于我们今后的工作弥足珍贵。3 中国力学事业展望进入21世纪，力学在国家经济建设和国防建设中的作用是加强了而不是削弱了。我们国家当前的目标是全面建设和谐社会，并逐步达到中等发达国家的水平。这一目标对未来20年的力学提出了更高要求。在航空航天、海洋工程、动力能源、交通运输、矿产资源开发、环境保护与污染治理、沙漠化防治与水资源利用、化工、生物、医药等诸多方面，面临许多紧迫的发展课题。而在学科发展方面，物理科学、数学科学、信息科学、材料科学、地球科学、生命科学等提出了大量非常重要又非常复杂的与力学相关的问题，被纳入中长期规划内容，需要力学深入研究加以解决。因此，力学在基础研究和工程应用等两方面都面临挑战和机遇。新世纪国家建设的需求与现代力学的特点将引发力学认识手段和理论体系的变革，我认为力学将来的发展必须首先在如下几个方面有所坚持和创新：(1) 强化理论、实验和计算的有机结合。力学研究中最主要的模式仍然是建立模型，然后再证明模型的正确性，最后运用模型为工程技术服务。证明的途径，一是实验，二是通过仿真的手段，通过计算，如是来回几个反复。在这一过程中，不论是实验还是计算，都要以相应机理分析为基础，才能确定正确的物理模型。有了模型之后，也就成为工程应用的基础。(2) 开展大规模科学计算。早在1997年，钱学森指出：“随着力学计算能力的提高，用力学理论解决设计问题成为主要途径，而试验手段成为次要的了。由此展望21世纪，力学加电子计算机将成为工程设计的主要手段，就连工程型号研制也只用电子计算机加形象显示。都是虚的，不是实的，所以称为“虚拟型号研制”(virtual prototyping)。最后就是实物生产了。”从这10年的力学发展来看，钱老所预言的趋势已非常明显。现在计算机发展迅速，计算力学产生了CAE产业并成为新领域“计算科学”的核心，以计算力学方法为纲，集建模推理、数据测量、智能控制和力学计算为一体的力学研究手段正在形成。与之对应，将导致一系列新的计算体系，大规模高性能的数值和智能算法，软件系统及其集成，计算可视化与虚拟仿真技术的发展。如果我们不注重这一趋势，不加以充分利用，显然是要吃大亏的。反之，将受益良多。目前有许多大型工程软件还是国外的，中国虽然也有研究成果，但还不够，我们必须迎头赶上。(3) 发展精细实验技术。现代高新科技的飞速发展对力学先进实验设备的发展起到了巨大的推动作用，也使得力学的研究对象发生了极大的变化，微小尺度、超常环境、多场耦合、生物实体等给力学测试带来了巨大的挑战。一方面，相应的传统的测试技术不适用、在精细实验加载和测量技术方面面临技术瓶颈。另一方面，一个突出的严峻挑战是实验分析方法与表征。实验力学在今后力学发展中的重要作用比已往更加突出，其基础性、交叉性、技术性的学科特点更加明显。因为无论是细小尺度的还是复杂过程的力学现象研究都需要力学实验作为基础，需要有充分的实验研究工作参与，需要发展新的实验技术，研制新的实验仪器，设计新的实验方法。(4) 培养复合型力学人才。力学学科特点使得力学成为技术科学中贡献特别多的一个学科，但力学研究说到底还是人才问题。因此，力学的这一特点要求力学工作者必须“上得去，下得来”，上指上升到理论高度，具有扎实的力学基础，能正确分析实验和计算的数据；下指能下到基层，了解工程背景，能有效解决实际问题。回顾一个世纪，工程力学走过了从工程设计的辅助手段到中心主