力学学科十年规划.ppt

1、1,力学-动力学与控制学科2011年-2020年十年发展战略研究,张 伟 北京工业大学机电学院,2012年7月9日,2,提 纲,一、力学学科的分类、定义和特点 二、力学学科的发展现状和趋势 三、未来10年力学-动力学与控制学科发展布局 四、优先发展领域与重大交叉研究领域 五、力学学科发展的保障措施,3,一、力学学科的分类、定义和特点,力学学科的分类：（国家自然科学基金委员会学科分类方法）,4,1.1 力学的定义与内涵,力学研究介质运动、变形、流动的宏微观行为，揭示力学过程及其与物理、化学、生物学等过程的相互作用规律。,1.2 动力学与控制的定义,动力学与控制是研究系统动态特性、动态行为与激励之

2、间的关系及其调节的力学分支学科 。,5,1.3 力学研究的突出特点,(1) 研究对象的多尺度差异，如从宏观、细观到微观的跨尺度一体化研究； (2) 研究对象所处的超常环境，如载人飞船、水下发射、超深开采等造成的超高温、超高速、超高压等超常服役环境； (3) 研究系统的复杂性和非线性，将越来越多地涉及到大型机械系统、运载系统、智能系统、微机电系统和生物系统等高维非线性系统多场耦合复杂动力学与控制； (4) 从简单的机械运动描述发展到揭示机械运动及其与物理、化学、生物学过程的相互作用规律； (5) 与其它学科的广泛交叉，一方面与物理、数学、生命、材料、信息等学科交叉，另一方面与重大需求相关的工程学

3、科交叉，如纳米科技、航空航天科技、海洋科技、能源科技、环境与灾害科技等。,6,1.4 动力学与控制学科的特征和特点,动力学与控制学科的发展呈现出高维非线性、非光滑性、随机性、不确定性、多场耦合和复杂网络等基本特征，具有以下几方面特点：,动力学与控制学科辐射面广、前沿和热点研究问题多， 动力学与控制学科呈现出多学科交叉与融合的发展趋势， 动力学与控制学科是力学中的经典和快速发展的基础学科之一， 动力学与控制学科同样是一门有着重要工程背景的应用基础科学。,7,二、力学学科的发展现状和趋势,近年来，我国学者在动力学与控制学科的理论和方法研究方面取得了许多新进展，缩小了与国外先进研究水平的差距，体现在

4、以下几方面：,非线性动力学 分析力学 多体系统动力学 随机动力学 复杂运动控制 复杂网络系统动力学 转子动力学 未来飞行器动力学 航天器动力学与控制 铁道车辆系统动力学,8,2.1 国内研究队伍和研究条件,与动力学与控制学科研究领域的发展相适应，国内已形成一支具有相当规模、老中青相结合、涉及领域和研究方向比较全面的研究队伍。 粗略估计动力学与控制学科的固定研究人员约在1500-1800人左右， 流动研究人员约在1000人左右， 根据国家自然科学基金委员会数理科学部力学处的统计，动力学与控制学科的研究队伍约占力学基础研究队伍总人数的19%-20%。,9,在一些高校中，动力学与控制学科的实验条件和

5、装备与国际著名大学的动力学与控制实验室已经基本相当，例如，目前我国高校已经拥有： Polytec激光测振仪 6吨和16吨电磁振动台 LMS振动数据采集系统 气浮平台 大型转子实验平台 机车车辆滚动振动试验台 等一系列大型实验设备和装置。,10,近二十年来，有多个动力学与控制领域的研究成果获得了国家级科技奖励，包括 三个项目获得国家自然科学二等奖， 五个项目分别获得国家科技进步一等奖和二等奖。 在学科建设方面，动力学与控制学科共有 3个重点学科(一般力学与力学基础)。 如果按一级学科进行分类，目前全国共有8个力学一级重点学科，覆盖了32个二级重点学科。按照这样分类，全国有 9个动力学与控制重点学

6、科(一般力学与力学基础)。,11,与动力学学学科相关的国家重点实验室,12,2.2 薄弱方向及存在的问题,分析我国力学学科的发展现状，我国的力学研究存在如下一些具体的问题：,(1) 力学的各分支学科发展不平衡，在动力学与控制、固体力学、流体力学、生物力学等几个主要学科中，其发展规模、研究前沿的把握、结合国家重大需求开展研究的能力、领军人物的涌现、从事基础研究的青年骨干队伍等方面都各自存在改善的空间。 (2) 力学与其它基础学科和工程科学的交叉还有待加强，表现为对被交叉的学科理解有限、难以提出双方共同感兴趣的前沿科学问题；对国家重大需求中力学问题的分析不足，限制了力学在国家战略需求中发挥更大的作

7、用。,13,(3) 实验方面，一方面，相应的传统测试技术不再适用，导致在实验加载和测量技术方面面临技术瓶颈。另一个突出的严重挑战是理论与实验脱节，造成实验分析方法与表征方法的匮乏。 (4) 计算软件，我国计算力学软件由于缺少持续的资金资助、高效的核心算法、有效的管理体制和科学的评价体制，十分缺乏基于高效算法、先进硬件和网络体系结构下的高性能、大规模、多尺度、多场耦合的通用和专用计算力学软件。普遍存在集成与系统升级维护能力弱，有核心功能但缺乏辅助功能，缺乏开放性和二次开发能力，缺乏完善的质量保障体系等问题。,14,2.3 动力学与控制学科存在的问题,(1) 较少涉足全新的领域，在与高新技术、新材

8、料相关的某些领域中，动力学与控制的研究还基本处于空白。因此，原创性研究较少，不少项目以跟踪性研究为主，有些项目甚至与国外已有研究相重复。 (2) 大部分项目以理论和方法的研究为主，以通过简单算例验证而告终，没有形成可以工程化的软件。因此，在大型转子系统动力学、航空航天动力学和车辆动力学等涉及真实工程系统的动力学分析和设计方面，我国学者提出的方法未能得到广泛的应用，缺少具有自主知识版权的大型工程化软件。 (3) 研究力量比较分散，没有多少国家级层面上的研究团队和计划。 (4) 面向国家重大战略需求的应用基础研究较为薄弱，在国家战略需求和重大工程科学研究过程中所发挥的作用还不是十分显著。,15,三

9、、未来10年力学-动力学与控制学科发展布局,3.1 总体发展战略布局和发展目标,我国力学学科未来10年发展的指导思想和思路： (1) 立足于力学学科前沿的科技布局，突出重点，以实现科学原始创新、推动跨越式发展为目标； (2) 针对国家重大需求，根据我国航空航天、 海洋工程、能源技术、环境灾害、重大装备、人体健康等领域的需求，不断发展力学学科的新概念、新理论、新技术和新方法，着力发展支撑经济发展和国防安全相关的力学学科生长点； (3) 努力促进力学学科与其它学科的交叉，在基础前沿科学研究和与国家重大战略需求相关的力学学科领域取得重要进展乃至重大突破。,16,我国力学学科未来10年的发展目标： (

10、1) 全面提升力学学科的国家地位，充分发挥力学作为基础学科的引领作用，继续保持在一些前沿领域研究中的优势和特色，加强学科交叉与融合； (2) 努力发挥力学学科支撑国民经济发展和国家安全建设的主力军作用，针对国家发展的重大战略需求，着力解决国家经济建设和科技发展中所提出和遇到的关键力学问题； (3) 造就一支高水平的力学研究队伍，培养一批杰出的力学领军人才，为我国经济社会发展与国家安全的源头创新和面对激烈国际科技竞争提供高层次人才支撑； (4) 经过10年的努力，缩小同美、俄、欧等先进国家的差距，力争跻身于世界力学强国的行列。,17,我国力学学科未来10年的发展布局： 1学科点布局，目前我国力学

11、学科布局和教育体系仍需不断完善。需要加强学科统筹和布局，从国家层面统筹高等学校、研究机构、工业部门研究机构的学科点设置和分类。 2学科发展方向布局，(1) 紧紧把握学科前沿领域，(2) 注重交叉学科领域和新兴生长点，(3) 提升从国家重大战略需求中提炼科学问题的能力。 3平台建设，推动力学的大型研究基地、大型实验设施等建设，支撑原始创新的实验，支撑未来关键和核心技术的发展。这方面的布局涉及三个方面：(1) 建议科技部建立一些新兴力学国家重点实验室，(2) 布局能够支撑国家重大战略需求的大型实验设施，(3) 建议建立如美国橡树岭实验室类似的力学国家实验室和力学国家工程研究中心。,18,3.2 动

12、力学与控制学科发展布局和重点发展方向,我国动力学与控制学科未来10年发展布局： 从国内外的发展趋势来看，工程系统动力学与振动问题的建模、分析、设计和控制的一般理论和方法是目前动力学与控制学科的主要研究范畴，在今后10年至20年里，其总体发展趋势是向高维和无限维、非线性、随机性、不确定性、多尺度和多场耦合系统动力学、振动与控制的理论研究与应用方向发展。 今后所研究的工程系统将日益复杂，可能包括各种非线性因素，机、电、磁、热和流等多场耦合因素，边界与结合部效应，微机电系统引起的多尺度效应等。,19,因此，迫切需要发展新的非线性动力学理论、多体系统动力学理论、振动理论与控制、新的控制理论与方法、以及

13、各种分析、实验与数值仿真技术来研究工程系统的大范围动力学与非线性振动特性。 要基于对工程系统动力学与振动特性的深刻理解来发展新的优化方法，实现对工程系统的动力学设计，还要发展各种主动控制乃至智能控制方法来使工程系统获得所需要的运动规律和特性。 紧密结合国家重大战略需求和工程实际对动力学与控制学科的发展将是至关重要的，只有加强结合国家重大战略需求的动力学与控制基础研究和应用基础研究，发挥其在建设创新型国家中的引领和支撑作用，才能在解决工程技术问题及与其它学科的交叉中找到自己的发展方向，才能不断丰富学科内涵、拓展学科发展空间，保持旺盛的生命力。,20,基于以上分析和考虑，在今后10年内，规划并遴选

14、出动力学与控制学科的重点发展方向、优先发展领域以及重大交叉领域，同时做好布局相应的动力学与控制学科国家基础研究基地，规划好研究队伍和国际合作方向。 因此，将分为几个层面对动力学与控制学科进行科学规划和布局。 (1) 学科前沿研究层面， (2) 学科基础研究层面， (3) 学科交叉方向研究层面， (4) 学科新兴方向研究层面。,21,我国动力学与控制学科未来10年的重点发展方向： (1) 高维非线性系统复杂动力学的理论与应用研究， (2) 多体系统动力学与控制， (3) 随机系统动力学与控制， (4) 分析动力学与控制， (5) 复杂网络与神经系统动力学与控制， (6) 未来飞行器的动力学与控制

15、。,22,造就一支高水平的动力学与控制研究队伍，培养一大批杰出的动力学与控制学科科研人才， 新建设2-3个以动力学与控制学科为主体的国家重点实验室，新培育2-3个全国重点学科。 新建设2-3个以动力学与控制学科为主体的国家级工程研究中心。 加强国际合作与交流，争取新创办2-3份国际学术期刊。,我国动力学与控制学科未来10年发展需要采取的措施：,23,3.3 大型平台建设计划需求分析,未来10年里，动力学与控制学科需要国家进一步加大投入，加强大型实验设备和实验仪器的建设，为了使动力学与控制学科的发展能够满足国家的重大战略需求、重大装备的研制和大型复杂结构的建造，需要 多通道大型动态数据采集系统，

16、 50吨以上大型电磁振动实验台， 大型复杂结构动态加载装置和系统， 大型流固耦合和气动弹性实验装置和系统， 高速机车滚动实验装置， 高性能大型三维激光测振系统， 各种新型的高性能动态传感器等。,24,四、优先发展领域与重大交叉研究领域,高维非线性系统动力学与控制，随机系统动力学与控制，多体系统动力学与控制， 变形体强度理论与破坏机理，多场耦合理论与智能材料及结构力学，超常环境下结构响应与爆炸冲击力学，多尺度力学及跨尺度关联， 可压缩湍流与流动稳定性，非定常流动/运动耦合及其控制，复杂相间作用的多相流，高速高压水动力学， 人类健康与重大疾病的生物力学问题、空间生物力学基础、生物材料力学与运动、仿生力学， 大规模数值模拟与高效算法， 力学实验技术与仪器研制。,4.1 16个力学学科优先发展领域：,25,4.2 重大交叉领域,重大装备中的关键力学问题, 重大环境演化和突变中的关键力学问题, 新能源与绿色能源中的关键力学问题, 生命体的力学-生物学与力学-化学耦合, 航空航天领域的关键力学问题, 海洋工程中的关键力学问题, 微重力科学。,未来10