中国学科发展战略·固体力学

第一节 固体力学的定义和科学意义

 

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的受力、变形、破坏等行为和相关效应的力学分支学科。

固体物质（包括天然存在的和人工制备的）及其构成的结构系统是人类赖以生存、生活和生产的重要基础。能够合理地利用固体物质设计并制造工具机械、建造承载结构，同时保证其安全、高效地运行服役，是人类社会进步的重要标志，也是人类文明发展的重大成就。事实上，固体力学是最早发展起来的力学学科之一，在人类文明发展进程中几度占据中心地位。我国古籍中有关合理利用固体材料的大量论述，都隐含着深刻的固体力学基本原理。在欧洲，早在艾萨克 牛顿（Isaac Newton）诞生之前就出现了一批关于固体力学的萌芽性研究。其中，伽利略 伽利雷（Galileo Galilei）关于杆件强度的理论分析、罗伯特 胡克（Robert Hooke）对杆件拉伸性能的实验测试等，都是人类科技发展史中的重要篇章。18 世纪，为了满足工业发展和国防安全的需要，法国政府建立了著名的法国国立路桥学校和巴黎综合理工学院，并依托这两所学校培养了大批结构力学人才。法国因此成为通过系统力学教育培养卓越工程师的第一个国家，并被当时的欧洲各国竞相仿效，为工程科学发展做出了巨大贡献。

固体力学在现代工业和人类生活中发挥着极为重要的作用。马克思曾指出：“力学是大工业的真正的科学基础。”作为力学最重要分支之一的固体力学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，极大地拓展了人类活动范围，改善了人类生活质量，而且还自然为工程科学提供了基础理论和可借鉴的成功研究范式。固体断裂力学的发展大大减少了由结构断裂（fracture）破坏导致的灾难性事故，使得飞机、汽车、轮船等运载工具以及桥梁、大坝等工程结构的安全可靠性（reliability）空前提高。对复合材料的力学研究，深刻揭示了先进材料强韧化与破坏失效的内在机理，使得各种先进材料在众多领域得到了广泛应用。从古至今，大到超高层建筑、喷气式客机、巨型油轮，小至计算机芯片、心脏血管支架、微纳米机械等的设计、建造 / 制造与维护，都高度依赖固体力学的理论与方法。而近年来，一些重大装备因疲劳（fatigue）、损伤（damage）等原因发生的失事 /失效更是不断昭示固体力学研究对保障重要结构和先进装备安全性的极端重要性。当前，固体力学作为广泛工程和应用领域的基础科学，其地位已被广泛认可。面向未来，固体力学还将在人类文明发展以及科技进步进程中持续发挥不可替代的重要作用。

 

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

物体的运动以及物体之间力的相互作用是最基本的自然现象之一。力学作为研究力、运动及其关系的科学，是人类最早通过在认识自然以及生产实践中获取经验，搜集数据，总结规律，再通过抽象化、定量化手段建立起来的科学领域，在自然科学中处于最基础的核心地位 [1]。固体力学是最早发展起来的力学分支学科。早在 1638 年，意大利学者伽利略就研究了梁的强度问题；1660 年，英国学者胡克通过实验观测指出杆件的伸长量与其所受力的大小成正比，由此拉开了固体本构关系和线弹性力学研究的序幕；1750 年瑞士学者詹姆斯 伯努利（James Bernoulli）指出，应该采用单位面积上的受力和单位长度上的伸长作为描述固体变形的正确度量，这是关于应力（stress）、应变（strain）概念的最早论述；1757 年，瑞士学者欧拉（Euler）建立了受压柱体的线性屈曲（bucking）理论，为结构稳定性分析奠定了基础。之后， 在伯努利学术家族成员以泊松（Poisson）、纳维（Navier）、柯西（Cauchy）为首的法国学派，以及以基尔霍夫（Kirchhoff）为首的德国学派和以格林（Green）、开尔文（Kelvin）为首的英国学派努力下，有关梁、板、壳的固体力学理论相继建立，弹性力学的基本框架亦逐步完善。19 世纪初，连续介质力学成功建立，标志着固体力学已发展成为一门基础坚实、内容丰富并获得了广泛应用的力学基础分支 [2]。

自诞生之初，固体力学就以与固体材料和结构相关的一切力学问题为研究对象。作为基础研究的重要方向之一，固体力学在不断发展的过程中逐渐形成了“实验观测、理论建模、定量分析”相结合的研究范式。固体力学工作者在实验观测和合理假设的基础上，通过运用力学理论建立精妙的研究模型，借助严密的数学推理和精细的数值计算，定量化地描绘、解释、预测各种复杂的固体力学现象，解决自然科学和工程技术中的重要固体力学问题， 并在此过程中不断深化对固体力学基本规律的认识。固体力学不仅为自然科学知识宝库增添了丰富内容，作为最早实现了定量化研究的学科领域，还引发了自然科学其他分支学科（如地球动力学、流变学等）的兴起。这些分支学科通过继承固体力学科学精神、借鉴固体力学研究范式、汲取固体力学研究成果，得到了蓬勃发展。与此同时，固体力学还为土木、水利、海洋、交通、机械、航空航天、材料等几乎所有工程科学分支学科的发展提供了坚实的科学基础，是支撑上述学科开展定量化研究、实现重大工程技术突破不可或缺的重要支柱。固体力学针对材料和结构研究中最基本的强度预测和材料、结构设计问题，建立了严密的理论体系。毫无疑问，建筑物抗震设计，混凝土坝体裂纹扩展预测与控制，海洋石油平台健康监测，交通运载工具轻量化设计，机械产品制造工艺优化，航空发动机、重型燃气轮机、核电装备寿命评估等工程技术领域关键问题的解决，都必须依靠固体力学理论的指导 [3]。

二、固体力学极大地促进了社会发展和科技进步

马克思曾指出：“力学是大工业的真正的科学基础。”这表明，力学对 18世纪和 19 世纪的工业革命发挥了决定性作用。进入 20 世纪，力学理论和方法开始获得大规模应用，固体力学也在解决不断涌现的工程问题过程中迎来了蓬勃发展的崭新阶段，并对社会发展和科技进步起到了极大的促进作用。固体断裂力学理论的出现变革了机械强度设计的传统理念；基于结构动力学理论开展设计使得在地震多发地区建造高层建筑成为可能；为了解决固体力学问题而发展起来的有限元法（？nite element method），被运用于几乎所有工程科学领域，并深刻地改变了这些领域的面貌，从根本上提升了大型工程结构和重大装备的设计研发能力。世界上各工业大国无一例外地为固体力学强国，并不遗余力地保持其在这一学科领域的优势地位。

固体力学也在我国社会发展和科技进步进程中发挥了重要作用。中华人民共和国成立以来，在钱学森、郭永怀、钱伟长等杰出力学家的引领下，我国固体力学成绩斐然。我国固体力学工作者不仅在广义变分原理、板壳力学等方面做出了具有国际影响的开创性工作，赢得了世界力学界的尊重，也为我国工业和国防体系的现代化建设做出了奠基性贡献。20 世纪，“两弹一星”、核潜艇的成功研制，以及近年来我国在先进材料、载人航天、月球探测、三峡大坝建设、深海钻探、大型客机研制等方面取得的重大成就，都彰显了固体力学的重要支撑作用 [4, 5]。

三、固体力学的发展影响和促进多学科交叉融合

固体力学以自然界中广泛存在的固体物质及其构成的结构系统为研究对象，特别关注其受力、变形、破坏等行为和相关效应。由于研究对象和所关注问题在各学科领域中的广泛存在性，固体力学极易与其他学科深度交叉，形成新的固体力学分支学科，并在此过程中不断产生新概念、提出新理论、创建新方法、铸就新工具。固体力学通过与物理学交叉，催生了微纳米力学，并先后发展出表面弹性、应变梯度等超越经典固体力学框架的系统理论；通过与材料科学交叉，造就了复合材料力学，在复合材料等效性质研究中提出的 Eshelby 等效夹杂理论极大地丰富了固体力学知识体系；通过与数学交叉，产生了计算固体力学，有限元法、边界元法、无网格等不断出现的计算方法使得固体力学解决实际问题的能力得到空前提升。在与其他学科的交叉过程中，固体力学在不断完备并扩展自身学科体系的同时，还有力地推动了其他学科的发展。事实上，有关固体材料强度缺陷敏感性的探究直接导致了位错概念的提出。目前，位错已成为材料科学、金属物理学、地质科学中的重要研究对象，其相关工作大大深化了人们对材料增强增韧以及地震现象的科学认识。有关固体生物材料（细胞）在外力作用下微结构（形貌）演化的研究，揭示了力学激励对生命现象的重要影响，促进了生物医学工程和生命科学学科的进步。此外，对固体结构弹性力学边值问题、各种裂纹尖端场奇异性的研究，使得解析函数论、奇异积分方程等应用数学分支得到了很大发展，而正是对有限元法精度和收敛性的长期关注，使其为计算数学研究提供了持久不衰的前进动力 [6]。

为迎接 21 世纪人类所面临的气候变化、能源短缺以及可持续发展等诸多挑战，固体力学需要面向复杂介质，考虑极端环境，着力解决众多具有不确定性、非线性、非定常、非平衡、多尺度、多场耦合等特征的全新问题。为此，必须通过深度学科交叉，全面汲取相关学科知识精华，才能有所作为。在这一过程中，固体力学的发展促进多学科交叉融合的重要作用必将进一步凸显。

四、固体力学是培养创新型人才的摇篮

固体力学横跨理工，研究对象广泛，研究内容丰富，其研究最能充分体现力学学科所倡导的注重建立理论模型、注重发展和应用数学工具、注重定量分析和机理认识的基本理念。因此，固体力学培养的人才具有宽广扎实的数理基础、物理和数学建模方面的严格训练、良好的实验研究和数值计算能力，善于与其他学科领域结合，能够理工结合和兼顾大局，具有很强的创新精神和综合能力。可以说，固体力学是培养人才创新研究思维的良好载体。

长期以来，固体力学一直是我国工程学科创新型人才培养的摇篮和重要依托。中华人民共和国成立后不久，钱学森、周培源、郭永怀、钱伟长等老一辈力学家领导创建了我国近代力学人才培养体系，使力学学科在我国得到了极大发展。全国 100 多个力学研究所和高校院系几乎都建有固体力学学科方向，与力学相关的其他工程学科院系也设置了大量与固体力学相关的专业课程，源源不断地培养出各类优秀工程科学人才，为当时的国家经济建设，以及以“两弹一星”为标志的国防科技事业输送了一大批领军人物和技术骨干。改革开放以来，固体力学工作者更是活跃于土木工程、机械工程、航空航天工程、环境工程、材料工程、海洋工程、能源工程、生物医学工程等各个工程科学领域，为我国现代化建设做出了不可替代的突出贡献 [7, 8]。

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

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》明确指出： “今后 15 年，科技工作的指导方针是：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。”而实现这一路线方针的根本途径在于增强原始创新能力，培养一 大批优秀人才。鉴于此，一方面，固体力学作为最重要的自然科学分支学科 之一，将继续在基础研究层面发挥引领作用，通过发现新现象、探索新规 律、揭示新原理，为解决创新型国家建设中在资源、能源、环境、人类与自然和谐相处等方面所面临的重大科学问题提供源头思想；另一方面，作为连接自然科学与工程技术的桥梁，固体力学也将持续为我国装备制造业振兴、信息化与智能化融合、可持续发展能力建设、发明新产品、创造新技术、集成新系统提供科学基础和坚实支撑 [9]。