中国学科发展战略·固体力学----中国科学院学部学术引领专题

中国学科发展战略联合领导小组

组长：高鸿钧李静海

副组长：秦大河韩宇

成员：王恩哥朱道本陈宜瑜傅伯杰李树深杨卫董国轩张兆田王笃金杨俊林杨列勋苏荣辉冯雪莲孙瑞娟王长锐姚玉鹏

陈拥军于晟王岐东

联合工作组

组长：苏荣辉于晟

成员：龚旭孙粒高阵雨李鹏飞钱莹洁薛淮冯霞马新勇

专家顾问组

（按姓氏拼音排序）

白以龙程耿东崔俊芝杜善义郭万林韩杰才胡海岩黄克智汲培文雷天刚刘人怀孟庆国申长雨王自强魏悦广

伍小平谢和平杨卫于起峰翟婉明詹世革张攀峰张统一郑泉水郑晓静郑哲敏钟万勰

编写组

组长：方岱宁

副组长：郭旭刘彬

成员（按姓氏拼音排序）：陈少华陈伟球陈小前冯雪季葆华康国政李振环梁军曲绍兴申胜平王成王记增魏宇杰

秘书组（按姓氏拼音排序）：陈浩森陈少华裴永茂彭志龙张一慧

固体力学是从多尺度、多层次上研究固体物质及其构成的结构系统在外界因素作用下受力、变形、破坏等行为和相关效应的力学（mechanics）分支学科。其在现代工业和人类生活中发挥着极为重要的作用，不仅直接造就了近代土木建筑、机械制造和航空航天等行业的进步与繁荣，极大地拓展了人类的活动范围，改善了人类生活质量，而且为自然与工程科学的发展提供了理论基础和可借鉴的成功研究范式。伴随着科学技术和国民经济的快速发展，固体力学进入了一个新的发展时期，无论在创新研究能力上还是在研究的广度和深度上，都发生了深刻的变革。

进入新时代，新型材料和先进结构不断涌现且其服役环境日趋复杂与极端。为了刻画各种先进固体材料 / 结构在复杂甚至极端环境下的跨层次、多尺度、多场耦合力学行为，迫切需要构建新的本构关系，揭示新的破坏机理，发展新的强度理论；迫切需要突破现有计算和实验体系、范式的局限，为固体力学基础理论研究和工程应用提供更有力的方法和工具支撑；迫切需要强化与其他学科之间的交叉融合，开辟固体力学研究新疆域，充分发挥固体力学解决其他学科瓶颈的关键作用。本书结合学科发展前沿和国家重大需求，从新型本构关系与强度理论、新型计算与实验表征方法，以及固体力学与其他学科交叉研究等方面，对固体力学的未来发展趋势做了全面思考，介绍了许多固体力学新的分支学科和交叉学科。

在学科发展战略研究领导小组的统一部署下，项目组成立了以方岱宁院士任组长，郭旭、刘彬教授任副组长的固体力学学科发展战略研究编写组。自 2018 年 1 月启动固体力学学科发展战略研究工作以来，按照战略研究的总体部署，共召开了多次战略研究组和秘书组联合会议，讨论和确定了本书的整体结构和定位、新时期固体力学的定义、学科体系结构设置、优先发展领域和重大交叉研究领域、保障措施等问题。

通过对本学科发展战略的研究，明确了固体力学的科学意义与战略地位；总结了固体力学的特点和发展规律；分析了固体力学的发展现状与态势；梳理了固体力学尚未完全解决的重要科学问题，指出了固体力学的新使命与新机遇；明确了未来 5～10 年固体力学面临的重要科学问题，确定了面向学科前沿的优先发展方向和研究重点，指出了面向国家“卡脖子”问题的优先发展方向和研究重点，概括了未来具有引领性的研究方向；最后，提出了固体力学发展的保障措施与政策建议。本书旨在为固体力学健康稳定地发展奠定坚实的科学基础，促进固体力学在支撑解决国家重大需求、产生原创性基础研究成果等方面做出应有的贡献。

2019 年 10 月，多位院士对本书阶段性工作提出的意见和建议，对完善与提高本书的水平和质量起到了非常重要的作用。

根据固体力学学科发展战略研究编写组的时间进度安排，秘书组共召开了 10 余次会议，逐步推进本书的撰写工作。在编写前期，为了广泛征集素材，编写组专门设计问卷，广泛征集了固体力学专家的意见和建议；在编写中期，编写组进行了系统的文献计量学统计；在撰写过程中，秘书组还邀请了力学界相关学者提供材料，补充报告内容。本书完稿后，又征求了固体力学界众多专家学者的意见，使其得到了进一步的完善。本书是在固体力学学科发展战略研究编写组充分调研和深入交流的基础上形成的，同时得到了众多专家学者的关心和帮助，在此表示衷心感谢。

本书由方岱宁、郭旭、刘彬设计和组织，各章撰写人员如下。第一章和第二章：方岱宁、郭旭；第三章：方岱宁、郭旭、刘彬总体负责，陈少华、陈伟球、陈小前、冯雪、季葆华、康国政、李振环、梁军、裴永茂、彭志龙、曲绍兴、申胜平、王成、王记增、魏宇杰、张一慧（按姓氏拼音排序）参与撰写；第四章：方岱宁、郭旭、刘彬总体负责，陈浩森、陈伟球、冯雪、康国政、李振环、梁军、裴永茂、曲绍兴、申胜平、魏宇杰、张超、张一慧（按姓氏拼音排序）参与撰写；第五章：方岱宁、魏宇杰。

对书中的不足之处，欢迎读者批评指正。

方岱宁

2020 年 7 月

总序

前言

摘要

Abstract

第一节固体力学的定义和科学意义

第二节固体力学的战略地位

一、固体力学为自然科学和工程科学发展提供科学基础

二、固体力学极大地促进了社会发展和科技进步

三、固体力学的发展影响和促进多学科交叉融合

四、固体力学是培养创新型人才的摇篮

五、固体力学在我国创新型国家建设中将持续发挥重要作用

第一节固体力学的特点

一、基础与工程的特征双重性

二、持久广泛的学科交叉性

三、与时俱进的持续发展性

第二节固体力学的发展规律

第一节固体力学的总体发展现状

一、世界范围内固体力学的发展现状

二、我国固体力学的发展现状

三、我国学者对固体力学的重要贡献

四、固体力学对重大工程和经济建设的重要贡献

五、固体力学的国际地位分析

第二节固体力学的发展态势与尚未解决的重要科学问题

一、固体本构关系与变形理论

二、固体强度与破坏失效

三、固体材料/结构动态力学行为

四、计算固体力学理论与方法

五、实验固体力学方法

六、固体力学与其他学科交叉

七、固体力学与国家重大需求

第三节固体力学的新使命与新机遇

一、固体力学与理工融合

二、固体力学与军民融合

三、固体力学与医工融合

四、固体力学与数据科学/人工智能融合

第一节未来5～10年固体力学面临的重要科学问题

一、非经典本构关系与变形理论

二、固体的多场多尺度破坏机理和强度理论

三、材料动态本构行为与复杂结构动力学

四、基于几何/数据/设计驱动的新型计算固体力学

五、材料与结构内部力学参量的实验测试与表征方法

六、新兴交叉力学

第二节面向学科前沿的优先发展方向和研究重点

一、超构材料的广义本构关系与变形机理

二、微电子器件力学

三、软物质力学

四、动态细观力学

五、固体多场耦合力学

六、多尺度及跨尺度力学

第三节面向国家“卡脖子”问题的优先发展方向和研究重点

一、自主可控计算固体力学软件系统

二、复杂环境下力学响应测试表征方法与新型仪器

三、流固耦合结构力学理论与计算方法

四、面向先进制造的设计制造一体化工艺力学

五、物理检测与虚拟实验相融合的结构强度与寿命评价

第四节未来具有引领性的研究方向

一、先进结构技术

二、交叉力学

三、极端力学

四、基于数据驱动的力学计算

[1]钱学森 . 现代力学——在一九七八年全国力学规划会议上的发言 . 力学与实践，1979，

1（1）：4-9.

[2]武际可 . 力学史. 2 版 . 上海：上海辞书出版社，2010.

[3]中国力学学会 . 力学与生产建设 . 北京：北京大学出版社，1982.

[4] 中国力学学会 . 力学—迎接 21 世纪新的挑战 . 力学与实践，1995，17（2）：1-18.

[5]中国力学学会 . 人、环境与力学 . 北京：科学出版社，1990.

[6]Yang W，Wang H T，Li T F，et al. X-Mechanics—An endless frontier. Science China Physics，Mechanics & Astronomy，2018，62（1）：14601.

[7]中国力学学会 . 力学—迎接 21 世纪新的挑战 . 北京：北京理工大学出版社，1997.

[8]中国力学学会 . 中国学科史研究报告系列中国力学学科史 . 北京：中国科学技术出版社，2012.

[9]中华人民共和国国务院 . 国家中长期科学和技术发展规划纲要 . 北京：中国法制出版社，

2006.

[10]国家自然科学基金委员会数学物理科学部 . 力学学科发展研究报告 . 北京：科学出版社，2007.

[11] 杨卫 . 中国力学 60 年 . 力学学报，2017，49（5）：973-977.

[12]孟光，周徐斌，苗军 . 航天重大工程中的力学问题 . 力学进展，2016，46（1）：267- 322.

[13]冯西桥，姜宗来，樊瑜波 . 生物材料力学与仿生学，上海：上海交通大学出版社，

2017.

[14]方岱宁，裴永茂 . 铁磁固体的变形与断裂 . 北京：科学出版社，2011.

[15]杨庆生，秦庆华，马连华 . 多孔介质的热-电-化-力学耦合理论及应用 . 固体力学学报，2010，31（6）：587-602.

[16] 汪国睿，刘璐琪，张忠 . 二维材料实验力学综述 . 实验力学，2017，32（5）：664-676. [17] 郑晓静 . 关于极端力学 . 力学学报，2019，51（4）：1266-1272.

[18]朱云飞，韩增尧，姜利祥，等 . 第一届全国物理力学青年学者学术研讨会报告综述 .

力学学报，2018，50（4）：970-976.

[19]中国科学院文献情报中心课题组 . NSFC 学科发展态势评估系列研究报告之力学十年：中国与世界 . Mechanics 2006-2015 ：China in the World，2018.

[20]国家自然科学基金委员会，中国科学院 . 未来 10 年中国学科发展战略：力学 . 北京：科学出版社，2012.

[21]黄克智，黄永刚 . 固体本构关系 . 北京：清华大学出版社，1999.

[22]Kadic M，Milton G W，van Hecke M，et al. 3D metamaterials. Nature Reviews Physics， 2019，1（3）：198-210.

[23]杨卫 . 宏微观断裂力学 . 北京：国防工业出版社，1995.

[24]梁军，方国东 . 三维编织复合材料力学性能分析方法 . 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2014.

[25]钟万勰，程耿东 . 跨世纪的中国计算力学 . 力学与实践，1999，21（1）：11-16.

[26]徐庆红，姜杰，王明宇 . 结构动力学与运载火箭技术发展 . 力学与实践，2016，38（1）：

10-13.

[27]Huang Z L，Tian Y P，Li C J，et al. Data-driven automated discovery of variational laws hidden in physical systems. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2020，137 ：103871.

[28]Zhang S L，Zhao K J，Zhu T，et al. Electrochemomechanical degradation of high- capacity battery electrode materials. Progress in Materials Science，2017，89 ：479-521.

[29]Xue Z，Song H，Rogers J A，et al. Mechanically-guided structural designs in stretchable inorganic electronics. Advanced Materials，2019，32（15）：1902254.

[30]Nathan A，Ahnood A，Cole M T，et al. Flexible electronics ：The next ubiquitous platform. Proceedings of the IEEE，2012，100（13）：1486-1517.

[31]Zhang Y H，Zhang F，Yan Z，et al. Printing，folding and assembly methods for forming 3D mesostructures in advanced materials. Nature Reviews Materials，2017，2（4）：17019.

[32]姜宗来，陈维毅，樊瑜波 . 中国生物力学研究展望 . 科技导报，2019，37（3）：27-29.

[33]赵亚溥 . 纳米与介观力学 . 北京：科学出版社，2014.

[34]郑泉水，方辉宇 . 张量函数的表示理论本构方程统一不变性研究 . 力学进展，

1996，26（1）：114-137.

[35]国家自然科学基金资助项目结题报告 . 实验力学十三五发展规划调研，2015.

[36]张卫红，万敏 . 薄壁构件切削工艺动力学理论与方法 . 北京：机械工业出版社，2019.

[37]Pan B. Digital image correlation for surface deformation measurement ：Historical developments， recent advances and future goals. Measurement Science and Technology，2018，29（8）：082001.

[38]Cheng X M，Qu Z L，He R J，et al. An ultra-high temperature testing instrument under oxidation environment up to 1800 . Review of Scienti？c Instruments，2016，87（4）： 045108.

[39]魏悦广 . 先进材料及结构的跨尺度力学行为表征 . 第十三届全国物理力学学术会议论文摘要集，2014.

[40]郭万林 . 多尺度物理力学的一些进展和挑战 . 第十四届全国物理力学学术会议缩编文集，2016.

[41]胡海岩 . 学科发展规划研究：力学学科领域发展战略与优先发展领域. 2019：5-7.

[42]Pal R K，Vila J，Ruzzene M. Topologically protected edge states in mechanical metamaterials. Advances in Applied Mechanics，2019，52 ：147-181.

[43]Bao G，Hu G H，Kian Y，et al. Inverse source problems in elastodynamics. Inverse Problems， 2018，34（4）：045009.

[44]国家自然科学基金委员会数学物理科学部. 国家自然科学基金数理科学“十三五”规划战略研究报告 . 北京：科学出版社，2017.

[45]刘俊丽，刘曰武 . 院士谈力学 . 北京：科学出版社，2016.

[46]Li X D，Xie H M，Kang Y L，et al. A brief review and prospect of experimental solid mechanics in China. Acta Mechanica Solida Sinica，2010，23（6）：498-548.

[47] 伍小平 . 近 40 年光力学进展的回顾 . 实验力学，2010，25（5）：491-508.

[48]李静，朱春丽，伍小平 . 全息光镊 . 北京：科学出版社，2015.

[49]杨福俊，何小元，陈陆捷 . 现代光测力学与图像处理 . 南京：东南大学出版社，2015.

[50]Qiu W，Kang Y L. Mechanical behavior study of microdevice and nanomaterials by Raman spectroscopy ：A review. Chinese Science Bulletin，2014，59（23）：2811-2824.

[51]Kang Y L，Xie H M. Micro and nano metrology in experimental mechanics. Optics and Lasers in Engineering，2010，48（11）：1045.

[52]李喜德，苏东川，曾杜鹃，等. 基于光学和探针技术的微纳米固体实验力学研究进展.

固体力学学报，2010，31（6）：664-678.

[53]于起峰，尚洋 . 摄像测量学原理与应用研究 . 北京：科学出版社，2009.

[54]Bolzon G. Advances in experimental mechanics by the synergetic combination of full-？eld

measurement techniques and computational tools. Measurement，2014，54 ：159-165.

[55]Knauss W G. Perspectives in experimental solid mechanics. International Journal of Solids and Structures，2000，37（1-2）：251-266.

[56]Marichamy M，Babu S. Mechanical properties of high temperature materials ：A review.

Management Science and Engineering，2019，13（1）：48-52.

[57]Wu L F，Yin Y J，Zhang Q，et al. Bi-prism-based single-lens three dimensional digital image correlation system with a long working distance ：Methodology and application inextreme high temperature deformation test. Science China Technological Sciences，2018， 61（1）：37-50.

[58]中国科学院 . 中国学科发展战略新型飞行器中的关键力学问题 . 北京：科学出版社，

2018.

[59]Li X D，Pedrini G，Fu Y. Optical metrology under extreme conditions. The Scienti？c World

Journal，2014，2014 ：263603.

[60]Bale H A，Haboub A，MacDowell A A，et al. Real-time quantitative imaging of failure events in materials under load at temperatures above 1,600 . Nature Materials，2013，12（1）： 40-46.

[61]Kitamura T，Sumigawa T. Experimental approach to fracture mechanics in nanometer scale. Procedia Structural Integrity，2018，13 ：2180-2183.

[62]Dai X，Xie H. New methods of fabricating gratings for deformation measurements ：A review. Optics and Lasers in Engineering，2017，92 ：48-56.

[63]Li X，Wu X P，Kang Y. Microoptical metrology in China. Optics and Lasers in Engineering，2005，43（8）：833-835.

[64]方岱宁，刘金喜 . 压电与铁电体的断裂力学 . 北京：清华大学出版社，2008.

[65]李晓玉，岳宝增 . 航天器刚-液耦合多尺度方法研究 // 北京力学会第二十五届学术年会会议论文集，2019.

[66]妙远洋，吕胜利 . 航空铝合金力学与电化学耦合点蚀损伤模型研究 . 固体力学学报，

2019，40（2）：137-146.

[67]卢瑶，武吉梅，王砚，等 . 随从力作用下变速运动粘弹性硬质薄膜的稳定性研究 // 中国力学学会 . 2018 年全国固体力学学术会议摘要集（上）. 北京：中国力学学会，2018.

[68]Zhang Y C，Zheng N，Cao Y，et al. Climbing-inspired twining electrodes using shape memory for peripheral nerve stimulation and recording. Science Advances，2019，5（4）： eaaw1066.

[69]Yin Y F，Li M，Li Y H，et al. Skin pain sensation of epidermal electronic device/skin system considering non-Fourier heat conduction. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2020，138 ：103927.

[70]Gong B，Lin J，Wei X，et al. Cross-linked biopolymer networks with active motors ：

Mechanical response and intra-network transport. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2019，127 ：80-93.

[71]方岱宁，刘彬 . 力电耦合物理力学计算方法 . 北京：高等教育出版社，2012.

[72]Yu P F，Hu S L，Shen S P. Electrochemomechanics with ？exoelectricity and modelling of electrochemical strain microscopy in mixed ionic-electronic conductors. Journal of Applied Physics，2016，120（6）：065102.

[73]Yu W S，Shen S P. Energetics of point defect interacting with grain boundaries undergone plastic deformations. International Journal of Plasticity，2016，85 ：93-109.

[74]Li S Z，Li Q Y，Carpick R W，et al. The evolving quality of frictional contact with graphene. Nature，2016，539（7630）：541-545.

[75]Fu Y M，Lu H T，Nian G D，et al. Size-dependent inertial cavitation of soft materials. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2020，137 ：103859.

[76]Yan D J，Chang J H，Zhang H，et al. Soft three-dimensional network materials with rational bio-mimetic designs. Nature Communications，2020，11（1）：1180.

[77]Ma P Y，Niu B F，Lin J，et al. Sequentially controlled deformations of patterned hydrogels into 3D configurations with multilevel structures. Macromolecular Rapid Communications， 2019，40（3）：1800681.

[78]Zheng S Y，Shen Y Y，Zhu F B，et al. Programmed deformations of 3D-printed tough physical hydrogels with high response speed and large output force. Advanced Functional Materials，2018，28（37）：1803366.

[79]Zheng Y N，Yu Z，Mao G Y，et al. A wearable capacitive sensor based on ring/disk-

shaped electrode and porous dielectric for noncontact healthcare monitoring. Global Challenges，2020，4（5）：1900079.

[80]Liang Z W，Cheng J H，Zhao Q，et al. High-performance ？exible tactile sensor enabling

intelligent haptic perception for a soft prosthetic hand. Advanced Materials Technologies， 2019，4（8）：1970041.

[81]Rogers J A，Someya T，Huang Y G. Materials and mechanics for stretchable electronics. Science，2010，327（5973）：1603-1607.

[82]Ma Y J，Zhang Y C，Cai S S，et al. Flexible hybrid electronics for digital healthcare. Advanced Materials，2020，32（15）：1902062.

[83]陈颖，陈毅豪，李海成，等 . 超薄类皮肤固体电子器件研究进展 . 中国科学：信息科学，2018，48（6）：605-625.

[84]陈伟民，付一钦，郭双喜，等 . 海洋柔性结构涡激振动的流固耦合机理和响应 . 力学进展，2017，47（1）：25-91.

[85] 钱学森 . 论技术科学 . 科学通报，1957，（3）：97-104.

[86]戴天民 . 力学和数学的相互关系 . 辽宁大学学报（自然科学版），1983，（2）：1-7.

[87]国家自然科学基金委员会数理科学部 . 国家自然科学基金“十三五”规划 . 力学学科战略研究报告，2014 ：82.

[88]闵祥伟，刘春惠 .“理工融合”教育模式的方法论基础浅析 . 北京邮电大学学报（社会科学版），2003，（4）：50-53.

[89]国家自然科学基金委员会，中国科学院 . 中国学科发展战略再生医学研究与转化应用 . 北京：科学出版社，2018.

[90]樊瑜波，张明 . 康复工程生物力学 . 上海：上海交通大学出版社，2017.

[91]龙勉，季葆华 . 细胞与分子生物力学 . 上海：上海交通大学出版社，2017.

[92]Zhang Y Z，Bu Y Q，Fang X Y，et al. A compact design of four-degree-of-freedom transmission electron microscope holder for quasi-four-dimensional characterization. Science China Technological Sciences，2020，63（7）:1272-1279.

[93]Ma J Y，Lu J X，Tang L，et al. A novel instrument for investigating the dynamic

microstructure evolution of high temperature service materials up to 1150 in scanning electron

microscope. Review of Scienti？c Instruments，2020，91（4）：043704.

[94]亢一澜，裴永茂，许峰，等 . 材料内部全场力学参数精细测量技术与表征评价方法关键科学问题 . 中国科学基金，2019，5 ：533-542.

[95]Buljac A，Jailin C，Mendoza A，et al. Digital volume correlation ：Review of progress and challenges. Experimental Mechanics，2018，58（5）：661-708.

[96]Ramesh K. Digital Photoelasticity ：Advanced Techniques and Applications. Berlin ：

Springer-Verlag，2000.

[97]Frenzel T，Kadic M，Wegener M. Three-dimensional mechanical metamaterials with a twist. Science，2017，358（6366）：1072-1074.

[98]Li J，Shan Z W，Ma E. Elastic strain engineering for unprecedented materials properties. MRS Bulletin，2014，39（2）：108-114.

[99]Xue Z，Song H，Rogers J A，et al. Mechanically-guided structural designs in stretchable inorganic electronics. Advanced Materials，2020，32（15）：1902254.

[100]Srivastava A. Elastic metamaterials and dynamic homogenization ：A review. International Journal of Smart and Nano Materials，2015，6（1）：41-60.

[101]Correia J，Lesiuk G，de Jesus A，et al. Recent developments on experimental techniques，fracture mechanics and fatigue approaches. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2018，53（8）：545.

[102]Mazars V，Caty O，Cou gnat G，et al. Damage investigation and modeling of 3D woven ceramic matrix composites from X-ray tomography in-situ tensile tests. Acta Materialia， 2017，140 ：130-139.

[103]Sloof W G，Pei R Z，McDonald S A，et al. Repeated crack healing in MAX-phase ceramics revealed by 4D in situ synchrotron X-ray tomographic microscopy. Scientific Reports，2016，6（1）：23040.

[104]Li Y C，Xu F，Hu X F，et al. In situ investigation on the mixed-interaction mechanisms in

the metal-ceramic system’s microwave sintering. Acta Materialia，2014，66 ：293-301.

[105]Coulais C，Teomy E，Reus K D，et al. Combinatorial design of textured mechanicalmetamaterials. Nature，2016，535 ：529-532.

[106]Berger J B，Wadley H N G，McMeeking R M. Mechanical metamaterials at the theoretical limit of isotropic elastic stiffness. Nature，2017，543 ：533-537.

[107]Zheng X J. Extreme mechanics. Theoretical and Applied Mechanics Letters，2020，10（1）： 1-7.

[108]Cheng G D，Li X K, Nie Y H,et al.EM-Cluster based reduction method for efficient numerical prediction of effective properties of heterogeneous material in nonlinear range. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2019, 348 ：157-184.

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