(1) 固体力学的两重属性
与整个力学学科一样，固体力学兼具技术科学与基础科学的属性. 它既为工程设计和发展生产力服务，也为发展自然科学服务。
固体力学在许多工程领域都发挥着重要的作用。这些领域包括航 空航天工程、造船与海洋工程、核电工程、机械制造、动力机械工程、 地质勘探、石油开采、土木工程、水利工程、岩土工程、材料科学与 工程、微电子技术、医学工程等等。
作为基础科学的力学为自然科学的发展作出了重要的贡献。在力 学发展中作出奠基性贡献的学者如伽利略（G. Galileo）、牛顿 （I. Newton）、柯西（A. Cauchy）、爱因斯坦（A. Einstein）等
人带动了整个数理科学的发展。在各门基础学科的术语中，“力”无 所不在。弹性力学的理论体系的建立是科学发展史上一个范例。非线 性科学中分岔的基本概念和分析方法萌芽于固体力学中的压杆稳定问 题。固体力学研究的对象包括自然界中表现形式最丰富的物质形态和 人类创造的绝大多数技术材料，它所研究的力学过程是宇宙间最基本 的过程之一。它通过数学力学理论、物理力学、力化学、天体力学、 地质力学、生物力学等交叉科学与其它所有基础科学门类相联系。
国际著名固体力学专家赖斯（J. R. Rice）教授在《不列颠百科 全书》（1993年版）“固体力学”条目中列举了下述可利用固体力学 概念来研究的命题: “在地幔中如何发生流动从而牵带大陆板块的迁 移及海床在它们之下的伸入? 山脉是如何形成的? 地震时断层处发生 了什么过程? 这些扰动是怎样以地震波的形式传播，且震撼并可能摧 毁建筑物和桥梁?滑坡如何产生?土壤和岩石基础在不破坏的前提下可 以承受建筑物对它的多大压力? 如何选择、配置和成形各种材料，从 而控制它们的承载来制成安全、可靠、耐久、经济的结构（这些结构 包括飞机骨架、桥梁、船舶、建筑物、人工心脏瓣膜和计算机集成电 路芯片）？如何利用这些固体材料来制造诸如喷气发动机、泵、自行 车之类的机器? 结构表面形状的变化或流体介质的不均匀性如何引起 运输工具（如汽车、飞机、轮船）的振动? 如何由振动控制来达到舒 适、减噪和避免疲劳破坏的目标? 在结构循环加载时（如桥梁、发动 机、机翼或油箱）裂纹扩展的速度有多快，什么时候会产生灾难性的 裂纹扩展? 我们如何控制结构物在冲击过程的变形，从而在设计运输 工具时使其具有耐撞性? 如何成形材料或技术产品（如金属和高聚物 的模具挤压、板材轧制、复杂形状模压等等）? 多晶体塑性和蠕变应 变时历经了何种微观过程? 如何将不同的材料相元配置在一起，像纤 维增强复合材料一样，来实现实用中所需要的刚度和强度的综合性能 在体育用品（如滑雪板和网球拍）中所需要的材料综合性能和总体响 应是什么? 人类头骨在事故中的冲击响应是什么? 人体的心脏肌肉如
何控制血液的泵压，且动脉瘤的发生源于何种控制功能紊乱?”上述 种种问题对自然界演化的解释，对科学技术的进步，对人类的生存保 护都是非常重要的。
返回“固体力学”
（2） 固体力学的历史发展
固体力学是人类科学技术史上最先发展的少数学科之一，在人类 文明进化过程中几度占有中心地位。
固体力学是在牛顿力学的伟大成就下得到迅速发展的一门力学学 科，但远在牛顿之前就有过很多重要的固体力学研究工作: 如列奥纳 多. 达芬奇（L. da Vinci，1452年～1519年）关于线材拉伸强度的 实验和伽利略（1564年～1642年）关于受拉和受弯杆件破坏强度的研 究。关于应力、应变和弹性的基本概念是在公元1660年到1822年期间 逐步形成的。胡克（R. Hooke）、伯努利（J. Bernoulli）、欧拉 （L. Euler）、库仑（C.A. Coulomb）、柯西等著名科学家为此作出 了重要的历史贡献。在18、19世纪和20世纪上半叶，借助于梁、柱、 板、壳等简化理论，固体力学成为当时工业的两大支柱建筑业和机械 制造业的主要技术分析手段。小变形弹性力学的一般理论在19世纪20 年代由柯西总结形成，大变形弹性力学理论经过19世纪中叶格林 （G. Green）、皮奥拉（G. Piola）和基尔霍夫（G.R. Kirchhoff） 的奠基，于本世纪中期通过瑞夫林（R.S. Rivlin）的工作推至可供 实用的阶段。
工程结构的轻型化和金属加工的迅速发展推动了固体力学中另一 分支学科塑性力学的发展。塑性力学的若干基本概念起源于库仑 （1773年），蓬斯莱（J.V. Poncelet，1840年）和兰金（W. J. M. Rankine，1853年）等关于延性材料屈服的研究，而近代宏观塑性理 论奠基于屈雷斯加（H. Tresca，1864年），胡伯（M.T. Huber， 1904年），冯. 密赛斯（Von Mises，1913年），普朗特（L. Prandtl， 1920年）和汉基（H. Hencky，1923年）等人的研究理论之上。在战 后经依留申（A.A. Il'iushin），希尔（R. Hill），普拉格（W.
Prager）和德鲁克（D.C. Drucker）等人的工作而建立了塑性理论的 数学框架。
航空与航天工程的发展要求航空航天结构物具有尽可能低但又确 保可靠性的安全系数，从而使固体力学成为不可缺少的分析工具，除 了关于充分发挥强度储备的塑性极限分析、薄壁结构的弹塑性稳定性 分析以外，关于应力集中、疲劳、振动、减噪方面的研究得到了迅速 发展。在第二次世界大战期间美国自由轮的大量低应力脆断解体事故 促使由格里菲思（A.A. Griffith，1920年） 首先提出但未受到普遍
重视的断裂力学的基本思想迅速发展为一门固体力学的重要分支学科 ——断裂力学。由此产生的断裂分析方法迅速应用于航空、航天、核 能结构完整性、石油化工压力容器与管道防爆、以及海洋结构的安全 可靠性。
固体力学本世纪发展的另一个特征在于从宏观和微观并行不悖的 研究逐渐转向宏微观相结合的研究。1905年弹性力学与数学家沃尔泰 拉（V. Volterra）首先分析了位错固体的弹性静态应力和位移场。 1934年泰勒（G.L. Taylor），奥罗万（E. Orowan）和波拉尼（M. Polanyi）各自独立提出了位错的概念。上述数学和物理研究两者的结 合为揭示固体塑性变形的一类基本规律奠立了基础。位错研究是理论 超前于研究、并指导人类认识的范例。它为近二三十年来固体力学与 材料科学的结合打下了基础。我国固体力学研究从宏观层次向更精细 物质层次的深入得益于钱学森倡导的物理力学。钱学森提出了“细观 力学”的名称，专指对具有内禀材料微结构的固体连续介质的研究。
实验是提出理论模型和工程准则的基本出发点，也是检验它们的 准绳。力学发展一方面受到实践中反映出来的大量新现象的推动，另 一方面通过实验，更深入细致地取得第一手资料，以此做为建立理论 的基础，使学科得到发展。实验固体力学不仅涉及力学，还涉及其它 多种学科，特别是新技术领域。
返回“固体力学”
（3） 当代固体力学发展
第二次世界大战后近50年间，形成了固体力学的近代理论基础， 在宏观力学上取得了一系列重大成就。现概述如下:
1） 宏观固体力学已经形成一个初步框架。理性力学在50年代至70年 代的迅速发展使宏观力学的基本理论在表观上形成比较严谨的体系。
2） 以有限元为代表的计算固体力学高速发展。有限元法的数学思想 曾由著名数学家柯朗（R. Courant）在1943年后加以初步描述，但该 方法的物理基础却归功于固体力学家在50年代与60年代所提出的广义 变分原理。有限元法在80年代广泛应用于几乎所有工程技术领域。常 规的结构固体力学计算已经基本解决。
3） 断裂力学的建立（针对于断裂、损伤、疲劳、磨损、腐蚀等破坏 模式）扩展了固体破坏理论，并发展了基于不同破坏特征量的缺陷评 定体系。
4） 固体的宏观本构理论描述尽管尚不封闭，但在材料对称性描述和
通常条件下的弹塑性大变形本构方面取得了重要进展。
5） 固体力学的测试技术更新换代。用计算机控制加载路径的试验机 已取代了老式试验机; 光测法的精度已提高到微米乃至纳米量级; 计 算机控制的振动平台可对大型机械和结构进行实测; 动态测试的应变 率已达到106～108/秒量级; 无损探伤技术得到了发展。
6） 细观力学于70年代兴起，至今已初具轮廓。细观固体力学与材料 科学相结合，在晶体塑性理论和结构材料的强韧性力学原理研究中取 得了重要进展，使科学家们对材料的强度和韧性有了更深层次的认识。
7） 固体力学在工程结构的完整性和可靠性方面取得了重要成果。对 航空航天结构、核动力结构、锅炉与压力容器、近海石油平台、管道 等重要工程结构建立了损伤容限评定或结构完整性评定的第一代标准。
尽管固体力学已呈现出一个高度发达学科的某些特征，但仍有一 批基本问题尚未得到解决:
首先是固体本构理论在宏观连续介质层次上未能实现封闭，破坏 的发生和传播机制在宏观层次上并不清楚。材料在外界作用下经变形、 损伤到失稳或破坏的过程是固体力学中最大的难题。固体的破坏同缺 陷和微结构形态紧密相关; 该过程不仅对材料细观结构和损伤形态敏 感，对固态物质微观层次上的缺陷也敏感。
与上述问题相对应的一个事实是目前工程材料可实现的强度与其 理论强度相差1至2个量级。举例来说: 现在已知许多纳米陶瓷具有比 常规陶瓷高得多的韧性，许多纳米晶体具有比常规大小的晶体高得多 的强度。这些纳米材料的塑性变形的基本机制并不清楚。如何由晶界 区域塑性滑错、纳米晶粒转动及纳米晶粒内部和短程位错开动来实现 纳米材料的超塑性组合变形还是一个非常模糊的问题。
固体破坏行为的许多反常困惑不仅发生在细微观世界，也发生于 尺度巨大的结构中。通常的标度律有时并不得到遵守。如对北极巨大 冰试件进行的冲击试验表明，其断裂韧性是实验室试件的10倍。大冰 块的大量缺陷在加载时起着吸能的作用。
固体疲劳行为的根本机制还远未得到阐明。目前尚缺乏理论模型 来说明累积塑性变形与疲劳断裂行为的关系。在大循环数非规则应力 应变加载下的循环塑性本构描述也一直未能取得突破性的进展。
现有的结构完整性评定体系还不能完全描述实际的破坏行为。很 多原来认为是材料常数的破坏特征量被实验证明与结构的几何形状有 关。例如，美国核管会和国家标准局模拟热力断裂事故的巨型试验结 果表明: 原来认为可逐渐延性止裂的结构在实验中呈现出由延性破坏
突转至脆性加速破坏的反常行为。
地震预报是另一个与固体力学有关的重大疑难问题。断层在地应 力作用下发生灾难性的裂纹扩展前在地层表面会出现何种可观测的力 学信号是一个与人类安全有关的重要课题。
有生命的固体（如人体和动物的骨胳、肌肉、内脏，头颅和植物 的茎、根、叶等）与无生命的固体在本构响应上有什么不同? 在它们 的本构描述中如何嵌入记忆功能、学习功能、控制功能、条件反射功 能和衰老特征? 动物和植物是怎样在自然界的长期斗争和适应过程中 获得在本身能力限制下最佳的结构响应特征? 这些都是生物固体力学 尚未解决的重要问题。还可举出薄壁结构的后屈曲、材料和结构在动 载荷下的响应、固体材料的流变以及多孔介质中流固耦合等问题。
上述问题仅是固体力学尚待解决问题中露出的冰山一角，固体力 学的学科进展是无止境的。
返回“固体力学”
2.2.2 固体力学的发展趋势
固体力学的两重属性使我们可以从应用研究和学科研究两个方面 来讨论固体力学跨世纪发展。
（1）固体力学应用研究的跨世纪发展趋势
1）工程技术的发展的跨世纪发展趋势
2）材料科学与固体力学
3）微机电系统
4）精细加工
5）能源工程
6）航空航天与交通工程
7）老龄工程结构的安全评估
8）岩石力学与工程应用
9）土力学与工程应用
1） 工程技术的跨世纪发展态势
工程技术的跨世纪发展的特征是:
① 工业文明从机器时代转入信息时代。在硬件上导致各种精微力电 系统的出现，在软件上需求大规模并行计算技术，在安全运行上提 出更高的可靠性要求。
② 人类将追求更干净的环境和更清洁的能源。快中子堆技术、高坝 技术和高功率水力发电技术将成为引导我国走向能源现代化的关键技 术。
③ 人类将对防灾、减灾和改善事故安全提出更高要求，由此需要对 老龄工程结构和运输工具进行更科学的安全评估。
④ 高新技术材料和仿真材料将大量出现，集传感功能和驱动功能为一 身的智能型结构材料将进入各种用途。人们将在细微观力学原理下指 导精细制造工艺和材料设计。
⑤ 航空与航天工程将呈持续发展势头。设计和研制空天飞机和高超音 速客机提出了新的固体力学课题。
⑥ 生物医学工程和生命系统仿真技术将由定性的功能开发阶段转向定 量的分析、实验和模拟阶段。
长期以来，固体力学始终与土建、机械、船舶、航空等工程技术 紧密结合，这个结合今后还将继续加强。与此同时，在全世界高新技 术迅速发展的今天，概括上述工程技术的跨世纪发展态势，固体力学 将与材料科学、微电子微机械工程（或称微力电系统）与精密制造工 艺这三个重要工程技术领域形成新的密切结合点，并引导具有重大工 程意义的技术突破。与此同时，固体力学将在基础设施建设、能源工 程、航空航天工程取得新的技术进展，建立新一代航空航天结构的强 度设计准则和确保老龄运输工具和能源结构的安全运行评价标准。在 21世纪上半叶，固体力学将渗入和指导生物医学工程和生命仿真技术 的进展。
大型基础设施建设，运载工具发展，加工工艺精细化，以及微电 子元件、微机械等新技术的出现，提出了众多的实验力学问题。例如 桥梁钢索的张力，桥塔的变形监测；水坝因湖汐的变形和长时变形； 超高建筑的抗振性能和风载下的变形；舰艇受冲击波或高压下的变形 和强度问题；航天工程中火箭的整体振动，飞船对接的碰撞；低温工
程中的材料在极低温度下的力学性能；微电子封装的可靠性分析；核 电站结构的安全监测；无损检测等等。上述问题为工程中的实验力学 量测提出了要求：如残余应力、热应力的测量，细微观应力与变形测 量，材料在极端条件下力学性能的测量等。在上述测试要求中，一部 分已列入规范，但部分的力学测试有待更新和探索。
返回“2.2.2 (1)”
2） 材料科学与固体力学
材料科学领域在本世纪末期出现了百舸争流的繁荣态势，涌现了 包括超导材料、铁电灵敏材料、精细高韧性陶瓷、高性能结晶控制合 金、金属间化合物、形状记忆合金、高强韧性高分子材料、功能梯度 材料等一批新技术材料，以适应各种高技术发展的要求。固体力学与 材料科学相结合所取得的典型成功例子包括：
① 发展了以Si3N4、SiC、Al2O3及ZrO2为代表的新型结构陶瓷，其抗 弯强度从100MPa提高到2500MPa，应力强度因子K从5MPam1/2提高到 30MPam1/2。这一发展是与材料强韧化力学原理的指导紧密相关的。 ② 热致液晶高聚物与热塑性树脂在分子水平上的原位复合是近年来增 强塑料合成途径的重要突破，制成了基体强度和模量提高2至3倍的所 谓21世纪塑料或超级工程塑料。
③ 作为材料强韧化力学原理指导作用的一个里程碑，美国在战略防御 计划中推出太空抗强冲击轻型铝基/碳化硅晶须加强复合材料，采用碳 化硅晶须的蜂窝状排列而构成增韧层与增强层网络交布的最佳细观力 学设计，使其冲击韧性超过常规材料的20至100倍。
④ 具有超硬、强韧化性能的薄膜、多层膜类微细结构的力学行为研究 （包括在力学场作用下的功能行为）已成为本世纪末的新热点。
综上所述，由于材料科学与力学、物理学、计算机科学的交缘， 由于若干类新型强韧结构材料的诞生，由于制约结构材料强韧性的一 些基本规律的发展，在强韧化力学原理的指导下，结构材料领域在本 世纪末可能会取得突破性的进展。
目前国际上在结构材料的强韧化力学原理研究方面取得的学科突 破有:
① 提出了相变塑性、延性相诱发耗能、裂纹面桥联等对脆性基体的增 韧机理与模型，并运用于结构陶瓷和结构高分子材料。
② 建立了制约微孔洞和微裂纹形成和演化的细观损伤理论，并已应用 于金属、陶瓷和混凝土材料的本构描述与强韧性计算。
③ 界面力学的兴起以及对纤维、晶须增强、延性界面、复合相增韧的 研究。界面韧性的适度设计思想及复合材料镀层技术在强韧化设计中 得到应用。
④ 纳米材料和纳观力学（nanomechanics）飞速发展。原子移位技术 的出现，使材料原子结构设计制造和原子固体力学的辉煌前景得以展 现。
目前在材料与微结构强韧性力学原理这一研究领域所存在的两个 主要问题是: ① 对强韧化原理的研究水平还停留在“分析解释材料的力学行为”这 一阶段; 还未能达到“定量设计和试制具有高性能的各类材料”这一 更高的境界。
② 强韧化力学原理的运用还停留在唯象力学的层次，未能进入将宏观 力学参量与微观物理事件相定量贯通的物理力学层次。
固体力学的方法论不仅适用于研究结构材料的力学性能，也可运 用于研究其他电、磁、热、光学等性能。固体力学的研究对象已从结 构材料拓展至功能材料，并在灵敏、智能材料的本构响应与变位控制， 微电子材料可靠性，多层外延超晶格材料的位错控制等方面取得了初 步研究成果。固体力学面临的另一重要挑战在于将对块体材料的研究 推广至薄膜和纳米材料的研究。
材料内部初始就可能有宏观或细观缺陷。实验固体力学研究的一 个重要任务在于开展对材料内部缺陷的演变的实验研究，以此为基础 建立从损伤直至破坏的理论模型。
光学透明材料可以用众多的方法来研究，如光弹性、全息光弹、 散斑散射等。对光学不透明材料，声波、毫米波、同步辐射光和射线， 都是可以用于给出内部信息的波。各种波的全息术、层析照相或显微 层息照相，能给出空间分辨率很高的内部信息。关键是接收器的分辨 率、加载机构的精确和计算软件的优劣。光声光热效应也是获取材料 性质和内部缺陷的有力手段。
返回“2.2.2 (1)”
3） 微机电系统
信息科学与技术是高新技术的关键之一，也是跨世纪科学发展的 主流之一。微电子技术中，大规模和超大规模电路的微型化是技术发 展的一个主流。
近年来，出现了微机械和微传感器。由具有感知功能的微传感器， 具有电脑功能的微电子元器件，及具有致动功能的微执行器可组成一 个集感官、思维、动作为一身的微机电系统。这一组合展现了微机械 人的前景，可能带来新的工业革命。这一联合学科的研究在国际上称 为“Mechtronics”，标志着固体力学研究领域的拓宽。与此相关的 多媒体力学量测技术和铁电致动器细微力学加载技术也必然引起实验 力学的突破性进展。
从80年代起，微电子元器件的几何构形开始从基底上的单层亚微 米薄膜发展为数百层叠合膜。集成电路失效的重要原因在于未处理好 力学、热学和电学的耦合效应。因此多层微电子元器件及封装的热失 配、变形、损伤、细观断裂和焊点破坏的研究及内导线（interconnects） 的电迁移研究，对于高可靠性的器件及封装的失效防范是十分必要的。 在中国微电子产业的跨世纪发展中，将形成微电子机械系统（MEMS） 的新领域。微细加工工艺、微致动技术、微机电系统的设计、微机械 的应用等分支提出了涉及材料、微机构、微传感、微制动、微加工工 艺等细观力学研究课题。
这一领域已成为美、日等国高技术竞争的前沿。国内研究正在起 步，在薄膜力学，光电学缺陷观察、电迁移损伤、穿层位错引致失效、 铁电致动器断裂疲劳研究等方面取得了一定的研究进展。
返回“2.2.2 (1)”
4） 精细加工
精细加工与传统的机械加工不同，需要考虑材料的细微观形态， 以及加工历史所可能造成的影响，因此需要引入细微观力学的定量描 述。精细加工技术包括: ①伴随有相变过程（液-固或固-固）的加工 工艺; ②激光加工过程; ③原子移位技术; ④晶界工程; ⑤成形过程 的织构动力学; ⑥薄膜与界面的沉积过程; ⑦精密机械加工。
综合利用细微观的力学、热学与物理学的知识将为该领域的发展 提供定量的分析框架。其中一个重要的方向为研究材料微结构在制造 与加工过程的演化，包括形貌演化、相结构演化、缺陷结构演化等。 此外，薄壁结构加工中的非线性动力学包括塑性稳定性和结构演化; 连续铸造与橡塑成形过程则要研究流固状态共存的情况。
返回“2.2.2 (1)”
5） 能源工程
能源紧张已成当今人类面临的最严重问题之一，能源问题对我国 更显得紧迫。石油勘探，深层煤资源利用，太阳能、风能、潮汐能的 开发，近海能源的海洋工程，尤其是即将修建的三峡工程，都对力学 特别是固体力学提出新的挑战。其典型问题包括减灾力学研究、高坝 失效模式仿真、超大功率水电机械强度失效分析、三峡船闸高边坡稳 定问题等。
快中子增殖堆，由于壁厚薄、工作温度高，需要研究如蠕变与疲 劳交互作用、高温蠕变损伤、地震诱发的动力失稳、液态钠晃溅与固 体结构的相互作用、假想堆芯爆炸等失效模式。这问题已成为每两年 一届国际反应堆结构力学（SMIRT）大会的重要议题。
返回“2.2.2 (1)”
6） 航空航天与交通工程
在20～21世纪之交，将可能出现高超音速飞机和空天飞机等新一 代的航空运输工具，并对复合材料的力学设计，复合材料构件的成形 加工，耐高温材料研制，结构强度设计，缺陷识别反问题和可靠性分 析，高超音速下的振动噪声控制，航天器的循环热匹配等提出新的要 求。
交通工具的高速化也反映在地面和海洋运载工具上。高速铁路和 高速公路将成为我国跨世纪期间基础设施建设的重点。列车高速运行 时，振动、摩擦、撞击磨损等对固体力学提出更高的要求。汽车运行 的高速化可能造成更多撞车事故，需要在中国开展耐撞性（crash－ worthiness）研究，涉及到冲击力学和塑性动力学等领域。高速公路 的施工质量和路面龟裂的问题涉及对路基、道路载荷谱和路面材料细 观结构进行综合力学设计。对已服役路面的损伤监控也要根据实时测 量和力学反问题分析来解决。
返回“2.2.2 (1)”
7） 老龄工程结构的安全评估
我国从50年代起开始进行大规模工程结构建设。到世纪之交，很 多航空、能源、石油化工、民用建筑结构将陆续进入老龄期。老龄结
构的安全评估最近被提到了一个突出重视的地位。如美国DARPA和ONR
去年把老龄飞机（aging aircafts）的安全评估确立为近期固体力学 应用研究的两个重点之一。核电站主压力回路和锅炉及石油化工压力 容器的老龄化也是与固体力学有关的一项关键问题。美国核管会(NRC) 将中老龄核电站的运行安全列为最重要的未解决安全问题。美国时代 周刊在科学栏里以突出的地位对此进行了报道。近期发展的漏后断(LBB) 准则被认为是集热工流体力学与弹塑性断裂力学之大成而处理这一问 题的范例。我国大量的锅炉和压力容器在长期的应力、腐蚀和疲劳作 用下已进入老龄阶段，也存在应用研究的课题。
返回“2.2.2 (1)”
8） 岩石力学与工程应用
岩石力学探讨岩石在其周围物理和工程环境中变形、强度和破坏 的力学性质和力学效应。岩石力学的理论基础涉及弹塑性理论、流变 学、流体力学、结构力学、工程地质、地球物理学、矿物学和水化学 等学科。岩石力学的工程应用涉及采矿、交通、水电、石油、工民建、 地震、国防工程和核废料处理等岩土工程领域。近年来，断裂力学、 损伤力学、分形几何、分岔、混沌、突变理论、协同论等学科分支和 研究方法相继渗入，推动岩石力学的不断发展。
岩石是自然界的产物，是由多种矿物晶粒、孔隙和胶结物组成的 混杂体。经过亿万年的地质演变和多期复杂的构造运动，使岩石中形 成各种断裂，如裂隙、夹层和断层等。所以岩石结构是极其复杂的非 连续和非均质体，它的力学属性具有非线性、各向异性及随时间变化 的流变特性。岩石的变形和破坏性质不但和岩石的复杂结构密切相关， 而且还受温度、围压、孔隙水等环境因素的影响。
岩石力学研究是伴随对岩石物理力学性质认识的逐渐深入而不断 发展的，对岩石变形破坏特性的描述，是在广义虎克定律基础上，不 断深入到岩石的非弹性变形、体积膨胀、各向异性、硬化及软化、流 变大变形。传统的岩石屈服函数通常采用库仑和德鲁克-普拉格准则， 以及近年来发展的帽盖型临界状态模型等。考虑到岩石屈服面与破坏 面相异，在力学本构模型中采用非关联塑性流动法则以及多重屈服面 模型和边界面模型等。各种流变模型的建立旨在反映岩石粘、弹、塑 流变变形性质。
岩石材料具有多种内部缺陷是造成岩石非弹性变形的主要原因。 为描述岩石的状态，岩石损伤力学引入内变量来刻划岩石介质微观结 构的变化，有各种定义下的损伤变量和损伤演化规律。目前，很多学 者试图由岩石的细观结构的裂隙变形扩展，得出岩石宏观破坏的力学 准则。其中，分形、混沌、分岔等现代数学理论的应用为描述岩石细 观结构及演化过程开辟了新的途径。同时，也为分形岩石力学、岩石
分岔理论等新学科分支的建立提供了可能。
在距地表十几公里内的地层，特别是涉及工程范围内的岩体，受 地质构造运动的影响，存在大量的断层、节理、层理和地质弱面。这 些地质结构面的存在，破坏了岩层的整体性，它们的性质和空间分布 极大影响着岩体的变形、强度和气、液通导特性。不连续性、非均匀 性和各向异性是岩石材料最主要特性。节理岩体的性质在很大程度上 取决于岩块系统的构成，而不是岩石材料本身。运用连续介质力学方 法一般将结构面及其邻域作为分析单元，建立了节理本构模型并与岩 石本构模型耦合计算非连续岩体的运动、变形和失稳。此外，提出了 非连续介质力学解析方法和力学模型，如可变形块体平衡理论及离散 单元法。但事实上，目前对岩体结构面的几何形态和力学性质的描述 依然十分粗糙，特别是环境因素对它们的影响尚缺乏可靠的实验依据。 这是重大岩土工程的力学分析中亟待解决的问题。
岩体中的孔隙和裂缝网络是液体、气体的自然通道。从不同工程 背景出发，岩石力学一方面须研究渗流对裂隙岩体力学性质的影响 （如由水库裂隙水诱发的地震），提出岩体稳定性力学准则和加固方 案，如对三峡坝基与边坡、铁路交通桥梁基础与隧道等长期稳定性问 题的研究的预测; 另一方面要研究液体、气体在不同外力场作用和裂 隙分布的岩体中的流动规律，在一定条件下，流体的流动与岩体的变 形和破坏产生耦合的作用。在工程应用方面，可以采用人工方法制造 岩体裂缝以改变原始应力场及提高渗透率，如应用于油气田开采，煤 矿瓦斯抽放，地热开发、煤的地下气化等。在地学中，矿液的运移与 成矿关系也是一个重要课题。目前，国内外对岩石固液耦合力学研究 已引起普遍关注，有着广阔的应用前景。
岩石力学基础研究的成就已大大促进了岩土工程的发展。60年代 初，岩石弹塑性理论在岩土地下工程稳定性分析中的应用，使人们认 清了岩土工程结构的本质与特性，认识到地下工程围岩即是一种载荷， 也是一种结构，提出了以新奥法为代表的新的岩石支护与施工方法， 革新了传统支护的观念与思想，充分发挥围岩的自承能力，产生了巨 大的经济效益。70年代，岩石粘弹、粘弹塑性理论研究使岩石流变学 取得了巨大的进展，为预测岩土工程的长期稳定性、核废料的长期埋 藏提供了理论基础。岩石刚性压力伺服实验机使得岩石应力、应变全 过程得到准确测定，为研究岩石超过最大载荷后的力学行为，为采场 矿压分析、矿柱设计、岩石失稳研究、岩爆与地震机理研究提供了实 验基础。岩石破裂与破碎的研究，大大改进了爆破技术和矿石粉碎工 艺，以及石油钻井技术与压裂增产石油工艺。多孔介质力学理论为研 究油藏工艺、煤矿瓦斯抽放技术、地下水渗流问题奠定了基础。岩石 中的应力波动理论促进了岩石声发射技术、超声波测试技术的发展， 为岩石破坏与失稳的无损监测提供了强有力的手段。现代计算机技术 的迅速发展，正对岩石力学产生深远的影响。
在最近几年中，岩石力学与岩土工程的重心已有相当大的转移， 也就是由传统简单的理论分析、经验类比转向更复杂、更符合实际的 理论分析和岩土工程数值模拟。岩石人工智能、专家系统与神经元网 络系统使复杂岩土工程设计与施工的决策更趋于合理与可靠。
特殊及恶劣环境下的岩石力学问题的研究已经得到极大的关注， 包括: 岩爆力学的研究，矿井深部开采和高地应力引起的冲击地压、 瓦斯突出和矿井灾害的预测与预报，膨胀岩（软岩）中巷道变形与维 护，建筑物、铁路、河流下采矿引起的地表移动、破坏和地面保护， 承压水体上采矿引起的突水及岩层控制，以及海洋下石油和矿物开采 与煤炭地下气化、液化的岩石力学问题。
返回“2.2.2 (1)”
9） 土力学与工程应用
土力学的近代理论由太沙基（K. Terzaghi）所奠基，它成为一 门技术科学只有70余年的历史。土是由三相（固、水、气）组成的碎 散体，由岩石风化后经搬运和沉积而形成，其力学性质复杂且富于变 化。土力学的理论基础涉及弹塑性理论、流变学、流体力学、工程地 质、矿物学和水化学等学科。它的应用涉及到工民建、水利、水电、 海洋、交通、国防、地震、采矿和环境等工程领域。大型高土石坝、 高层建筑、重型厂房和大型海洋钻井平台的建造给土力学提出了许多 新的研究课题。
土力学的理论研究集中在土的本构理论研究。包括土工离心模型 试验，渗水力模型试验和足尺模型试验技术等土力学试验手段在近年 来得到迅速发展。理论与实验研究的重点包括：地震中土的液化的土 动力学，海洋工程中土在循环加载及主应力旋转下的力学特征，与湿 陷性黄土和膨胀土有关的非饱和土的力学特征等。近年来，断裂力学、 损伤力学、分形几何、模糊数学、分岔、混沌、突变等理论相继用于 描述土的力学和物理特性。
值得提出，近来国际上物理学界对沙土的力学行为引起浓厚兴趣， 因为沙土具有独特的性质，主要来自颗粒间的摩擦和非弹性碰撞等耗 散性，不能简单地把沙土视为通常的固体、液体或气体。物理学家发 现沙堆的力学特征与凝聚态物理中耗散系统的某些特征具有类比性， 可以通过沙堆中的松弛、垮塌等非线性行为的研究促进和加深自旋玻 璃中的松弛、半导体的击穿及自组织临界行为等的认识。这就进一步 说明了土力学这门学科的丰富多彩。
我国在土力学领域的若干个重要发展方向为：
① 土力学中理论与计算的工程验证（如高土石坝工程）。
② 土的本构理论研究，包括复杂应力路径下的本构关系、土的各向 异性力学特征、主应力旋转时土的应力应变关系、不饱和土的变形特 征、本构模型的实用化等。
③ 现代土工试验量测技术。如发展剑桥式真三轴仪、空心扭剪仪、方 向剪切仪、大中型土工离心机等先进试验量测手段。 ④ 地质灾害中的土力学问题，如冲刷侵蚀、塌方、滑坡、泥石流的 机制与防治等。
综上所述，固体力学既与2）、3）、4）中所描述的三项跨世纪工 程技术的发展结下不解之缘，也和我国跨世纪期间大规模基础建设的 需求有关，同时还与传统工程技术的新问题有密切联系。工程应用将 是我国广大的固体力学研究工作者的主战场。固体力学的研究工作者 应深入到相关的工程技术领域和工程技术人员并肩努力，搞清现象的 机理，建立有效而准确的数学物理模型。这样才能使固体力学再创辉 煌，在跨世纪科技发展中发挥重要的作用。
返回“2.2.2 (1)” 返回“固体力学”
(2) 固体力学学科研究的发展趋势
自然科学和工程技术的跨世纪发展将拓广固体力学的学科前沿。 研究的对象从均匀介质拓广为非均匀介质，从单相的介质拓广为多相 的介质。研究环境从简单的环境拓广为伴随着热、电磁与化学（例如 相变）作用的环境。研究的层次从宏观深入到细观与微观，并实现宏、 细、微观的结合，由此造成细观力学的发展。与层次细化相呼应的另 一发展趋势是空间尺度与时间尺度的粗化，探讨地球和地壳板块的运 动和断裂，进行星际撞击的破损评估。固体力学的研究过程已从古典 固体力学所涉及的强度条件，延伸到固体连续变形至宏观裂纹扩展的 破坏过程; 再进一步深化为研究固体由变形、损伤的萌生和演化，直 至出现宏观裂纹，再由裂纹扩展至破坏的全过程。研究不仅限于当前 状态，而追溯到材料形成、构件与结构的制造工艺的历史过程。研究 的目标不仅针对已有材料，还要按一定的力学性能或特种功能的要求 从不同的尺度上设计材料。上述研究内容的拓广，使当今固体力学远 远超出古典线性固体力学的范畴，而具有高度非线性特征。固体力学 的发展必须吸收非线性科学的成就，同时推动非线性科学的发展。为 了实现固体力学对研究对象、环境、层次、过程、历史和目标的拓广， 力学家们应借助于计算机和计算力学的发展，借助于近代物理学提供 的从宏观到细、微观尺度的新型实验力学手段。
在对力学发展的总体认识下，固体力学在世纪之交将体现以下趋势:
1）以非线性力学为核心领域的力学与数学的结合
2）以宏、细、微观力学为核心的力学与物理科学的结合
3）岩土力学
4）实验固体力学
5）计算固体力学
6）流固耦合问题
1） 以非线性力学为核心领域的力学与数学的结合
这一结合引入近代数学的定性理论和非线性科学的成就，使力学 研究的思想观念和分析方法上升到一个新的高度。这些非线性科学的 工具包括非线性动力学的方法和概念，如分岔、混沌、孤立子、分形 几何; 也包括非平衡统计理论，如粗视化（重整化群）方法和渐近相 似理论。图案动力学（pattern dynamics）方法，宏微观群体演化的 逾渗过程也将成为固体力学理论、实验和数值模拟的重要方向。
返回“2.2.2 (2)”
2） 以宏、细、微观力学为核心的力学与物理科学的结合
这一结合将力学引入细微观世界，使力学研究的层次和精确性深 入到一个新的水平。进入90年代以来，国际固体力学界在学科进展方 向上取得了四项重要成就: ① 哈佛大学赖斯教授所领导的研究组提出了裂尖位错形核的皮尔斯 （R.E. Peierls）框架。赖斯等在原子内聚力思想下研究了非完整位 错自裂尖的逐步形成过程，摒弃了不准确的位错芯概念。该研究提出 了一个位错形核特征量: 不稳定性堆垛能，其重要性相当于格里菲思 为描述脆性过程在1920年提出的断裂表面能。美国ONR评价这项研究 是近十年来这一领域内最重大的研究发现。以该研究为契机，一批固 体力学家的研究开始进入传统的固体物理领域。
② 美国布朗大学金（K.S. Kim）教授所领导的纳观力学实验室实现了 力学量测技术的重大突破: 借助于具有原子分辨率的电镜和量测数据
的量子场论修饰技术，首次实现了具有原子尺度分辨率的力学场测量， 使实验力学测试的空间分辨率从原先的微米量级跃进至纳米量级。在 实验中测得的位错变形场结构推翻了原有的位错芯模型。
③ 原子镶嵌模型（EAM）逐渐成熟。美国桑地亚国家实验室在巴思克 斯（M. Baskes）教授领导下的研究组已对元素周期表上的常用元素
（42种）测出了EAM所需的物理参数。该项研究为原子多体势理论的应 用提供了一个可操作的方案。在该套数据下，固体的本构和破坏过程 描述将在原子层次上初步得到封闭。
④ 大规模位错计算得到实施，计算规模为几千根三维位错的演化过程。 大规模位错计算初步支持了变形诱导位错花样的理论。
发展空间分辨率在微米或亚微米尺度的实验力学量测方法是开展 细微观力学研究的关键之一。对金属和合金的显微变形与破坏特征、 两相或多相复合材料的界面力学行为、纳米颗粒掺杂的陶瓷材料的增 韧机理，薄膜和多层介质膜的微纳结构的力学行为等，都需要微米或 亚微米级的观测。将扫描电镜与现代光测方法中的云纹干涉技术、网 格法、广义散斑法相结合，并配合图像处理，可获得大量的细微观变 形信息。
固体力学理论与热学、电磁学等作用环境的进一步结合将拓宽固 体力学的领域; 并将深化对非平衡热力学和非均匀群体布朗运动规律 的统计; 深化对磁致应变、电致应变、畴壁结构、应变容纳问题的认 识。预计经过一个较长的发展阶段，固体力学将与液体力学一起进入 生命科学的领域。力学家将与生命科学家、物理学家和化学家一起模 拟生命的发生、繁衍、进化、损伤、老化等过程，探究生命信息的传 递，定量地展示仿生医疗器械的力学功能与控制。
返回“2.2.2 (2)”
3） 岩土力学
由于岩石结构及环境因素极为复杂，岩土力学的研究将不断丰富 力学学科的内容，目前较活跃的研究前缘包括:
① 岩石非线性本构理论与流变。包括非线性体积变化、非关联塑性与 粘性流动、应变软化、各向异性、拉压异性、主应力旋转影响、加卸 载路径依赖性和围压效应等本构行为的研究。此外，由微裂纹成核、 扩展以及宏观裂纹的出现而导致的破坏与失稳全过程的非线性本构描 述; 非局部理论、微极理论以及高应变梯度等本构理论都是重要的研 究方面。应在细观流变力学研究和宏观流变实验基础上，建立流变理 论模型。对岩体长期强度研究和预测还须考虑到岩石裂纹表面的形态、
岩石节理充填物性质、应力解除以及水渗透等环境因素的影响。需要 研究如何识别系统发生突变的前兆信息的方法和测量手段。
② 细观岩石力学与分形。包括建立基于分形的岩石内部结构状态的定 量方法，确定可测量的能描述岩石组构的微结构参数，进行结构演化 的细观力学分析，提炼岩石损伤演化与岩石宏观变形和破坏之间的力 学关系，认识岩石不规则裂纹尖端的应力场奇异性以及裂纹的分形性 质，考虑与孔隙水、温度等环境因素有关的岩石裂纹扩展问题等等。 发展非连续岩体力学、非均匀岩体力学，其内容包括节理岩体的地质 描述、节理面力学性质研究、块体静态与动态力学分析等。
③ 岩石工程失稳的分岔和混沌研究。利用岩石非线性本构理论，进行 岩石剪切带局部化与岩石失稳过程的有限元数值模拟。引进非线性科 学研究的原理与方法，研究岩土工程失稳过程的分岔和混沌特征。 ④ 流固耦合岩土力学与渗流。包括考虑固体矿物颗粒、水和气三相相 互作用，岩石孔裂隙网络几何形状和裂隙表面粗糙度对渗流的影响， 固流两相介质应力-变形和流动耦合分析，煤与岩体应力-气（液）渗 流耦合分析，岩体中应力-热-气（液）体流动及化学材料渗流耦合分 析，岩体内的二相流动等。
返回“2.2.2 (2)”
4） 实验固体力学
在固体力学的跨学科发展中，力学工作者往往先通过固体力学实 验获得一些新发现; 提出一些新概念，以孕育新理论的形成。因此， 实验力学量测能力的进一步扩展是跨世纪期间的重要发展态势。力学 家们将得到具有原子清晰度的变形、应变场图像，将具有单原子操作 和加工能力; 将与空间技术配合量测大地构造的变形（如地震前兆应 变监测、格陵兰巨冰断裂韧性试验），并模拟和监控巨观结构（如青 藏高原）的塑性蠕变演化行为; 借助于电磁炮冲击（弹头速度超过 10km/s）将可实现局部的超高应变率加载，在轻气炮冲击下实现跨音 速分层断裂，将设计出多种具有三维高速加载能力的实验设备。
实验固体力学工作者必须从事测试技术的研究与相关仪器的研制， 关注各个学科领域的进展，要借助于各种高新技术、敏感元器件的新 成果、控制技术、图像和软件等方面的新成果，把力学仪器提高到一 个新水平。
测试技术按学科分类，可以大致表述为以下几个方面:
① 声光技术. 由于声波可穿透各种材料，所以是对内部测试的有力工
具。声发射、声弹性、声全息、声散斑、声频谱分析、声显微镜、精 密声速、光声光热技术等等，都可以在一定条件下获得内部的信息， 有些空间分辨率也可达到光波波长的量级，对于监控也非常有用。 ② 光学技术. 特点是非接触式的方法，有众多的技术。如全息干涉、 散斑干涉、云纹和云纹干涉、焦散法、网格法、衍射法等等，配合图 像处理可以用于了解损伤到破坏的过程。激光是最重要的光源，白光 也常被使用，同步辐射光是非常有用的新光源，全息技术和层析技术 都是获取内部信息的有效方法。
③ 电学技术. 这是应用最广的技术，也有利于实现长期监测。目前 声、光、磁学方法的检测，大都通过自动记录或图像处理手段来显示 和处理，也可以说是与电学技术相配合。毫米波技术在无线电领域已 经成熟，应用到实验力学，也是一种高分辨率测试内部的手段。 ④ 磁学技术. 铁磁材料是工程中被广泛使用的材料。应用磁学方法， 研究钢材细观的和宏观的现象是很有效的，如巴克豪生效应、磁致伸 缩以及磁致伸缩的逆效应、漏磁通和磁声发射。
⑤ 计算机技术. 包括动态实验图像处理和分析，多媒体实验力学技术， 计算-实验力学等。
因为仪器的研究既是基础又是学科发展的技术支撑，所以实验力 学工作者还必须肩负高新仪器研究的任务。
返回“2.2.2 (2)”
5） 计算固体力学
长期以来，力学的发展以实验与理论分析为支柱。宏观力学的经 典理论体系早已建立，然而其方程的分析求解却远未解决。力学的数 值分析计算在过去成了通向工程应用的一道瓶颈。当今计算机的功能 发展很快，从根本上改善了固体力学的计算能力，材料的本构与破坏 也有了更为深刻的描述，多层次计算技术、并行计算技术和智能性计 算环境已经成为可能，计算固体力学已成为带动固体力学发展的分支 学科。
计算固体力学中的重要研究领域有：
① 计算固体力学的数值方法. 算法是计算固体力学研究的重点， 将不断地提出新的高效算法，在未来10年内的发展趋势为:
（a） 非线性问题将是算法研究的集中点。
（b） 并行算法和技术将有很大发展。
（c） 计算力学软件向更大规模、更完善化发展，着力改善人机界面， 采用图形化，可视化的前后处理，采用多媒体手段等。
在这一研究趋势下，计算固体力学算法研究的若干重要问题可列 举如下:
（a） 计算细观力学. 为深入研究材料的本构和破坏行为，提出了多 种细观的离散模型，例如分子动力学模拟、缺陷和裂纹的损伤演化模 拟等。
（b） 解析法与数值法的结合. 采用数值法并不排斥解析法，巧妙地 采用解析法可能带来有价值的结果。边界元法就是这种结合的产物。 对于旋转体或多种对称的结构可用群论方法求解。这类有效算法应当 集成到通用有限元程序中。
（c） 哈密顿体系。弹性力学基本体系的解析求解方法历来在一类变 量的范围之内进行的，或者是力法，或者是位移法。从数学体系来看， 一类变量属拉格朗日体系的方法，长期以来多采用半逆解法求解。然 而，如果将方程导向哈密顿体系，则完全可以用直接法找出这些解答。 对于结构动力学，有陀螺项的系统。波的传播问题等，可以将方程导 向哈密顿体系，用辛数学方法求解。
（d） 并行算法. 为适应计算大型问题的需要，并行计算在国际上的 呼声日高。在发展我国新一代并行计算机技术装备的同时，研究重点 应放在针对典型问题研究和设计快速有效的并行算法及与之配套的专 用的并行计算机。
② 计算力学软件. 国产软件问题应特别予以强调。计算决不是 仅仅为验证理论而服务，而是要提供应用于工程的手段。重要工程都 是综合性的，因此必然要求大规模的计算固体力学程序系统、集成系 统。我国必须发展自己的大规模结构分析程序系统。
计算模型的妥当选择是计算力学软件成功的关键问题。一个优秀 的计算力学软件中一定要涵盖足够丰富的计算模型。要开展计算力学 专家与特定工程领域或结构力学专家的合作，建立可以部分代替人类 专家的有限元模型化咨询系统，延伸现有的前、后处理器使它智能化。
CAD、CAM、CAE及CAI，是计算力学程序系统与工程及计算机科学 的交叉点上生长出来的。它紧密地连接计算力学程序系统，并且在工 程中显示出强大生命力，必须予以足够的重视。
计算软件的研究还应当包括理论公式的机器推导与机器证明，以 及计算结果的可视化技术等。
③ 非线性计算. 系统优化、结构优化、参数识别、结构控制、 动力控制以至人工智能、专家系统的提出与发展，提出了一类新的非 线性计算问题。问题的非线性性质体现在设计参数、控制参数及其历 史进程方面。小参数展开的近似方法、牛顿法、修正牛顿法、规划论 等多种方法，给这一大类非线性力学问题的求解提供了有力手段。
求解各类大变形固体力学问题是当今数值计算的一个重要发展方 向，它们涉及到材料粘塑性、流变、热传导与相变等效应，需要发展 相应的有效算法。
④ 计算结构力学. 计算结构力学以计算机为手段研究结构力学中 的结构分析和结构综合问题。结构分析指在一定外界因素作用下分析 结构的响应，包括应力、变形、频率、极限承载能力等。结构综合指 在一定约束条件下，综合各种因素进行结构优化设计，例如寻求最经 济、最轻或刚度最大的设计方案。
结构动力学问题（如抗震动力分析与控制）是不能松懈的课题。 时程积分是结构动力学的基本问题。对于结构在冲击荷载、突加荷载、 控制力、热冲击、传质传热等过程中的响应都要进行时程积分的计算。 当前熟知的Newmark法、Wilson-θ法、中央差分法等差分类的算法， 易于带入误差，应发展高精细程度的积分类算法。
结构在冲击作用下的大变形与破坏，其中包括高应变率下的响应， 以及在动力荷载作用下发生的稳定性分岔均需要发展数值方法及软件。
对于周期性载荷作用下的结构，频率较高的振动在很大程度上形 成波的传播与散射。微小的不均匀可以引起局部化振动，造成严重后 果。该问题与哈密顿体系相衔接，有许多理论与计算方面的问题需要 深入探讨。此外，流固耦合的振动及响应计算也是具有多方面工程应 用前景的课题。
结构的主动控制是大型结构抗风、抗震的发展趋势。应当认真研 究数据采集，参数识别，控制反作用（actuate）的全套过程，用算 法与程序系统贯通起来。
应用中不可避免地要处理不确定的因素，例如制造误差与环境因 素等。随机振动在工程中有广泛的应用，目前对于平衡或非平稳，多 点同相位或异相位激励的快速计算方面都已取得突破性进展。应当大 力提倡这方面的应用研究。
⑤ 结构优化. 结构优化是应用中的重大课题。近年来已从结构
尺寸优化发展到结构形状和拓扑的优化。与优化相关联的反问题是许 多应用课题中的基础，应大力予以研究。在优化与反问题中，可应用 序列线性规划与序列二次规划法。
结构优化分析反过来对于力学基础理论也作出了重要推动。在板 的优化研究深入之际，已发现传统的连续体并不是最优的，真实的优 化解应当是由无限密肋组成的板结构形式。这个结构影响深远，由此 启发出微结构材料设计这一尖端领域。一般的结构优化问题中未知量 是连续变化的，而拓扑优化则是离散的，而且改变着区域的拓扑性质， 所以拓扑优化的非线性性质更高出一个层次; 至于设计方案、总体布 局等问题，甚至都无法找到恰当的数学模型来进行表达，这一类非线 性只能用人工智能、专家系统的手段来处理。
返回“2.2.2 (2)”
6） 流固耦合问题
工程结构往往工作和运行在各种流体介质之中，从而在工程中形 成各种流固耦合问题。流固耦合可造成灾难性的破坏事故: 如输油管 道由于流油激励诱发振动而造成管道断裂; 反应堆中吊篮和冷却液相 互作用在失水事故中会降低堆芯的安全性; 石油海洋平台与波浪或流 冰、船舰与波浪相互作用的重要性是显而易见的; 周围水中爆炸冲击 波与水面舰只或潜水艇的破坏作用半径是海军舰群防御的重要数据; 在水利工程中水坝、坝内间隙与水波的相互作用，在水电工程中水轮 发电机叶片与水流的相互作用都是典型的流固耦合课题; 航空工程中 机翼的颤振、油箱内燃油的晃动都由流固耦合产生; 在航天工程中液 体火箭飞行的运动稳定性问题、高层建筑在风载下的变形、在地震激 励下的储油罐破坏问题都涉及到复杂的流固耦合现象。
流固耦合的特点在于固体变形不仅取决于运动流体所给予的载荷， 而且又反过来影响流体的运动，从而又改变了作用于固体表面的载荷。 如果流体是液体，那么流体内部还可能发生空化现象。这类流固耦合 问题需要对流体运动和固体运动的方程联立求解。
近年来，流固耦合研究发展的三个标志为: （1） 由线性流固耦 合问题发展到非线性流固耦合问题;（2） 由固体结构的变形和强度 问题发展到固体的屈曲问题;（3）计算格式从单纯的固体有限元格式 或流体的差分格式到混合或兼容的流固格式。现已能在固体和结构中 考虑材料非线性和几何非线性; 在流体中也开始考虑有粘性和空化等 效应的流体模型，从而得以模拟出晃动、空化、飞溅等流固耦合行为。 在流体激发振动中也已经开始考虑复杂的结构阵列和流体流动。
返回“2.2.2 (2)” 返回“固体力学”
2.2.3 中近期建议着重研究的领域
（1）材料的宏细微观本构理论与破坏过程
（2）制造工艺中的力学问题
（3）岩土类材料的破坏与地质灾害的防治
（4）结构的分析、优化、稳定性研究和安全评估
（5）复合材料细观力学和性能控制
（6）流体-固体的非线性强耦合问题
（7）冲击动力学
（8）摩擦与磨损
（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。
返回“2.2.3”
（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。
返回“2.2.3”
（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。
返回“2.2.3”
（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。
返回“2.2.3”
（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。
返回“2.2.3”
（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。
返回“2.2.3”
（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。
返回“2.2.3”
（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。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容