力学学科现状与展望-吴子牛.ppt

北京航空航天大学 2005年10月22日力学学科现状与展望,吴子牛 孟庆国,致谢：叶友达、樊菁、方岱宁、顾元宪、邱志平、张伟、龙勉、詹世革、刘青泉等,报告提纲,一、力学学科的特点二、国内研究特色三、力学需重点关注的领域四、科学基金现有资助的布局及分析五、流体力学现状分析六、趣味流体力学问题,一、力学学科的特点,力学是研究力与运动的科学，是一门应用性较强的基础科学。力学是认识自然的一个极其重要的手段，甚至可以说，任何一个重要的宏观自然现象的解释与定量预报，都离不开力学。,一、力学学科的特点,力学在20世纪有很大的发展，形成了比较完整的学科体系 一般力学、固体力学、流体力学、生物力学等交叉领域。创立了一系列重要概念和方法，成为了近代土木建筑、机械制造、航空航天工业、材料科学与工程等的基本理论基础。,一、力学学科的特点,进入21世纪，新兴的科技领域导致许多与传统力学研究的问题十分不同之处：研究对象尺度的差异，如纳米科技涉及到了纳米尺度，而生命科学/生物技术已进入蛋白/DNA等大分子量级；物体变形和运动不仅由力场而常是由多场耦合作用，如热、电、磁、声、光、化学等的作用；物质常具有较强的各向异性和非均匀性。,一、力学学科的特点,因此，力学能否投入到上述新兴的科技领域，研究这些领域中出现的与力学相关，但在许多方面又跨越了传统力学研究范围的新问题，并能对新兴领域的工程应用起到关键作用，是当前力学工作者面临的一个挑战。,一、力学学科的特点,中国力学在国际力学界处于较先进地位。2005年初，对SCI源库中106种力学期刊的国际联机检索统计。中国大陆力学论文数：2000年 655篇 2001年 761篇 2002年 799篇 2003年 931篇 2004年 993篇20002002年世界排名为第3位，20032004年世界排名上升到第2位。,一、力学学科的特点,最近5年，在力学类影响因子前10位期刊的论文排行情况为：2000年13篇 2001年31篇 2002年38篇 2003年40篇 2004年48篇中国学者在力学顶尖刊物上发表的论文数呈明显增加趋势，由1.4%增加至约5%，表明中国力学研究总体水平的提高。20022004年力学界有3人获得国家自然科学奖二等奖。（朱位秋、陈予恕、郑泉水）,一、力学学科的特点,作为一个经典的学科，力学具有比较完整的理论体系，同时又与许多学科交叉，研究队伍分布广泛。主要特点：1.力学是一个应用性较强的基础学科，受学科自身发展和国家需求的双重驱动。从国内现状来看，尤其需要加强结合国家需求背景的基础研究。,一、力学学科的特点,2.力学具有不断开拓新的研究领域的能力，学科交叉突出，形成新的学科生长点。力学学科的这一特点不断地丰富着力学的研究内容和方法，并使力学学科保持着旺盛的生命力。3.机理化、定量化地认识自然与工程。4.力学二级分支的队伍分布不均衡。一般力学占12.2%，固体力学占50.7%，流体力学占25.6%，力学交叉领域占11.5%,一、力学学科的特点,随着科学技术的发展，力学学科与其他学科的交叉越来越明显，同时也使得现代力学所涉及对象的复杂性越来越突出，提出了一系列处于科学前沿的新问题和新领域：微纳米力学；多场耦合力学；复杂介质力学行为；跨尺度关联与多尺度计算；生命科学中的力学问题；仿生力学；复杂系统非线性动力学与控制；环境与灾害力学；非线性与远离热力学平衡的力学行为等。,一、力学学科的特点,同时，在重大力学应用和重大力学问题解决上将有重大进展：虚拟工程、虚拟设计、虚拟制造等手段将使力学以更大的深度和广度介入到工程领域的总体技术；对超高速、超高压、超高温和微重力等极端条件下的力学行为的新认识，将为远离平衡态过程提供新的认识；对湍流、固体强度与破坏、高维非线性系统动力学等基本力学难题的研究将取得新的进展；中国国防与武器装备建设更需要力学的发展。,二、国内研究特色,国内相对优势领域国内在固体材料的宏微观力学研究方面有着较好的基础和一定的优势。在材料的宏微观力学方面，如断裂力学理论、固体本构关系、相变力学、非均质力学、应变梯度理论、电致失效力学等，获得了一批达到国际水平的成果。清华大学固体力学研究所，2001年获得了国家自然科学基金委员会创新研究群体的资助。,二、国内研究特色,空气动力学研究是国内流体力学的优势研究领域，队伍和成果集中，应用背景明确。近年来，国内在分离流、旋涡运动、非平衡流动、湍流、流动稳定性等方面取得了具有国际影响的研究成果，为提高我国的国际地位，形成中国特色的研究体系做出了贡献。中国空气动力研究与发展中心空气动力学研究组，2003年获得了国家自然科学基金委员会创新研究群体的资助。,二、国内研究特色,计算力学是国内具有一定优势的研究领域。我国学者在结构的微构造优化、结构拓扑优化以及奇异最优解理论、结构形状优化以及灵敏度分析半解析法、结构优化方法与软件应用等方面，都取得了有国际影响的成果。大连理工大学计算固体力学组，2004年获得了国家自然科学基金委员会创新研究群体的资助。,二、国内研究特色,我国学者在动力学与控制领域具有相对优势。在非线性动力学研究方面,我国学者在国际上做出了一些较有影响的成果。例如，非线性随机系统动力学的Hamilton理论体系，非线性鲁棒稳定性，时滞系统非线性动力学与控制，高维非线性系统的全局分叉和混沌动力学等。在这一领域，最近3年有2人获得国家自然科学奖二等奖,有1人获得国家科技进步奖二等奖。,二、国内研究特色,薄弱方向及问题 目前我国力学界在固体生物材料、生灵材料、仿生材料的力学研究基础薄弱，在器官力学与功能性仿生器件、骨-关节力学与生长力学方面的研究基础也不强。国内在先进的生物实验测试技术、自组装技术、生物纳米结构的制备与复制技术等方面技术的落后，也限制了该领域原创性成果的产生。,二、国内研究特色,与国际计算力学软件相比，我国计算力学软件的发展规模及水平仍然有很大的差距，在整体功能与性能上还无法与国外同类产品竞争。因此，不但重大工业项目中的工程力学计算几乎全靠进口程序，甚至一般中小设计院也被进口程序所控制。长期受制于进口软件而没有国家层面的对策，将使我国在国际经济和科技竞争中，在国防实力对比上长期处于落后被动的地位。,二、国内研究特色,对照国际生物力学的发展前沿，我国生物力学薄弱领域为：生物力学新技术和新方法。目前我国生物力学研究的技术和方法主要是采用国外该领域的成熟方法或沿用力学的已有方法，原创性、概念性的技术和方法较少，从而影响和制约着我国在本该领域的创新和发展。,三、力学需重点关注的领域,（一）优先资助领域（二）国内急需发展的领域或方向（三）需采取特殊措施给予资助的领域或方向（四）需要特别给予考虑资助的重大科学问题,（一）优先资助领域,高维非线性系统的复杂动力学与控制该领域的几个主要发展方向为：（1）全局分叉和多脉冲混沌动力学；（2）时滞系统的非线性动力学与控制；（3）随机系统非线性动力学与控制；（4）含有碰撞、摩擦和约束的变结构多体系统动力学；（5）微/纳尺度系统动力学与控制；（6）极端工况下重大装备中的非线性振动与控制。,（一）优先资助领域,微纳米力学该领域的几个重要发展方向为：（1）纳米力学的基本理论框架与体系；（2）微纳米尺度上的多物理场耦合问题；（3）纳米材料的力学行为；（4）微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）中的力学问题。,（一）优先资助领域,多场耦合力学智能材料与结构力学该领域的几个主要发展方向为：（1）力电磁热耦合场分析理论；（2）力电磁热耦合场的破坏力学、失效机理与智能器件的可靠性；（3）智能材料的本构关系；（4）智能结构动力学与主被动控制；（5）耦合场下信息结构的实验方法与封装等相关的虚拟模拟技术。,（一）优先资助领域,生物、生灵、仿生、杂交材料体系的力学该领域的几个主要发展方向为：（1）从原子尺度来研究生物材料和纳米结构生灵材料的基本变形和破坏的微观机制；（2）功能性仿生材料与器件的力学性质、生物相容性及其功能性，人工仿生材料和康复器械的力学设计；（3）生物材料的力电磁耦合场行为、与化学力之间的关系；（4）具有生物分子的流固界面层的纳米力学；（5）发展自组装技术来实现生物纳米结构的制备与复制。,（一）优先资助领域,跨尺度关联与多尺度计算跨尺度关联与多尺度计算具有两重内容：在一个物质描述层次下，针对不同尺度下的场结构特点而进行的级进式多尺度计算，以及跨不同物质描述层次（如连续介质与分子动力学描述）的多尺度计算。目前在该领域的几个主要发展方向为：（1）跨尺度计算方法；（2）多尺度力学的理论与表征方法；（3）尺度效应。,（一）优先资助领域,可压缩流动机理与表征方法在该领域表现出的几个重要发展方向有：（1）可压缩湍流的流动机理及模式；（2）激波基础问题研究，包括激波稳定性、激波的反射规律、激波与其它波包括物质界面的相互干扰；（3）非定常高超音速流动，高超音速流动与轨道动力学的耦合；（4）可压缩性对混合层的影响，包括涡结构描述与演化机理、增混措施研究；（5）高温非平衡气体流动，包括高焓气体地面实验和诊断方法、非平衡气体和等离子体流动、稀薄气体效应。,（一）优先资助领域,仿生流体力学仿生流体力学是一门快速发展的新型交叉学科，它涉及小尺度非定常空气动力学和主动变形变位边界的耦合问题。它将昆虫、鱼类等生物视为有生命的机器，研究它们在神经信号控制下，驱动其强劲的推进肌产生收缩动作，形成拍翼运动或波状摆动，将肌肉中蕴含的生化能转化为机械能，从而实现自主飞行和自主游动这一复杂系统的科学规律。,（一）优先资助领域,生物力学发展的前沿领域及重要科学问题从生物力学的自身发展及相关交叉学科的进展上看，当前生物力学发展的前沿领域可归纳为：（1）细胞-分子力学与工程；（2）器官-组织力学与工程；（3）骨骼-肌肉-关节力学与工程；（4）生物力学新概念、新技术与新方法。,（二）国内急需发展的领域或方向,国家安全中的关键力学问题在21世纪，要使我国的国家安全装备水平走上一个新的台阶，不论在尖端武器或常规武器方面都有许多关键的力学问题需要解决。力学学科的一些基础研究方向：如爆炸与冲击力学、船舶水动力学、空气动力学、化学反应流体力学和燃烧理论、承载与防热材料与结构的力学一体化设计、武器系统的动力学与运载控制等，已成为各种舰船、飞机、坦克车辆、兵器火炮、空间武器技术研究与发展的重要基础和支撑。,（二）国内急需发展的领域或方向,环境力学问题环境力学是力学与环境科学相互结合而形成一门新兴交叉学科。它更强调环境问题的动力学过程和定量化研究。目前在该领域的几个主要发展方向为：（1）多相、多组分复杂流动及多过程耦合作用；（2）自然环境流动的多尺度效应和非线性作用；（3）干旱、半干旱环境治理的动力学过程（侵蚀、沙尘、荒漠化）；（4）以水或气为载体的物质输运过程（污染物排放、河口沿海泥沙输运）；（5）重大环境灾害发生机理及预报（洪水、滑坡、全球变暖）。,（三）需采取特殊措施给予资助的领域或方向,工程力学软件开发自主产权的国产化与商业化大规模、高性能的力学计算软件系统，不仅对于力学研究和应用，而且对于工业与高新技术领域及国家安全都是至关重要的。目前迫切需要的是建立一、两个大型力学计算软件库基地。基地的任务：一是研究开发和集成大型力学与工程计算软件（如结构分析与优化、计算流体力学软件、国防尖端武器研制设计仿真优化软件）。,（三）需采取特殊措施给予资助的领域或方向,工程力学软件开发自主产权的国产化与商业化二是发展力学数据库（如复杂流场数据库，材料力学性能数据库，各层次结构动力学演化的虚拟现实等），发展中国知识版权的CAE（计算机辅助工程）与虚拟仿真技术及软件产品。这不仅将极大地促进计算力学的发展，更会使一批产业发生本质的提升，更是21世纪我国工程界提高竞争力的一个主要技术源泉。,（三）需采取特殊措施给予资助的领域或方向,制造技术中的关键力学问题先进制造技术是影响一个国家综合国力，改造传统产业，实现高技术产业化的关键。在机器人技术、微型机械加工技术、精密成形和快速原形成形、热加工工艺模拟技术、微电子元器件的设计和加工等方面，涉及大量的力电磁热湿的多场耦合和功能材料的力学性能与应用等力学问题。常规制造技术中也伴随着大量力学问题。为改善某些制造业中能耗大、材耗高、污染重、产品质量不稳定的状况，需要对生产工艺定量优化和计算机辅助工艺进行研究。制造中的变形过程和材料中的微结构演化需要通过宏观与细观相结合的力学方法来加以解决。,（三）需采取特殊措施给予资助的领域或方向,人类健康科学领域的力学问题人类健康科学领域的力学问题是多学科交叉的新领域，但它有别于生物力学和环境力学，涉及到的主要研究方向有：（1）疾病检测方法与诊断技术，如疾病诊断的生物芯片与生物微系统，以及相关检测技术（如磁力共振技术、病毒冲击打靶技术等）；（2）医疗仪器的传感技术与采集分析软件技术；（3）医学材料力学设计、制备与表征方法；,（三）需采取特殊措施给予资助的领域或方向,人类健康科学领域的力学问题（4）人体健康环境发生机理、预报与控制；（5）基于数学力学基础上的公共卫生与健康的统计模型与数值模拟方法；（6）药物力学：涉及生物大分子-配体小分子相互作用的热力学、动力学；（7）应力与生长的关系及应用：应力与细胞生长关系的研究则是组织工程的关键性学科基础之一。,（四）需要特别给予考虑资助的重大科学问题,航空航天中的力学关键科学问题我国神州五号飞船的研制所提出的13项关键技术都与力学密切相关，说明了力学在航空航天中的举足轻重的作用和地位。在21世纪国家对空天安全能力发展的要求下，将面临一系列极富挑战性的、基础性的研究课题，其中关键技术涉及：高超声速技术；高机动飞行技术；长距离空天飞行技术；高隐身技术；兼具超轻质量、高强韧、耐热和抗冲击性能的结构技术；以及精确打击及可靠性技术。,（四）需要特别给予考虑资助的重大科学问题,航空航天中的力学关键科学问题与这6大关键技术相关的核心科学问题为：（1）高速、高机动飞行中复杂流动机理；（2）高温、高速条件下气流的燃烧，热力学和化学非平衡流动；（3）轻质、强韧、抗撞击、防热结构及其材料一体化设计的理论和方法；（4）隐身技术的基础问题。,（四）需要特别给予考虑资助的重大科学问题,灾害与公共安全的力学问题我国自然灾害（如台风、泥石流、山体滑坡、地震等）频繁发生，现代灾害预测与防治是一项艰巨的任务，其中涉及到的力学问题为：（1）研究解决地球表面生态系统中物质（如水、沙、气等）和能量的运动规律；（2）地球构造的运动和动力学及地震机制与地震预报；（3）沙漠中沙丘演化的自组织临界性现象研究及遏制我国西北地区荒漠化；,（四）需要特别给予考虑资助的重大科学问题,灾害与公共安全的力学问题（4）预测及防范泥石流、山体滑坡等自然灾害；（5）毒气、基因病毒的扩散控制；（6）关于工业性灾害（如煤矿巷道坍塌、瓦斯突出，锅炉、压力容器爆炸等）的预测与防范。,（四）需要特别给予考虑资助的重大科学问题,仪器设备研制及实验力学新技术与新表征方法力学科学仪器设备为力学家认识世界和验证力学理论提供工具。实验力学除了具有力学基础研究的性质外，还具有很强的技术性和应用性。该领域具有自己的一些特性：原创性强、经费投入大、失败率高、成果周期长。目前在该领域的几个重要科学问题和发展方向为：（1）高灵敏度纳观测量方法与技术，微纳米力学测量数据的表征模型与方法，微系统和低维结构的实验方法与模拟技术；,（四）需要特别给予考虑资助的重大科学问题,仪器设备研制及实验力学新技术与新表征方法（2）力-电-磁-热耦合场加载与量测表征技术；（3）各种特殊环境下的物理力学性能量与多维运动参数的测量技术；（4）具有高空间分辨率、高温、实时的全场测试手段，电子探针显微镜结合单分子力谱测量方法；（5）生命与仿生中的实验光电测量技术与表征方法；（6）高速加载与测量技术，极高频率的检频方法。,四、科学基金现有资助的布局及分析,国内力学基础研究队伍,正高级：1651人，副高级：2363人，中级：1289人,2004年对国内86个单位的力学基础研究人员的调研结果表明，目前国内拥有5300余人的力学基础研究队伍。,四、科学基金现有资助的布局及分析,国内力学基础研究队伍研究人员多数处于3045之间，峰值出现在3741岁年龄段。40岁以下的研究人员中多数是副高级和中级职称。,四、科学基金现有资助的布局及分析,申请力学基金项目情况,19982005年8年期间力学学科申请项目情况,四、科学基金现有资助的布局及分析,资助力学基金项目情况19862004年期间(19年)，力学科学处共资助各类项目2322项，获得资助的项目负责人共1522人。有466人获得了持续资助，占资助总人数的31%。,1986-2004 年力学学科资助项目负责人获资助项目数,四、科学基金现有资助的布局及分析,19982004 年7年期间力学学科资助项目情况,资助力学基金项目情况,20012003 年项目申请及承担人员情况,对20012003年各类申请、资助项目进行了分析,申请项目中申请者与参加者具有中级职称以上的人员为4861人，具有中级职称以上承担项目人员为1556人，可见尚有2/3的人员未能承担基金。,四、科学基金现有资助的布局及分析,从基金申请量看力学基础研究队伍,四、科学基金现有资助的布局及分析,19992003流体力学各分支学科申请数、资助数、资助率分布图,五、流体力学现状分析,在基础理论研究方面，多年来，我国学者在流动转捩机制、湍流机理与模式、分离流、旋涡运动、非平衡流动，以及高精度计算格式和方法等方面，取得了一批有国际影响的成果。发表在国际知名刊物论文的数量和比例稳步提高。,106种力学期刊的前13种刊物,1 流体力学年鉴(5.108)(ANNU REV FLUID MECH)2 应用力学进展(4.222)(ADV APPL MECH)3 固体力学与物理(2.885)(J MECH PHYS SOLIDS)4 国际塑性力学杂志(2.768)(INT J PLASTICITY)5 流体力学杂志(1.811)(J FLUID MECH)6 流变学（J）(1.778)(J RHEOL)7 理性力学分析杂志(1.736)(ARCH RATION MECH AN)8 微力学与微工程(1.699)(J MICROMECH MICROENG)9 非线性科学(1.615)(J NONLINEAR SCI)10 国际应用力学杂志(1.614)(INT APPL MECH+)11 流体物理(1.566)(PHYS FLUIDS)12 流变学学报(1.548)(RHEOL ACTA)13 计算机与流体(1.479)(COMPUT Fluids),五、流体力学现状分析,五、流体力学现状分析,五、流体力学现状分析,在结合国家需求的研究方面，解决了我国航空航天、国民经济中的一些重大科学和技术问题。我国神州号飞船、飞机、武器中的气动问题 各种建筑的风环境问题形成了良好的学术队伍、学术氛围。老、中、青结合的学术梯队,五、流体力学现状分析,流体力学研究队伍分布在少数的单位具有流体力学研究集体的单位：中国科学院力学研究所 中国空气动力研究与发展中心 中国航天科技集团公司第11研究院 中国船舶科学研究中心 4个院所,五、流体力学现状分析,流体力学研究队伍分布在少数的单位具有流体力学研究集体的单位：清华大学 北京大学 北京航空航天大学 上海交通大学 上海大学 天津大学,五、流体力学现状分析,流体力学研究队伍分布在少数的单位具有流体力学研究集体的单位：南京航空航天大学 南京理工大学 浙江大学 中国科学技术大学 西北工业大学 仅11所高校，相当多的重点研究单位无流体力学！与固体力学队伍分布在80多个单位相比，太少！,五、流体力学现状分析,流体力学研究人员比例在下降5年内，从基金项目申请量来看，流体力学研究队伍的比例从26%下降到21%，使得本来力学二级分支队伍分布不均衡局面更加严重。原因：流体力学研究周期长，出成果慢，吸引力不足；与固体力学相比，新的学科生长点少，同时涉猎新领域的人员少；学术“百花齐放”的局面没有充分形成。,五、流体力学现状分析,实验研究人员偏少很少从事流体力学实验原理和方法研究的人员，缺乏自主研制流体测量仪器的能力。流体实验研究的周期更长，出成果更慢。,五、流体力学现状分析,流体力学研究领域 湍流 流动稳定性与转捩 空气动力学 高温气体动力学 稀薄气体动力学 水动力学 非牛顿流体力学 多相流体力学 环境流体力学,五、流体力学现状分析,流体力学研究领域 微纳米流体力学 仿生流体力学 交通流与颗粒流 计算流体力学 实验流体力学除立足于航空航天外，还应向能源、环境、灾害、生命、化工等领域渗透，拓宽流体力学研究空间，进一步增强解决实际问题的能力。,六、趣味流体力学问题,流体力学问题属于力学问题，但有许多问题涉及生活与技术领域的方方面面,（1）墨菲法则？纸片飘落（2）水上飘飘？（3）水黾？（4）红旗飘飘(5)火旋风,六、趣味流体力学问题：墨菲法则,描述：人们总是觉得自己不走运：排队时自己所在的队伍最慢，赶到十字路口总是红灯变亮，上班时与你同时到达的总是你最讨厌的人，领导总是喜欢提拔你不喜欢的竞争对手，。最糟糕的例子：涂上黄油的面包不小心从手上滑落，总是黄油的那面扣在地面上,墨菲法则新解？,英国阿斯顿访问学者Robert计算，由于人的身高，面包往下掉，只能转半圈，而你手持面包，黄油一面总是朝上，因此落到地面，正好扣在地面上。质疑：是否考虑了流体力学效应？问题：下落的物体，在空气中受到特殊力的作用，一般会翻滚。这与飞行器能飞起来存在密切联系，贴近地面时，存在地面效应。引申：纸片下落,六、趣味流体力学问题：纸片下落,纸片下落,什么时候翻滚？什么时候平漂？为何平漂？谁下落快？有何意义？,为何平漂：空气动力学原理,旋转物体，在重力作用下运动轨迹到达地面时，还存在地面效应,有何意义：生物进化，雪花,例：蝴蝶树,六、趣味流体力学问题：水漂,许多人都有打水漂的经验见网站：是否有规律？,定量研究:Nature,2004,记录：38个，最佳入水角度：20度,六、趣味流体力学问题：水黾,体 长：1418mm行走模式：跳跃与滑翔腿长：10毫米量级腿粗：100微米量级自重：100g量级,水黾的行走模式,水黾超浮力机制：钢毛结构,力学机制,其它类似现象,六、趣味流体力学问题：红旗飘飘,红旗为何能飘？有何应用？,红旗飘飘：Nature 2000,红旗可以飘飘红旗可以不飘飘,红旗飘飘能否被应用？,问题:红旗飘起来阻力大还是不飘飘阻力大？如果飘起来阻力小，能否用在飞行器上？设计飘飘翼飞行器,六、趣味流体力学问题：火旋风等,自然界旋转流场很多,Weissenberg 效应,星系的螺旋结构,龙卷风,蝴蝶螺旋桨的前缘漩涡结构,火旋风如何产生,外加环量？风切变？能否自发产生,自发模型：中间火焰，四周火墙,不同火墙模型,随机火焰分布,谢谢！,