鄭哲敏先生逝世周年紀念?？?/h1>
2022-08-30 02:40:32陸夕云
力學(xué)學(xué)報 2022年8期
陸夕云
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,合肥 230027)
2022 年8 月25 日是我刊原主編鄭哲敏先生逝世一周年.鄭哲敏先生(圖1)是我國著名力學(xué)家,中國科學(xué)院院士、中國工程院院士、美國國家工程院外籍院士,2012 年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者.他創(chuàng)立了爆炸力學(xué)學(xué)科及相關(guān)的研究領(lǐng)域;領(lǐng)導(dǎo)了材料力學(xué)、非線性力學(xué)、海洋工程力學(xué)等學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展;倡導(dǎo)了計算力學(xué)、流固耦合、非常規(guī)能源、人工智能等領(lǐng)域的研究,為我國現(xiàn)代力學(xué)的發(fā)展做出了重大貢獻.
圖1 鄭哲敏先生Fig.1 Prof.Che-Min Cheng
鄭哲敏先生1924 年10 月2 日出生于山東濟南,1943 年以優(yōu)異的成績考入國立西南聯(lián)合大學(xué),并立志科學(xué)報國.當時錢偉長先生的力學(xué)課程激發(fā)了他對力學(xué)的濃厚興趣,使其將力學(xué)作為終身研究方向.1947 年鄭哲敏先生從清華大學(xué)機械系畢業(yè)后留校,擔(dān)任錢偉長先生的助教.1948 年在梅貽琦、陳福田、錢偉長、李輯祥等的推薦下,鄭哲敏作為當年“國際扶輪社國際獎學(xué)金”的唯一受資助者,前往美國加州理工學(xué)院留學(xué),僅用了一年就獲得碩士學(xué)位,隨后師從當時已譽滿全球的錢學(xué)森先生攻讀博士學(xué)位,并于1952 年6 月獲加州理工學(xué)院應(yīng)用力學(xué)與數(shù)學(xué)博士學(xué)位,在熱彈性力學(xué)、流固耦合力學(xué)等學(xué)科方向上取得了重要學(xué)術(shù)成果.
“出國留學(xué)就是為了歸國報效,從來沒有過其他想法.”獲得博士學(xué)位后,鄭哲敏先生立即提出了回國申請.雖然歸國計劃受到層層阻撓,他卻始終沒有動搖報效祖國的信念.1954 年9 月26 日,鄭哲敏先生從紐約乘船,輾轉(zhuǎn)歐洲,歷時4 個多月終于回到了闊別6 年半的祖國.1955 年4 月,鄭哲敏先生進入中國科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所力學(xué)研究室工作,任副研究員.1956 年1 月,中國科學(xué)院力學(xué)研究所成立,鄭哲敏先生參與了建所工作,并成為首批四個研究組之一的彈性力學(xué)組組長.從此開啟了他“力”報國家的科學(xué)研究事業(yè).
作為中國爆炸力學(xué)的開拓者和奠基人,鄭哲敏先生在1960 年開始了爆炸成形的研究工作,闡明了爆炸成形的機理,并給出了爆炸成形的幾何相似律與能量準測.與工業(yè)部門合作生產(chǎn)出技術(shù)要求嚴格的導(dǎo)彈部件,使爆炸成形成為以科學(xué)規(guī)律為依據(jù)的新工藝.由此一門新的分支學(xué)科得以誕生,1963 年錢學(xué)森先生前瞻性地將其命名為“爆炸力學(xué)”.此后,鄭哲敏先生不斷深耕,為爆炸力學(xué)這門學(xué)科的成熟、壯大做出了奠基性的貢獻.1964 年完成了涉及空中核試驗的有關(guān)任務(wù),并承擔(dān)地下核爆炸威力的預(yù)報研究;1965 年與解伯民一起提出了流體彈塑性體理論,建立了描述高壓與沖擊載荷作用下介質(zhì)的流體黏彈塑性行為的統(tǒng)一模型,準確預(yù)測了地下核爆效應(yīng),為我國首次地下核試驗的當量預(yù)報作出了重要貢獻.之后又將該理論用于指導(dǎo)兵工部門進行穿甲幾何相似律的模型試驗.1973 年起帶領(lǐng)科研團隊在穿破甲機理、防護工程、爆炸加工、爆炸安全、爆炸處理水下軟基、瓦斯突出機理等爆炸力學(xué)主要應(yīng)用領(lǐng)域取得了一系列重要成果.他領(lǐng)導(dǎo)建立的系列爆炸處理水下軟基新技術(shù)取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益,成為爆炸力學(xué)在重大工程中應(yīng)用的典范.在獲得2012 年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎之后,立足于國家能源戰(zhàn)略安全,鄭哲敏先生還關(guān)注并積極參與頁巖氣開發(fā)的研究工作中,倡導(dǎo)中國科學(xué)院力學(xué)研究所成立專門的攻關(guān)團隊,探索用工程科學(xué)方法研究中國頁巖氣的持續(xù)開發(fā)問題.
作為中國現(xiàn)代力學(xué)事業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者和組織者之一,鄭哲敏先生不斷開拓力學(xué)研究的前沿領(lǐng)域,推動著工程科學(xué)的發(fā)展.1979 年,他領(lǐng)導(dǎo)組建了中國科學(xué)院力學(xué)研究所材料力學(xué)性能研究室并兼任室主任;1984 年2 月,他出任中國科學(xué)院力學(xué)研究所所長,全力倡導(dǎo)非線性力學(xué)、材料力學(xué)、海洋工程力學(xué)、環(huán)境力學(xué)、生物力學(xué)等多個力學(xué)分支學(xué)科的交叉融合;1986 年,他推動和組織了海洋工程力學(xué)的研究,并任中國科學(xué)院海洋工程科學(xué)技術(shù)研究中心主任;1988 年,他創(chuàng)建和領(lǐng)導(dǎo)了非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)開放實驗室并兼任室主任,引領(lǐng)了中國非線性力學(xué)研究.在此期間,他與合作者提出了納米壓入標度律及確定硬度和彈性模量的新方法,在國際上被廣泛引用,被稱為C-C 方法.鄭哲敏先生于1986—1990 年期間,擔(dān)任中國力學(xué)學(xué)會理事長,極大地推動了我國力學(xué)學(xué)科的發(fā)展、力學(xué)科普工作的開展和力學(xué)期刊的建設(shè).
作為中國力學(xué)學(xué)科建設(shè)與發(fā)展的組織者和領(lǐng)導(dǎo)者之一,鄭哲敏先生長期主持我國力學(xué)學(xué)科發(fā)展規(guī)劃的制定.1956 年,他參與了十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠景規(guī)劃中力學(xué)發(fā)展藍圖的編制;1978 年主持了全國力學(xué)學(xué)科規(guī)劃的制定;1993 年,作為力學(xué)科學(xué)小組組長,領(lǐng)導(dǎo)編制力學(xué)發(fā)展規(guī)劃,并納入國家科委《21 世紀初科學(xué)發(fā)展趨勢》的總體規(guī)劃;1997 年,主持完成我國自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報告之一《力學(xué)》;2003—2004 年,任“國家戰(zhàn)略高技術(shù)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研究”專題咨詢組組長,負責(zé)組織高層專家對“國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略研究”提出咨詢意見.同時,作為中國力學(xué)界在國際上的代表,鄭哲敏先生積極參加和組織國際交流.1986 年被推舉為國際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會IUTAM 理事,1988—1996 年期間任兩屆IUTAM 大會委員會委員,2004—2008 年任IUTAM 八大執(zhí)委之一,與北美、歐洲、日本、澳大利亞等國家的一大批有成就的力學(xué)家進行廣泛的學(xué)術(shù)聯(lián)系,顯著提升了中國力學(xué)在國際上的地位.
鄭哲敏先生十分重視力學(xué)人才的培養(yǎng),他曾用自己一生的經(jīng)驗和感悟寄語青年科研人員:“自然科學(xué)研究是比較苦、枯燥.但這些基礎(chǔ)研究必須要走在前面,才能真正推進科技創(chuàng)造和發(fā)明,帶動其他學(xué)科.現(xiàn)在各方步伐都很快,但我想還應(yīng)有一批人,有志于穩(wěn)下來,實實在在做一些事.”在指導(dǎo)學(xué)生的過程中他注重因材施教、發(fā)揮學(xué)生特點和專長,強調(diào)嚴謹分析,強調(diào)實驗觀察是根本性的,強調(diào)實驗-分析-計算相結(jié)合,為國家培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的骨干人才.
鄭哲敏先生還十分關(guān)心力學(xué)期刊的發(fā)展.1957—1979 年,先后擔(dān)任《力學(xué)學(xué)報》首屆、第2 屆編輯委員會委員.1979—1985 年,成為繼錢學(xué)森、郭永懷兩位先生之后,《力學(xué)學(xué)報》第3 屆主編.在擔(dān)任學(xué)報主編期間,他始終堅持嚴謹、嚴肅的辦刊風(fēng)格,倡導(dǎo)學(xué)術(shù)討論并特設(shè)《學(xué)術(shù)討論》欄目,以對本刊所刊載的文章進行討論.他還擔(dān)任《力學(xué)學(xué)報》第11 屆、12 屆榮譽編委,為《力學(xué)學(xué)報》的創(chuàng)刊和發(fā)展作出了重要的貢獻.鄭哲敏先生為力學(xué)學(xué)報創(chuàng)刊60 周年,親筆題詞“發(fā)揚傳統(tǒng)、服務(wù)力學(xué)、走向世界”(圖2),表達了他對《力學(xué)學(xué)報》所寄予的殷切希望.
圖2 鄭哲敏先生親筆題詞Fig.2 The handwritten inscription by Prof.Che-Min Cheng
為獎勵鄭哲敏先生的杰出成就,經(jīng)中國科學(xué)院國家天文臺提議和國際天文學(xué)聯(lián)合會批準,將中國發(fā)現(xiàn)并獲得12935 號國際永久編號的小行星命名為“鄭哲敏星”.鄭哲敏先生一生不計名利,始終踐行著為國為民的理想.從戰(zhàn)爭年代到留學(xué)時代,從新中國建設(shè)時期到社會主義新時代,他科學(xué)報國的初心一直未變,愛國奉獻的精神始終都在.無論社會如何變遷,時代歷盡多少滄桑,鄭哲敏的愛國奉獻、求實創(chuàng)新的科學(xué)家精神值得我們大力學(xué)習(xí)和弘揚,將不斷激勵后人為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興而不懈奮斗.他說道:“我從舊時代走過來,富國強民是夢想,總想為國家做點實實在在的事,這是很簡單的想法.”
為繼承和發(fā)揚鄭哲敏先生的學(xué)術(shù)思想和科學(xué)精神,緬懷其治學(xué)風(fēng)范,追憶其科學(xué)貢獻,《力學(xué)學(xué)報》組織紀念活動并策劃出版《鄭哲敏先生逝世周年紀念專刊》.該特刊包括研究綜述、研究論文和研究方法探討等不同體裁,涵蓋了爆炸力學(xué)、非線性力學(xué)、材料力學(xué)性能、海洋工程力學(xué)、非常規(guī)能源、流固耦合及人工智能等不同領(lǐng)域,共計19 篇文章.希望以此推動相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流和進步.
軍事科學(xué)院國防工程研究院楊秀敏院士等闡述了鄭哲敏先生等建立流體彈塑性理論模型的歷史意義,綜述了流體彈塑性理論模型的發(fā)展歷程,論述了流體彈塑性模型工程化的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景,并建議在國家層面建立起工程化框架和標準、研發(fā)出流體彈塑性模型軟件包和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫.
北京大學(xué)魏悅廣院士等對采用傳統(tǒng)理論、跨尺度力學(xué)理論分別對傳統(tǒng)固體材料壓痕標度律及先進固體材料的跨尺度壓痕標度律研究進行系統(tǒng)綜述,并指出壓痕標度律的未來研究發(fā)展仍將重點集中在建立新材料的跨尺度壓痕標度律上,以試圖從根本上解決新材料力學(xué)性能標準規(guī)范難以建立的理論問題.除此之外也將重點關(guān)注建立各類功能新材料的多尺度及跨尺度壓痕標度律規(guī)律.
中國科學(xué)院力學(xué)研究所洪友士研究員對合金材料超高周疲勞,提出了裂紋萌生特征區(qū)及特征參數(shù)的概念,并提出了“大數(shù)往復(fù)擠壓”模型揭示裂紋萌生特征區(qū)形成機理.《再論超高周疲勞裂紋萌生特征區(qū)》簡要論述了裂紋萌生特征區(qū)概念和“大數(shù)往復(fù)擠壓”模型的啟示,包括合金材料超高周疲勞特性的評估與預(yù)測、提高增材合金材料超高周疲勞性能的途徑、制備納米晶薄層材料的可能性.
高熵合金是近年迅速興起的一類具有很寬的成分與性能調(diào)控范圍的新型材料,專刊包含了3 篇相關(guān)內(nèi)容的文章.中國科學(xué)院力學(xué)研究所戴蘭宏研究員等探索了五元高熵合金用作藥型罩的適用性.基于實驗手段建立了高熵合金Johnson-Cook 熱黏塑性動態(tài)本構(gòu)模型,獲得了凝聚性高熵合金射流形成的邊界,結(jié)合數(shù)值模擬揭示了射流高速拉伸斷裂演化規(guī)律.南京理工大學(xué)張先鋒教授等為探究W25Fe25Ni25Mo25高熵合金彈體在侵徹過程中宏觀變形行為與材料微細觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系,建立了考慮軟、硬相密度、流速以及濃度差異的等截面直管兩相流動演化模型.提出了表征材料濃度演化速率的流動穩(wěn)定系數(shù),對比鎢銅合金(W70Cu30)合金彈體細觀結(jié)構(gòu)演化行為,得出硬相濃度、密度以及驅(qū)動速度與彈體材料侵徹流動穩(wěn)定性的關(guān)系,揭示了侵徹過程中彈體頭部變形與細觀兩相結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)機制.西南交通大學(xué)張旭教授等用分子動力學(xué)方法研究了CoCrFeMnNi高熵合金的沖擊波響應(yīng)及其層裂強度,基于自由面速度演化和粒子速度分布,分析了彈塑性雙波分離現(xiàn)象的取向相關(guān)性和沖擊速度相關(guān)性,并結(jié)合微結(jié)構(gòu)的演化,揭示了雙波結(jié)構(gòu)以及微結(jié)構(gòu)對層裂強度的影響.
多胞材料的動態(tài)力學(xué)行為和設(shè)計是沖擊動力學(xué)領(lǐng)域持續(xù)熱點問題,也是國防領(lǐng)域關(guān)注的關(guān)鍵科學(xué)問題.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄭志軍教授和虞吉林教授等在2 篇文章中分別探討了多胞材料在沖擊載荷控制器和爆炸載荷模擬器方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.在調(diào)控沖擊載荷方面,通過密度梯度設(shè)計提高了柱殼鏈的波形調(diào)控能力,建立了梯度柱殼鏈在應(yīng)力脈沖作用下的彈性波傳播簡化模型,并給出了解析解,結(jié)合有限元模擬研究了應(yīng)力脈沖激勵下密度梯度柱殼鏈中的彈性波傳播特性,揭示了密度梯度在大范圍內(nèi)對應(yīng)力脈沖的調(diào)控機制,為新型載荷控制器的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和重要途徑.在模擬爆炸載荷方面,構(gòu)建了可描述泡沫子彈沖擊固支梁過程的耦合分析模型和有限元模型,研究了泡沫子彈的密度、長度、初速度對沖擊壓強的峰值、衰減速度和持續(xù)時間的影響,對仿爆炸泡沫子彈的設(shè)計提出了指導(dǎo)性意見.
氫能是未來一種清潔高效的可替代能源,針對氫能生命周期中存在的含氫多元混合氣體爆炸問題.北京理工大學(xué)王成教授等為揭示氫摩爾分數(shù)、當量比、可燃云團尺寸及障礙物約束等因素對H2/CH4/空氣混合氣體爆炸時空演化的影響規(guī)律,建立了考慮混合氣體組分比及可燃云團尺寸的最大爆炸超壓預(yù)測模型,并運用自主研發(fā)的高精度大規(guī)模氣體爆炸數(shù)值仿真軟件研究了加氣站內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)對混合氣體爆炸的影響.
流固耦合動力學(xué)是海洋工程、船舶工程等諸多領(lǐng)域的研究熱點和難點問題,針對海洋工程中存在的典型流固耦合難題,哈爾濱工程大學(xué)張阿漫教授等建立了完全無網(wǎng)格的近場水下爆炸沖擊波和氣泡全物理過程瞬態(tài)強非線性流固耦合動力學(xué)模型,模擬了近場水下爆炸沖擊波傳播、氣泡脈動與射流以及結(jié)構(gòu)毀傷特性,通過與實驗和其他解對比,驗證了當前計算模型的有效性和精度,旨在為近場水下爆炸相關(guān)研究提供理論和基礎(chǔ)性技術(shù)支撐.中國科學(xué)院力學(xué)研究所陳偉民教授等研究了含分布浮體的復(fù)雜構(gòu)型深海纜線的動響應(yīng)及其時空演化,基于其流固耦合特性和載荷模型表征,建立含分布浮體深水纜線動力學(xué)控制方程,結(jié)合有限元數(shù)值模擬和水箱模型實驗,揭示了復(fù)雜構(gòu)型纜線的響應(yīng)時空演化規(guī)律和波傳播機制.中國科學(xué)院力學(xué)研究所王一偉研究員等構(gòu)造了針對多相流動的物理融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),模擬了典型的瑞利-泰勒不穩(wěn)定界面失穩(wěn)過程.為了解決現(xiàn)有算法計算效率低的困難,他們借鑒深度殘差方法的思想改進網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在保證精度前提下降低訓(xùn)練用時60%以上,為高精度智能建模方法在多相流等復(fù)雜場景的推廣應(yīng)用提供了參考.
近年來,我國頁巖油氣、可燃冰等非常規(guī)能源勘探開發(fā)取得了諸多新突破,中國科學(xué)院力學(xué)研究所趙亞溥研究員等從Griffith 經(jīng)典彈性力學(xué)解出發(fā),在充分考慮頁巖孔縫非均質(zhì)性的前提下,分別推導(dǎo)得到基質(zhì)型頁巖與裂縫型頁巖的應(yīng)力敏感程度計算公式,揭示了頁巖低應(yīng)力敏感現(xiàn)象的力學(xué)機制,并在中國兩類典型頁巖油儲層中開展了實例應(yīng)用,為頁巖油儲量的精確評估和提高采收率工程實踐提供了關(guān)鍵理論依據(jù).清華大學(xué)航天航空學(xué)院莊茁教授等研究了在頁巖氣高效開采中鉆井完井和水力壓裂縫網(wǎng)改造的關(guān)鍵力學(xué)問題.提出頁巖多孔彈性介質(zhì)的本構(gòu)、強度和斷裂韌性的各向異性模型,闡述鉆井完井過程的井壁穩(wěn)定性及多孔彈性的時間效應(yīng),給出水平井水力壓裂縫網(wǎng)改造技術(shù)中流固耦合與裂縫擴展的數(shù)值模擬算法,建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的頁巖氣采收率預(yù)測方法.鄭哲敏先生基于“工程科學(xué)”思想提出了“切割地層并利用對流傳熱和管道輸送技術(shù)”的機械-熱聯(lián)合開采可燃冰的新方法,中國科學(xué)院力學(xué)研究所張旭輝副研究員等對該方法的可行性進行了綜合評估,闡述了含相變氣液固多相流動、地層安全方面的研究進展,該方法可突破傳統(tǒng)開采方案地層熱傳導(dǎo)效率低的瓶頸,提供新的理論技術(shù)儲備.
儀器化壓入檢測技術(shù)是鄭哲敏先生晚年的研究興趣之一.北京航天航空大學(xué)張?zhí)┤A研究員等針對表面殘余應(yīng)力的儀器化壓入檢測方法,闡釋利用壓入方式檢測殘余應(yīng)力的基本原理和力學(xué)機制,梳理建立殘余應(yīng)力壓入檢測方法的常用技術(shù)路線,著重分析6 種代表性壓入檢測方法的優(yōu)勢與局限,討論驗證壓入檢測方法可靠性的常用方法,最后總結(jié)殘余應(yīng)力壓入檢測方法的研究進展及其在實際應(yīng)用中的注意事項,展望未來的發(fā)展趨勢.重慶大學(xué)聶百勝教授等研究了煤體微納尺度的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì),獲取了不同無機礦物在煤體有機物中的填充形式,基于不同尺度的儀器化壓痕實驗,表征了礦物和有機物納米尺度力學(xué)性質(zhì)的差異,闡明了礦物填充對微米尺度煤體混合物力學(xué)性能的影響規(guī)律,揭示了煤體破壞特征與其礦物填充結(jié)構(gòu)的關(guān)系.
北京師范大學(xué)高劍波教授介紹了他與鄭先生在非線性科學(xué)領(lǐng)域的一些工作,以及這些工作如何被拓展并演變成一些非線性問題通用的分析方法.中國科學(xué)院力學(xué)研究所李世海研究員等結(jié)合案例詮釋了工程科學(xué)是技術(shù)創(chuàng)新的源泉;討論了數(shù)值模擬的工程科學(xué)屬性及其方法與自然科學(xué)的同源性;構(gòu)建連續(xù)非連續(xù)方法可增減的廣義計算變量、提出滑坡漸進破壞及破裂度的概念說明了工程科學(xué)也是知識的源泉.
陸夕云
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,合肥 230027)
2022 年8 月25 日是我刊原主編鄭哲敏先生逝世一周年.鄭哲敏先生(圖1)是我國著名力學(xué)家,中國科學(xué)院院士、中國工程院院士、美國國家工程院外籍院士,2012 年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者.他創(chuàng)立了爆炸力學(xué)學(xué)科及相關(guān)的研究領(lǐng)域;領(lǐng)導(dǎo)了材料力學(xué)、非線性力學(xué)、海洋工程力學(xué)等學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展;倡導(dǎo)了計算力學(xué)、流固耦合、非常規(guī)能源、人工智能等領(lǐng)域的研究,為我國現(xiàn)代力學(xué)的發(fā)展做出了重大貢獻.
圖1 鄭哲敏先生Fig.1 Prof.Che-Min Cheng
鄭哲敏先生1924 年10 月2 日出生于山東濟南,1943 年以優(yōu)異的成績考入國立西南聯(lián)合大學(xué),并立志科學(xué)報國.當時錢偉長先生的力學(xué)課程激發(fā)了他對力學(xué)的濃厚興趣,使其將力學(xué)作為終身研究方向.1947 年鄭哲敏先生從清華大學(xué)機械系畢業(yè)后留校,擔(dān)任錢偉長先生的助教.1948 年在梅貽琦、陳福田、錢偉長、李輯祥等的推薦下,鄭哲敏作為當年“國際扶輪社國際獎學(xué)金”的唯一受資助者,前往美國加州理工學(xué)院留學(xué),僅用了一年就獲得碩士學(xué)位,隨后師從當時已譽滿全球的錢學(xué)森先生攻讀博士學(xué)位,并于1952 年6 月獲加州理工學(xué)院應(yīng)用力學(xué)與數(shù)學(xué)博士學(xué)位,在熱彈性力學(xué)、流固耦合力學(xué)等學(xué)科方向上取得了重要學(xué)術(shù)成果.
“出國留學(xué)就是為了歸國報效,從來沒有過其他想法.”獲得博士學(xué)位后,鄭哲敏先生立即提出了回國申請.雖然歸國計劃受到層層阻撓,他卻始終沒有動搖報效祖國的信念.1954 年9 月26 日,鄭哲敏先生從紐約乘船,輾轉(zhuǎn)歐洲,歷時4 個多月終于回到了闊別6 年半的祖國.1955 年4 月,鄭哲敏先生進入中國科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所力學(xué)研究室工作,任副研究員.1956 年1 月,中國科學(xué)院力學(xué)研究所成立,鄭哲敏先生參與了建所工作,并成為首批四個研究組之一的彈性力學(xué)組組長.從此開啟了他“力”報國家的科學(xué)研究事業(yè).
作為中國爆炸力學(xué)的開拓者和奠基人,鄭哲敏先生在1960 年開始了爆炸成形的研究工作,闡明了爆炸成形的機理,并給出了爆炸成形的幾何相似律與能量準測.與工業(yè)部門合作生產(chǎn)出技術(shù)要求嚴格的導(dǎo)彈部件,使爆炸成形成為以科學(xué)規(guī)律為依據(jù)的新工藝.由此一門新的分支學(xué)科得以誕生,1963 年錢學(xué)森先生前瞻性地將其命名為“爆炸力學(xué)”.此后,鄭哲敏先生不斷深耕,為爆炸力學(xué)這門學(xué)科的成熟、壯大做出了奠基性的貢獻.1964 年完成了涉及空中核試驗的有關(guān)任務(wù),并承擔(dān)地下核爆炸威力的預(yù)報研究;1965 年與解伯民一起提出了流體彈塑性體理論,建立了描述高壓與沖擊載荷作用下介質(zhì)的流體黏彈塑性行為的統(tǒng)一模型,準確預(yù)測了地下核爆效應(yīng),為我國首次地下核試驗的當量預(yù)報作出了重要貢獻.之后又將該理論用于指導(dǎo)兵工部門進行穿甲幾何相似律的模型試驗.1973 年起帶領(lǐng)科研團隊在穿破甲機理、防護工程、爆炸加工、爆炸安全、爆炸處理水下軟基、瓦斯突出機理等爆炸力學(xué)主要應(yīng)用領(lǐng)域取得了一系列重要成果.他領(lǐng)導(dǎo)建立的系列爆炸處理水下軟基新技術(shù)取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益,成為爆炸力學(xué)在重大工程中應(yīng)用的典范.在獲得2012 年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎之后,立足于國家能源戰(zhàn)略安全,鄭哲敏先生還關(guān)注并積極參與頁巖氣開發(fā)的研究工作中,倡導(dǎo)中國科學(xué)院力學(xué)研究所成立專門的攻關(guān)團隊,探索用工程科學(xué)方法研究中國頁巖氣的持續(xù)開發(fā)問題.
作為中國現(xiàn)代力學(xué)事業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者和組織者之一,鄭哲敏先生不斷開拓力學(xué)研究的前沿領(lǐng)域,推動著工程科學(xué)的發(fā)展.1979 年,他領(lǐng)導(dǎo)組建了中國科學(xué)院力學(xué)研究所材料力學(xué)性能研究室并兼任室主任;1984 年2 月,他出任中國科學(xué)院力學(xué)研究所所長,全力倡導(dǎo)非線性力學(xué)、材料力學(xué)、海洋工程力學(xué)、環(huán)境力學(xué)、生物力學(xué)等多個力學(xué)分支學(xué)科的交叉融合;1986 年,他推動和組織了海洋工程力學(xué)的研究,并任中國科學(xué)院海洋工程科學(xué)技術(shù)研究中心主任;1988 年,他創(chuàng)建和領(lǐng)導(dǎo)了非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)開放實驗室并兼任室主任,引領(lǐng)了中國非線性力學(xué)研究.在此期間,他與合作者提出了納米壓入標度律及確定硬度和彈性模量的新方法,在國際上被廣泛引用,被稱為C-C 方法.鄭哲敏先生于1986—1990 年期間,擔(dān)任中國力學(xué)學(xué)會理事長,極大地推動了我國力學(xué)學(xué)科的發(fā)展、力學(xué)科普工作的開展和力學(xué)期刊的建設(shè).
作為中國力學(xué)學(xué)科建設(shè)與發(fā)展的組織者和領(lǐng)導(dǎo)者之一,鄭哲敏先生長期主持我國力學(xué)學(xué)科發(fā)展規(guī)劃的制定.1956 年,他參與了十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠景規(guī)劃中力學(xué)發(fā)展藍圖的編制;1978 年主持了全國力學(xué)學(xué)科規(guī)劃的制定;1993 年,作為力學(xué)科學(xué)小組組長,領(lǐng)導(dǎo)編制力學(xué)發(fā)展規(guī)劃,并納入國家科委《21 世紀初科學(xué)發(fā)展趨勢》的總體規(guī)劃;1997 年,主持完成我國自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報告之一《力學(xué)》;2003—2004 年,任“國家戰(zhàn)略高技術(shù)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研究”專題咨詢組組長,負責(zé)組織高層專家對“國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略研究”提出咨詢意見.同時,作為中國力學(xué)界在國際上的代表,鄭哲敏先生積極參加和組織國際交流.1986 年被推舉為國際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會IUTAM 理事,1988—1996 年期間任兩屆IUTAM 大會委員會委員,2004—2008 年任IUTAM 八大執(zhí)委之一,與北美、歐洲、日本、澳大利亞等國家的一大批有成就的力學(xué)家進行廣泛的學(xué)術(shù)聯(lián)系,顯著提升了中國力學(xué)在國際上的地位.
鄭哲敏先生十分重視力學(xué)人才的培養(yǎng),他曾用自己一生的經(jīng)驗和感悟寄語青年科研人員:“自然科學(xué)研究是比較苦、枯燥.但這些基礎(chǔ)研究必須要走在前面,才能真正推進科技創(chuàng)造和發(fā)明,帶動其他學(xué)科.現(xiàn)在各方步伐都很快,但我想還應(yīng)有一批人,有志于穩(wěn)下來,實實在在做一些事.”在指導(dǎo)學(xué)生的過程中他注重因材施教、發(fā)揮學(xué)生特點和專長,強調(diào)嚴謹分析,強調(diào)實驗觀察是根本性的,強調(diào)實驗-分析-計算相結(jié)合,為國家培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的骨干人才.
鄭哲敏先生還十分關(guān)心力學(xué)期刊的發(fā)展.1957—1979 年,先后擔(dān)任《力學(xué)學(xué)報》首屆、第2 屆編輯委員會委員.1979—1985 年,成為繼錢學(xué)森、郭永懷兩位先生之后,《力學(xué)學(xué)報》第3 屆主編.在擔(dān)任學(xué)報主編期間,他始終堅持嚴謹、嚴肅的辦刊風(fēng)格,倡導(dǎo)學(xué)術(shù)討論并特設(shè)《學(xué)術(shù)討論》欄目,以對本刊所刊載的文章進行討論.他還擔(dān)任《力學(xué)學(xué)報》第11 屆、12 屆榮譽編委,為《力學(xué)學(xué)報》的創(chuàng)刊和發(fā)展作出了重要的貢獻.鄭哲敏先生為力學(xué)學(xué)報創(chuàng)刊60 周年,親筆題詞“發(fā)揚傳統(tǒng)、服務(wù)力學(xué)、走向世界”(圖2),表達了他對《力學(xué)學(xué)報》所寄予的殷切希望.
圖2 鄭哲敏先生親筆題詞Fig.2 The handwritten inscription by Prof.Che-Min Cheng
為獎勵鄭哲敏先生的杰出成就,經(jīng)中國科學(xué)院國家天文臺提議和國際天文學(xué)聯(lián)合會批準,將中國發(fā)現(xiàn)并獲得12935 號國際永久編號的小行星命名為“鄭哲敏星”.鄭哲敏先生一生不計名利,始終踐行著為國為民的理想.從戰(zhàn)爭年代到留學(xué)時代,從新中國建設(shè)時期到社會主義新時代,他科學(xué)報國的初心一直未變,愛國奉獻的精神始終都在.無論社會如何變遷,時代歷盡多少滄桑,鄭哲敏的愛國奉獻、求實創(chuàng)新的科學(xué)家精神值得我們大力學(xué)習(xí)和弘揚,將不斷激勵后人為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興而不懈奮斗.他說道:“我從舊時代走過來,富國強民是夢想,總想為國家做點實實在在的事,這是很簡單的想法.”
為繼承和發(fā)揚鄭哲敏先生的學(xué)術(shù)思想和科學(xué)精神,緬懷其治學(xué)風(fēng)范,追憶其科學(xué)貢獻,《力學(xué)學(xué)報》組織紀念活動并策劃出版《鄭哲敏先生逝世周年紀念專刊》.該特刊包括研究綜述、研究論文和研究方法探討等不同體裁,涵蓋了爆炸力學(xué)、非線性力學(xué)、材料力學(xué)性能、海洋工程力學(xué)、非常規(guī)能源、流固耦合及人工智能等不同領(lǐng)域,共計19 篇文章.希望以此推動相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流和進步.
軍事科學(xué)院國防工程研究院楊秀敏院士等闡述了鄭哲敏先生等建立流體彈塑性理論模型的歷史意義,綜述了流體彈塑性理論模型的發(fā)展歷程,論述了流體彈塑性模型工程化的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景,并建議在國家層面建立起工程化框架和標準、研發(fā)出流體彈塑性模型軟件包和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫.
北京大學(xué)魏悅廣院士等對采用傳統(tǒng)理論、跨尺度力學(xué)理論分別對傳統(tǒng)固體材料壓痕標度律及先進固體材料的跨尺度壓痕標度律研究進行系統(tǒng)綜述,并指出壓痕標度律的未來研究發(fā)展仍將重點集中在建立新材料的跨尺度壓痕標度律上,以試圖從根本上解決新材料力學(xué)性能標準規(guī)范難以建立的理論問題.除此之外也將重點關(guān)注建立各類功能新材料的多尺度及跨尺度壓痕標度律規(guī)律.
中國科學(xué)院力學(xué)研究所洪友士研究員對合金材料超高周疲勞,提出了裂紋萌生特征區(qū)及特征參數(shù)的概念,并提出了“大數(shù)往復(fù)擠壓”模型揭示裂紋萌生特征區(qū)形成機理.《再論超高周疲勞裂紋萌生特征區(qū)》簡要論述了裂紋萌生特征區(qū)概念和“大數(shù)往復(fù)擠壓”模型的啟示,包括合金材料超高周疲勞特性的評估與預(yù)測、提高增材合金材料超高周疲勞性能的途徑、制備納米晶薄層材料的可能性.
高熵合金是近年迅速興起的一類具有很寬的成分與性能調(diào)控范圍的新型材料,專刊包含了3 篇相關(guān)內(nèi)容的文章.中國科學(xué)院力學(xué)研究所戴蘭宏研究員等探索了五元高熵合金用作藥型罩的適用性.基于實驗手段建立了高熵合金Johnson-Cook 熱黏塑性動態(tài)本構(gòu)模型,獲得了凝聚性高熵合金射流形成的邊界,結(jié)合數(shù)值模擬揭示了射流高速拉伸斷裂演化規(guī)律.南京理工大學(xué)張先鋒教授等為探究W25Fe25Ni25Mo25高熵合金彈體在侵徹過程中宏觀變形行為與材料微細觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系,建立了考慮軟、硬相密度、流速以及濃度差異的等截面直管兩相流動演化模型.提出了表征材料濃度演化速率的流動穩(wěn)定系數(shù),對比鎢銅合金(W70Cu30)合金彈體細觀結(jié)構(gòu)演化行為,得出硬相濃度、密度以及驅(qū)動速度與彈體材料侵徹流動穩(wěn)定性的關(guān)系,揭示了侵徹過程中彈體頭部變形與細觀兩相結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)機制.西南交通大學(xué)張旭教授等用分子動力學(xué)方法研究了CoCrFeMnNi高熵合金的沖擊波響應(yīng)及其層裂強度,基于自由面速度演化和粒子速度分布,分析了彈塑性雙波分離現(xiàn)象的取向相關(guān)性和沖擊速度相關(guān)性,并結(jié)合微結(jié)構(gòu)的演化,揭示了雙波結(jié)構(gòu)以及微結(jié)構(gòu)對層裂強度的影響.
多胞材料的動態(tài)力學(xué)行為和設(shè)計是沖擊動力學(xué)領(lǐng)域持續(xù)熱點問題,也是國防領(lǐng)域關(guān)注的關(guān)鍵科學(xué)問題.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄭志軍教授和虞吉林教授等在2 篇文章中分別探討了多胞材料在沖擊載荷控制器和爆炸載荷模擬器方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.在調(diào)控沖擊載荷方面,通過密度梯度設(shè)計提高了柱殼鏈的波形調(diào)控能力,建立了梯度柱殼鏈在應(yīng)力脈沖作用下的彈性波傳播簡化模型,并給出了解析解,結(jié)合有限元模擬研究了應(yīng)力脈沖激勵下密度梯度柱殼鏈中的彈性波傳播特性,揭示了密度梯度在大范圍內(nèi)對應(yīng)力脈沖的調(diào)控機制,為新型載荷控制器的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和重要途徑.在模擬爆炸載荷方面,構(gòu)建了可描述泡沫子彈沖擊固支梁過程的耦合分析模型和有限元模型,研究了泡沫子彈的密度、長度、初速度對沖擊壓強的峰值、衰減速度和持續(xù)時間的影響,對仿爆炸泡沫子彈的設(shè)計提出了指導(dǎo)性意見.
氫能是未來一種清潔高效的可替代能源,針對氫能生命周期中存在的含氫多元混合氣體爆炸問題.北京理工大學(xué)王成教授等為揭示氫摩爾分數(shù)、當量比、可燃云團尺寸及障礙物約束等因素對H2/CH4/空氣混合氣體爆炸時空演化的影響規(guī)律,建立了考慮混合氣體組分比及可燃云團尺寸的最大爆炸超壓預(yù)測模型,并運用自主研發(fā)的高精度大規(guī)模氣體爆炸數(shù)值仿真軟件研究了加氣站內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)對混合氣體爆炸的影響.
流固耦合動力學(xué)是海洋工程、船舶工程等諸多領(lǐng)域的研究熱點和難點問題,針對海洋工程中存在的典型流固耦合難題,哈爾濱工程大學(xué)張阿漫教授等建立了完全無網(wǎng)格的近場水下爆炸沖擊波和氣泡全物理過程瞬態(tài)強非線性流固耦合動力學(xué)模型,模擬了近場水下爆炸沖擊波傳播、氣泡脈動與射流以及結(jié)構(gòu)毀傷特性,通過與實驗和其他解對比,驗證了當前計算模型的有效性和精度,旨在為近場水下爆炸相關(guān)研究提供理論和基礎(chǔ)性技術(shù)支撐.中國科學(xué)院力學(xué)研究所陳偉民教授等研究了含分布浮體的復(fù)雜構(gòu)型深海纜線的動響應(yīng)及其時空演化,基于其流固耦合特性和載荷模型表征,建立含分布浮體深水纜線動力學(xué)控制方程,結(jié)合有限元數(shù)值模擬和水箱模型實驗,揭示了復(fù)雜構(gòu)型纜線的響應(yīng)時空演化規(guī)律和波傳播機制.中國科學(xué)院力學(xué)研究所王一偉研究員等構(gòu)造了針對多相流動的物理融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),模擬了典型的瑞利-泰勒不穩(wěn)定界面失穩(wěn)過程.為了解決現(xiàn)有算法計算效率低的困難,他們借鑒深度殘差方法的思想改進網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在保證精度前提下降低訓(xùn)練用時60%以上,為高精度智能建模方法在多相流等復(fù)雜場景的推廣應(yīng)用提供了參考.
近年來,我國頁巖油氣、可燃冰等非常規(guī)能源勘探開發(fā)取得了諸多新突破,中國科學(xué)院力學(xué)研究所趙亞溥研究員等從Griffith 經(jīng)典彈性力學(xué)解出發(fā),在充分考慮頁巖孔縫非均質(zhì)性的前提下,分別推導(dǎo)得到基質(zhì)型頁巖與裂縫型頁巖的應(yīng)力敏感程度計算公式,揭示了頁巖低應(yīng)力敏感現(xiàn)象的力學(xué)機制,并在中國兩類典型頁巖油儲層中開展了實例應(yīng)用,為頁巖油儲量的精確評估和提高采收率工程實踐提供了關(guān)鍵理論依據(jù).清華大學(xué)航天航空學(xué)院莊茁教授等研究了在頁巖氣高效開采中鉆井完井和水力壓裂縫網(wǎng)改造的關(guān)鍵力學(xué)問題.提出頁巖多孔彈性介質(zhì)的本構(gòu)、強度和斷裂韌性的各向異性模型,闡述鉆井完井過程的井壁穩(wěn)定性及多孔彈性的時間效應(yīng),給出水平井水力壓裂縫網(wǎng)改造技術(shù)中流固耦合與裂縫擴展的數(shù)值模擬算法,建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的頁巖氣采收率預(yù)測方法.鄭哲敏先生基于“工程科學(xué)”思想提出了“切割地層并利用對流傳熱和管道輸送技術(shù)”的機械-熱聯(lián)合開采可燃冰的新方法,中國科學(xué)院力學(xué)研究所張旭輝副研究員等對該方法的可行性進行了綜合評估,闡述了含相變氣液固多相流動、地層安全方面的研究進展,該方法可突破傳統(tǒng)開采方案地層熱傳導(dǎo)效率低的瓶頸,提供新的理論技術(shù)儲備.
儀器化壓入檢測技術(shù)是鄭哲敏先生晚年的研究興趣之一.北京航天航空大學(xué)張?zhí)┤A研究員等針對表面殘余應(yīng)力的儀器化壓入檢測方法,闡釋利用壓入方式檢測殘余應(yīng)力的基本原理和力學(xué)機制,梳理建立殘余應(yīng)力壓入檢測方法的常用技術(shù)路線,著重分析6 種代表性壓入檢測方法的優(yōu)勢與局限,討論驗證壓入檢測方法可靠性的常用方法,最后總結(jié)殘余應(yīng)力壓入檢測方法的研究進展及其在實際應(yīng)用中的注意事項,展望未來的發(fā)展趨勢.重慶大學(xué)聶百勝教授等研究了煤體微納尺度的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì),獲取了不同無機礦物在煤體有機物中的填充形式,基于不同尺度的儀器化壓痕實驗,表征了礦物和有機物納米尺度力學(xué)性質(zhì)的差異,闡明了礦物填充對微米尺度煤體混合物力學(xué)性能的影響規(guī)律,揭示了煤體破壞特征與其礦物填充結(jié)構(gòu)的關(guān)系.
北京師范大學(xué)高劍波教授介紹了他與鄭先生在非線性科學(xué)領(lǐng)域的一些工作,以及這些工作如何被拓展并演變成一些非線性問題通用的分析方法.中國科學(xué)院力學(xué)研究所李世海研究員等結(jié)合案例詮釋了工程科學(xué)是技術(shù)創(chuàng)新的源泉;討論了數(shù)值模擬的工程科學(xué)屬性及其方法與自然科學(xué)的同源性;構(gòu)建連續(xù)非連續(xù)方法可增減的廣義計算變量、提出滑坡漸進破壞及破裂度的概念說明了工程科學(xué)也是知識的源泉.
