固体力学发展与前沿探索

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1、固体力学发展与前沿探索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。固体力学旨在认识与固体受力、变形、流动、断裂有关的全部自然现象，这里所说的固体指在一自然约定的时间尺度内可有效承受剪力的连续介质。并利用这些知识来改善人类生存条件、实现人类目标。固体力学是整个力学学科中的研究规模最大的分支。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.daVinci，1452年～1519年）关于线材拉伸强度的实

2、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

3、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

4、.密赛斯（VonMises，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。二战以后，航空与航天工程的发展要求航空航天结构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、

5、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

6、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

7、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。（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

8、.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