力学学报, 2019, 51(2): 630-634 DOI: 10.6052/0459-1879-18-408

科学基金

第八届全国固体力学青年学者学术研讨会报告综述 1)

张一慧*, 郭旭††,2), 冯雪*,3), 詹世革**, 张攀峰**, 白坤朝**

* 清华大学航天航空学院工程力学系,北京 100084

†† 大连理工大学工程力学系,大连 116023

** 国家自然科学基金委员会数理科学部,北京 100085

A REVIEW OF THE EIGHTH NATIONAL SYMPOSIUM ON SOLID MECHANICS FOR YOUNG SCHOLARS 1)

Zhang Yihui*, Guo Xu††,2), Feng Xue*,3), Zhan Shige**, Zhang Panfeng**, Bai Kunchao**

* Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing 100084, China

†† Department of Engineering Mechanics, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China

** Department of Mathematical & Physical Science, National Natural Science Foundation of China, Beijing 100085, China

收稿日期: 2018-12-4   网络出版日期: 2019-03-18

基金资助: 国家自然科学基金资助项目.  11842006

Received: 2018-12-4   Online: 2019-03-18

作者简介 About authors

摘要

简要介绍了在清华大学召开的第八届全国固体力学青年学者学术研讨会的会议情况,概括总结了与会专家和青年学者所做的学术报告内容,并就固体力学发展所面临的问题和挑战以及学科发展趋势提出了一些思考和建议.

关键词: 固体力学 ; 青年学者 ; 学术研讨会

Abstract

This review briefly provides a general introduction to the Eighth National Symposium on Solid Mechanics for Young Scholars hosted by Tsinghua University. It summarizes the contents of presentations delivered by the invited experts and young scholars. It discusses the recent trends, the challenges and remaining questions in the development of solid mechanics subject in the new era.

Keywords: solid mechanics ; young scholars ; symposium

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张一慧, 郭旭, 冯雪, 詹世革, 张攀峰, 白坤朝. 第八届全国固体力学青年学者学术研讨会报告综述 1). 力学学报[J], 2019, 51(2): 630-634 DOI:10.6052/0459-1879-18-408

Zhang Yihui, Guo Xu, Feng Xue, Zhan Shige, Zhang Panfeng, Bai Kunchao. A REVIEW OF THE EIGHTH NATIONAL SYMPOSIUM ON SOLID MECHANICS FOR YOUNG SCHOLARS 1). Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics[J], 2019, 51(2): 630-634 DOI:10.6052/0459-1879-18-408

引言

固体力学是一门同时具有基础性和应用性的学科.在航空、航天、土木、机械等应用领域中,固体力学学科一直发挥着非常重要的作用,在推动其发展的同时,当前也面临着新的挑战,如何进一步提炼关键科学问题,对国家重大需求提供技术支撑,迫切需要我们开拓新思路,挖掘新方法.此外,只有通过与新兴学科领域的深度交叉和融合,加强关注新兴学科领域中的关键力学问题,固体力学才能在保留传统优势的同时不断推动自身的完善和发展.因此,当今科学技术的发展和需求促使我们需要对固体力学的发展进行深入的思考和研讨.当前,国内活跃着一大批有着良好研究基础和发展态势的固体力学青年学者,为他们提供更好的科研条件和交流发展平台,对我国固体力学的进一步发展有重要的意义.

有鉴于此,国家自然科学基金委员会数理科学部和中国力学学会青年工作委员会发起并组织了"全国固体力学青年学者学术研讨会"系列会议,每次会议邀请从事固体力学研究的40岁以下的优秀青年学者,就固体力学发展所面临的问题和挑战以及学科发展趋势进行会议研讨,一方面为青年学者提供了深入交流、寻求合作的机会,另一方面也对固体力学学科发展起到重要推动作用.

2018年8月14-16日,继在杭州(2005)、成都(2006)、西安(2008)、武汉(2010)、大连(2012)、兰州(2014)和哈尔滨(2016)先后成功举办了七届之后,由清华大学航天航空学院固体力学研究所承办的"第八届全国固体力学青年学者学术研讨会"在北京市顺利召开.中国力学学会青年工作委员会主任委员大连理工大学郭旭教授和清华大学冯雪教授共同担任会议主席,清华大学张一慧副教授、徐志平教授、李晓雁副教授、李群仰副教授具体负责会议组织,来自国家自然科学基金委员会数理科学部、中国力学学会以及全国30余所高校和科研院所的80余位优秀中青年专家学者参加了本次研讨会,其中包括3位中国科学院院士,15位国家杰出青年基金获得者,以及60余位获得过国家自然科学基金资助的40岁以下的优秀青年学者.清华大学陈常青教授、刘彬教授、冯雪教授,浙江大学陈伟球教授、曲绍兴教授,大连理工大学郭旭教授,西安交通大学申胜平教授,北京理工大学陈少华教授,兰州大学王记增教授作为特邀嘉宾主持了各阶段的研讨会,参会专家学者针对报告内容进行了热烈的交流和讨论,为青年学者今后的科研发展方向提出了宝贵建议.

会议开幕式由清华大学冯雪教授主持,清华大学工程力学系主任冯西桥教授首先代表清华大学航天航空学院固体力学研究所向参加本次研讨会的专家学者表示热烈欢迎,向支持关心清华大学固体力学发展的国家自然科学基金委员会数理科学部、中国力学学会及力学界同仁表示衷心的感谢,同时希望青年学者能借此机会充分交流、加强合作,共同促进固体力学学科的发展.国家自然科学基金委员会詹世革处长在致辞中指出近年来受国家需求以及学科前沿的双驱动影响,我国的固体力学学科得到了快速的发展,并取得了丰硕的成果.同时詹世革处长指出,当前的固体力学发展存在着重基础研究、轻应用基础研究,重材料研究、轻结构研究,重静力学研究、轻动力学研究的情况,勉励青年学者能够围绕重大前沿学科问题以及国家重大战略需求,抓住其中的关键问题深入开展科学研究.

清华大学副校长薛其坤院士代表清华大学对会议召开表示祝贺,对与会专家、学者表示热烈的欢迎,同时感谢国家自然基金委员会以及兄弟院校对清华大学固体力学的支持.希望与会固体力学青年学者充分利用此次机会,深入交流,相互学习,不忘初心,共同推进固体力学学科发展.中国力学学会理事长杨卫院士代表力学学会致辞,指出中国的力学当前正处于起飞的态势,但同时存在着一些不足,主要在于当前标志性、原创性的工作少,勉励与会专家学者,以国家需求、学科前沿问题为导向,做引领性、原创性的科研工作.

在开幕式后,清华大学黄克智院士、浙江大学杨卫院士和北京理工大学胡海岩院士分别做了大会特邀报告.黄克智院士在题为《健康加勤奋,一生不虚度》的报告中,总结了自己一生在科研道路上的艰辛和成果,并以研究过的课题为例,说明科学研究要紧跟国家需求和科技前沿.杨卫院士作了题为《交叉力学——无垠的疆域》的报告,提出力学是研究万物交互作用的科学,是交叉性最强的学科.在理科方面,力学与数理化天地生均有交集,交叉力学是力学学科具有包容力的新生长点,主要包括:介质交叉,层次交叉,刚柔交叉,质智交叉,并介绍了交叉力学中心正在进行的柔性机器人、柔性鱼等研究工作和近期取得的成果.胡海岩院士以《漫谈工程动力学反问题》为题,重点介绍了当前动力学工程中的反问题研究现状及主要问题,指出数值优化方法是处理动力学反问题的有力工具,但其成功应用离不开对动力学正反问题的深刻理解,在处理动力学反问题时,模糊数学、人工神经网络、深度学习等人工智能方法具有强大的能力,但需要强烈的人工干预和使用经验.三位院士在报告中也和青年学者们交流了从事科学研究的心得体会,并分享了自己对固体力学学科发展的思考.这些经验和教导让在座的青年学者受益匪浅,为他们未来的学术研究提供了非常有益的指导.

在邀请报告环节,共有来自不同学校的17位40岁以下从事固体力学研究的青年学者介绍了他们近年来取得的最新研究进展和成果,这些报告内容丰富精彩,涵盖了微纳米力学、计算力学、力学与多学科交叉、智能材料与结构力学、极端/复杂环境下的材料力学行为等研究领域.下面将对这些报告内容进行简述.

1 微纳米力学

在微纳米尺度,材料有着与宏观尺度显著不同的力学属性,有着广泛的应用前景和巨大的研究价值.在新兴的微纳米科技中,力学学科正扮演着越来越重要的角色.微纳米力学也已成为国际科学研究的热点之一,是当前固体力学发展的重要驱动力之一.

陈玉丽教授在题为《周期性结构静动态变形行为研究及优化设计》的报告中,一方面借鉴宏观方法,发展了一种半解析的无需假设失稳构型的临界失稳分析方法.该方法可以考虑非均匀载荷、温度效应,还可用于预测多层堆叠二维纳米材料、刚硬膜-软基底等系统的临界失稳.另一方面利用具有哑铃状截面的单管得到了交错啮合的多管自锁系统,该系统吸能效率高、灵活性好、无二次伤害.通过结构的优化设计可以有效地提高抗冲击性能.

李群仰副教授作了题为《超薄纳米金属的表面力学行为》的报告,探讨了如何从微观上了解、认识进而调控材料表面在接触过程中的行为.从近期在二维纳米金属表面观察到异常的超低摩擦行为出发,利用实验表明该行为与金属表面原子的扩散能力紧密相关;结合分子动力学模拟,讨论了表面扩散导致的金属超流动性对其表面接触力学行为的调控机理.

郭宇锋教授在题为《低维材料褶皱与界面性能调控》的报告中,通过第一原理计算和力学建模,对少层石墨烯和六方氮化硼的起皱行为进行了研究并提出了估算其弯曲刚度的方法,发现双层MoSe2/WSe2褶皱的弯曲刚度依赖于其褶皱尺寸的大小,并揭示了过渡族金属硫族化合物褶皱导致的挠曲电效应.通过第一原理计算对表面氧化和氟化后的石墨烯/氮化硼异质二维材料的层间摩擦性能和界面强度进行了深入研究,发现氧化和氟化可以显著降低公度堆垛的石墨烯和氮化硼之间层间滑动的能垒,并发展了层间的"registry index"模型来描述氧化石墨烯和氟化石墨烯与氮化硼基底之间的相互作用,利用分子动力学模拟揭示了摩擦导致的石墨烯与铜基底界面间水分子层结构相变的规律和机制,发现通过压滑运动可以使双层双面过渡族金属硫族化合物生电.

2 计算力学

计算力学作为力学学科的一个重要研究方向,不仅为力学定量化分析提供了理论和方法支撑,而且直接推动了计算物理、计算化学等其它科学、技术以及工程领域定量化研究的快速发展和广泛应用.随着现代科技的发展,重大工程建设、重大装备设计、军工产品研制愈发依赖于数值模拟方法和软件工具的支撑,这也对计算力学的理论和方法都提出了新的要求.

张维声副教授在题为《基于显式几何信息的结构拓扑优化新框架》的报告中,介绍了一种新近发展起来的基于显式几何描述的结构拓扑优化新框架.在这一新的拓扑优化框架中,将不再如传统方法那样采用像素方式描述结构拓扑,转而采用由显式参数描述其几何的、能够在设计空间中自由移动的可变形组件或可变形孔洞作为设计基元描述结构拓扑.通过组件/孔洞的移动、交叠、覆盖和隐藏等机制从而实现拓扑变化.在该框架下,结构拓扑优化问题原则上可以采用任何形状优化方法进行求解.同时还可以充分利用拉格朗日描述和欧拉描述各自的优势提高计算效率以及对结构拓扑和形状进行局部、显式的控制.

董雷霆教授在题为《计算晶粒法与材料细观结构直接数值模拟》的报告中,介绍了一种模块化的细观力学仿真工具:计算晶粒法.每一个计算晶粒是一个多面体特殊单元,它直接模拟一个多晶材料物理晶粒或者复合材料虚拟晶粒.其内部可以为均质材料,也可以包含颗粒、纤维、或孔隙,考虑不同的物理、本构、损伤模式.通过多场变分原理、三维调和函数、边界积分方程等方法,直接计算整个多面体计算晶粒的刚度矩阵.多个计算晶粒直接装配耦合,可以快速地模拟包含大量颗粒、纤维、或孔隙的材料代表性体积单元,高效地估计材料的宏观力学性能参数和细观应力、应变分布.

3 力学与多学科交叉

力学的发展离不开与其他学科的交叉融合,近年来生物力学、软物质力学、柔性器件、航空航天力学等交叉学科发展迅猛,给固体力学提供了新的发展契机.

王博教授在题为《航天薄壁结构强度与优化设计研究进展》的报告中,结合自身研究,集中汇报以下相关问题的研究工作进展,重点包括:如何快速精准的实现薄壁结构后屈曲分析,如何实现复杂模型后屈曲的多变量优化设计,如何从结构设计角度应对制造缺陷对强度和轻量化设计的影响,以及如何提高不可预测缺陷板壳结构非线性失稳承载力的可靠预测能力.

钱劲教授作了题为《水凝胶的强韧化、结构化和功能化研究》的报告,基于一种聚合物物理交联的水凝胶,介绍如何利用其微观离子键的"溶解-固化"可逆机制,解决软材料力学性能与加工性能的矛盾,实现高强高韧水凝胶的3D增材制备.报告还探讨了该水凝胶在材料/结构层次的大变形、粘弹性和自修复行为,以及水凝胶仿生层级结构的设计和制备.利用结构网络和功能网络复合的概念,该凝胶体系可进一步发展为具有力电耦合效应的导电凝胶,以构建平面任意书写、导电-非导电天然契合的强韧凝胶电路和传感阵列.

李博副教授在题为《软组织多场耦合力学》的报告中,围绕软材料与生物软组织,开展了表面失稳与形貌演化的实验与理论研究.一方面通过理论和实验研究软材料的非线性变形及其稳定性行为,揭示这些复杂现象背后的多物化场耦合机制;另一方面也为利用软材料制备柔性器件、调控表面功能提供新的技术与方法.通过系列研究,建立了软材料与生物软组织的变形稳定性力学理论与计算方法,发现了巴基球失稳、形貌协同振荡等多种新现象与新规律,揭示了宏、微观尺度上表面失稳、形貌产生的物理新机制,提出了在膜-基系统表面制备微纳米形貌的电致失稳、缺陷调控的方法.

卢同庆副教授在题为《介电软材料的灾变行为》的报告中,结合理论研究与实验验证,介绍介电软材料在力电共同作用下的大变形行为,提出并阐释力电相变、力电灾变、力电局部失稳等概念,给出描述力电分叉及后分叉的分析方法,为介电软材料功能器件的设计提供理论基础.

4 智能材料与结构力学

智能材料在生物医疗、光电器件、能量储存、精密仪器、信息存储等前沿领域发挥着越来越重要的作用,急需发展出新的力学理论和方法加以研究,因此智能材料与结构力学长期以来一直受到力学工作者的广泛关注.

裴永茂研究员在题为《基于Chladni板的可编程颗粒操控方法》的报告中,结合颗粒在Chladni板上的运动规律,介绍了多频率激励的可编程控制颗粒的有序轨迹运动,控制节线形状,并实现了沙堆形态变化、旋转和移动.颗粒难以自发地有序运动,在外力作用下,振动节点驱动的颗粒运动能减少运动的随机性.利用多频率激励Chladni板振动的方法,研究了振动节点任意位置、形状控制,实现颗粒的有序化轨迹运动和群体自组装.研究结果为颗粒轨迹和图形操控提供了新的思路.

宋吉舟教授在题为《主动控制界面黏附的高效转印技术》的报告中,提出了一种主动控制界面黏附的转印印章,通过外加驱动载荷控制印章表面变形进而调节印章与薄膜间的界面黏附.通过研究驱动载荷、结构和材料参数对界面黏附的影响,建立结构-材料-载荷-性能的定量关系,优化控制转印效率的关键参数,发展低成本、高效率、高精度、可编程、大规模、适用范围广的转印技术.研究结果对促进材料组装和微纳制备水平具有重要的意义.

钱征华教授在题为《薄膜体声波谐振器结构分析的二维理论研究进展》的报告中,提出了一种用于薄膜体声波谐振器结构分析的二维板方程,同时考虑了面内模态的变化和工作模态与面内拉伸模态、弯曲模态、基本厚度剪切模态及二阶厚度剪切模态之间的耦合.进一步的数值算例给出了使用该方程进行薄膜体声波谐振器结构分析的可行性与有效性,这些结果为薄膜体声波谐振器的初步设计提供重要的理论指导,从而避开那些耦合严重的点以提高薄膜体声波谐振器的工作性能.

陈浩森副教授在题为《基于力学/电化学耦合双机理调控的变色器件研究》的报告中,提出了力学/电化学双机理调控新思路,通过纳米尺度的无定形硅膜和反射金属膜的结合,制备了可主动调控的仿生力-电化学(MEC)耦合变色薄膜,不仅可以实现在宽彩色可见光波段的连续调节,而且在力-电化学的调控下,其具有在彩色反射性能和灰度反射性能之间的切换功能.通过系统的实验结合理论模型揭示了其内在的力-电化学耦合变色机理和独特的激励响应特点.通过多样化的设计,该仿生力-电化学耦合变色薄膜在伪装工程,防伪技术,及光学传感器件等方面有很好的应用前景.

5 极端/复杂环境下的材料力学行为

在国防、核电等重要工业领域,工程装备往往在极端/复杂环境下运行,为保证这些重大装备的稳定性和可靠性,需要对极端/复杂环境下的材料力学行为进行深入研究.

蒋敏强研究员在题为《非晶塑性》的报告中,总结了过去几十年非晶塑性理论或模型的发展的两条主要途径:一条致力于寻找承担非晶塑性的结构缺陷;另一条则认为非晶塑性不存在确定的结构起源,而应该直接关注微观的基本流动事件.报告人通过同步辐射X射线衍射/散射、胶体玻璃可视化、声子动力学、连续介质理论分析等,试图统一这两条途径,打通"非晶结构-流动事件-塑性变形"全过程.

阚前华教授作了题为《热致形状记忆聚合物的实验和本构模型》的报告,基于对数应力率,在有限变形下建立了适用于热致形状记忆聚合物的超弹-粘塑性本构模型.该模型不仅能很好地模拟TSMPU在不同温度和不同加载率下的单轴拉伸实验,而且能模拟TSMPU在不同加载率和加载幅值下的形状记忆实验.进而,考虑不同类型热源的贡献,建立了有限变形下的热力耦合本构模型,合理预测了材料呈现出的率相关性应力-应变曲线和温升演化曲线.最后,将发展的模型移植到有限元软件ABAQUS中,对拉伸过程中的均匀颈缩现象和局部温升流动现象进行了有限元模拟.

黄敏生教授在题为《单晶镍基高温力学行为的多尺度模拟及本构建模》的报告中,从分子动力学出发,建立了位错与相界面、位错与界面网络结构的相互作用模型.在此基础上开发了反应镍基高温合金独特微结构、包含"四种主要微观变形模式"的离散位错动力学软件;在此基础上开展了大规模不同温度和工况下的模拟,系统地揭示了该材料独特高温力学性能内在的位错机制.在介观实验和离散位错动力学模拟所获得变形模式和位错机理的基础上,发展了以位错密度和位错速度为内变量、包含位错动态演化信息的镍基高温合金晶体塑性本构关系,并将其进一步有限元实现.从分子动力学模拟、离散位错动力学模拟以及宏观晶体塑性本构方面对镍基高温合金力学行为开展了多尺度研究,可以为单晶叶片的强度分析提供理论和计算软件支持.

郁汶山副教授在题为《铜孪晶界的超弹性和辐照缺陷演化》的报告中,首先介绍$\Sigma$3(112)非共格孪晶的剪切超弹性和硬化行为.研究发现:加载致使晶界分解为两个相界,其中一个相界(PB1)由忍性偏位错构成,而另一相界(PB2)由混合型偏位错构成.PB1的运动导致了fcc向9R相变,超弹性驱动力来自fcc和9R两相之间的能量差异.而PB2的运动导致硬化. 其次介绍$\Sigma$3(111)共格孪晶的辐照缺陷演化机理.采用分子动力学方法模拟材料受到辐照作用下的原子间多重级联碰撞过程,考察不同辐照剂量对多层孪晶铜的缺陷演化模式和孪晶界迁移的影响规律.研究发现:辐照不仅导致孪晶界间的晶粒内部产生大量缺陷,还会诱发孪晶界的迁移,而孪晶界迁移会进一步吸收辐照产生的缺陷.

6 结束语

为了便于青年学者之间的深入交流,本次研讨会在每个方向的报告环节之后安排了20分钟的讨论时间,各位专家学者讨论热烈,畅谈了各自在科学研究中所遇到的难题以及可能的解决思路和办法.本次研讨会期间,还组织了一场交流座谈会,由清华大学冯雪教授主持.国家自然科学基金委员会数理科学部詹世革处长和与会代表就固体力学学科发展趋势、重点资助领域等进行了深入交流.青年学者们也结合自己的研究课题,就固体力学学科发展、青年学者成长、如何结合国家重大需求凝练和挖掘深层次的科学问题等共同关心的问题各抒己见,展开了热烈讨论,取得了广泛的共识,并提出了许多建设性的意见.最后,经过全体参会代表的认真讨论和表决确定"第九届全国固体力学青年学者学术研讨会"于2020年由浙江大学承办.

The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

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