郑哲敏先生逝世周年纪念专刊序

陆夕云

(中国科学技术大学近代力学系,合肥 230027)

2022 年8 月25 日是我刊原主编郑哲敏先生逝世一周年.郑哲敏先生(图1)是我国著名力学家,中国科学院院士、中国工程院院士、美国国家工程院外籍院士,2012 年度国家最高科学技术奖获得者.他创立了爆炸力学学科及相关的研究领域;领导了材料力学、非线性力学、海洋工程力学等学科的建设和发展;倡导了计算力学、流固耦合、非常规能源、人工智能等领域的研究,为我国现代力学的发展做出了重大贡献.

图1 郑哲敏先生Fig.1 Prof.Che-Min Cheng

郑哲敏先生1924 年10 月2 日出生于山东济南,1943 年以优异的成绩考入国立西南联合大学,并立志科学报国.当时钱伟长先生的力学课程激发了他对力学的浓厚兴趣,使其将力学作为终身研究方向.1947 年郑哲敏先生从清华大学机械系毕业后留校,担任钱伟长先生的助教.1948 年在梅贻琦、陈福田、钱伟长、李辑祥等的推荐下,郑哲敏作为当年“国际扶轮社国际奖学金”的唯一受资助者,前往美国加州理工学院留学,仅用了一年就获得硕士学位,随后师从当时已誉满全球的钱学森先生攻读博士学位,并于1952 年6 月获加州理工学院应用力学与数学博士学位,在热弹性力学、流固耦合力学等学科方向上取得了重要学术成果.

“出国留学就是为了归国报效,从来没有过其他想法.”获得博士学位后,郑哲敏先生立即提出了回国申请.虽然归国计划受到层层阻挠,他却始终没有动摇报效祖国的信念.1954 年9 月26 日,郑哲敏先生从纽约乘船,辗转欧洲,历时4 个多月终于回到了阔别6 年半的祖国.1955 年4 月,郑哲敏先生进入中国科学院数学研究所力学研究室工作,任副研究员.1956 年1 月,中国科学院力学研究所成立,郑哲敏先生参与了建所工作,并成为首批四个研究组之一的弹性力学组组长.从此开启了他“力”报国家的科学研究事业.

作为中国爆炸力学的开拓者和奠基人,郑哲敏先生在1960 年开始了爆炸成形的研究工作,阐明了爆炸成形的机理,并给出了爆炸成形的几何相似律与能量准测.与工业部门合作生产出技术要求严格的导弹部件,使爆炸成形成为以科学规律为依据的新工艺.由此一门新的分支学科得以诞生,1963 年钱学森先生前瞻性地将其命名为“爆炸力学”.此后,郑哲敏先生不断深耕,为爆炸力学这门学科的成熟、壮大做出了奠基性的贡献.1964 年完成了涉及空中核试验的有关任务,并承担地下核爆炸威力的预报研究;1965 年与解伯民一起提出了流体弹塑性体理论,建立了描述高压与冲击载荷作用下介质的流体黏弹塑性行为的统一模型,准确预测了地下核爆效应,为我国首次地下核试验的当量预报作出了重要贡献.之后又将该理论用于指导兵工部门进行穿甲几何相似律的模型试验.1973 年起带领科研团队在穿破甲机理、防护工程、爆炸加工、爆炸安全、爆炸处理水下软基、瓦斯突出机理等爆炸力学主要应用领域取得了一系列重要成果.他领导建立的系列爆炸处理水下软基新技术取得了巨大的经济和社会效益,成为爆炸力学在重大工程中应用的典范.在获得2012 年度国家最高科学技术奖之后,立足于国家能源战略安全,郑哲敏先生还关注并积极参与页岩气开发的研究工作中,倡导中国科学院力学研究所成立专门的攻关团队,探索用工程科学方法研究中国页岩气的持续开发问题.

作为中国现代力学事业的领导者和组织者之一,郑哲敏先生不断开拓力学研究的前沿领域,推动着工程科学的发展.1979 年,他领导组建了中国科学院力学研究所材料力学性能研究室并兼任室主任;1984 年2 月,他出任中国科学院力学研究所所长,全力倡导非线性力学、材料力学、海洋工程力学、环境力学、生物力学等多个力学分支学科的交叉融合;1986 年,他推动和组织了海洋工程力学的研究,并任中国科学院海洋工程科学技术研究中心主任;1988 年,他创建和领导了非线性连续介质力学开放实验室并兼任室主任,引领了中国非线性力学研究.在此期间,他与合作者提出了纳米压入标度律及确定硬度和弹性模量的新方法,在国际上被广泛引用,被称为C-C 方法.郑哲敏先生于1986—1990 年期间,担任中国力学学会理事长,极大地推动了我国力学学科的发展、力学科普工作的开展和力学期刊的建设.

作为中国力学学科建设与发展的组织者和领导者之一,郑哲敏先生长期主持我国力学学科发展规划的制定.1956 年,他参与了十二年科学技术发展远景规划中力学发展蓝图的编制;1978 年主持了全国力学学科规划的制定;1993 年,作为力学科学小组组长,领导编制力学发展规划,并纳入国家科委《21 世纪初科学发展趋势》的总体规划;1997 年,主持完成我国自然科学学科发展战略报告之一《力学》;2003—2004 年,任“国家战略高技术与高新技术产业化研究”专题咨询组组长,负责组织高层专家对“国家中长期科学和技术发展规划发展战略研究”提出咨询意见.同时,作为中国力学界在国际上的代表,郑哲敏先生积极参加和组织国际交流.1986 年被推举为国际理论与应用力学联合会IUTAM 理事,1988—1996 年期间任两届IUTAM 大会委员会委员,2004—2008 年任IUTAM 八大执委之一,与北美、欧洲、日本、澳大利亚等国家的一大批有成就的力学家进行广泛的学术联系,显著提升了中国力学在国际上的地位.

郑哲敏先生十分重视力学人才的培养,他曾用自己一生的经验和感悟寄语青年科研人员:“自然科学研究是比较苦、枯燥.但这些基础研究必须要走在前面,才能真正推进科技创造和发明,带动其他学科.现在各方步伐都很快,但我想还应有一批人,有志于稳下来,实实在在做一些事.”在指导学生的过程中他注重因材施教、发挥学生特点和专长,强调严谨分析,强调实验观察是根本性的,强调实验-分析-计算相结合,为国家培养了一批优秀的骨干人才.

郑哲敏先生还十分关心力学期刊的发展.1957—1979 年,先后担任《力学学报》首届、第2 届编辑委员会委员.1979—1985 年,成为继钱学森、郭永怀两位先生之后,《力学学报》第3 届主编.在担任学报主编期间,他始终坚持严谨、严肃的办刊风格,倡导学术讨论并特设《学术讨论》栏目,以对本刊所刊载的文章进行讨论.他还担任《力学学报》第11 届、12 届荣誉编委,为《力学学报》的创刊和发展作出了重要的贡献.郑哲敏先生为力学学报创刊60 周年,亲笔题词“发扬传统、服务力学、走向世界”(图2),表达了他对《力学学报》所寄予的殷切希望.

图2 郑哲敏先生亲笔题词Fig.2 The handwritten inscription by Prof.Che-Min Cheng

为奖励郑哲敏先生的杰出成就,经中国科学院国家天文台提议和国际天文学联合会批准,将中国发现并获得12935 号国际永久编号的小行星命名为“郑哲敏星”.郑哲敏先生一生不计名利,始终践行着为国为民的理想.从战争年代到留学时代,从新中国建设时期到社会主义新时代,他科学报国的初心一直未变,爱国奉献的精神始终都在.无论社会如何变迁,时代历尽多少沧桑,郑哲敏的爱国奉献、求实创新的科学家精神值得我们大力学习和弘扬,将不断激励后人为实现中华民族伟大复兴而不懈奋斗.他说道:“我从旧时代走过来,富国强民是梦想,总想为国家做点实实在在的事,这是很简单的想法.”

为继承和发扬郑哲敏先生的学术思想和科学精神,缅怀其治学风范,追忆其科学贡献,《力学学报》组织纪念活动并策划出版《郑哲敏先生逝世周年纪念专刊》.该特刊包括研究综述、研究论文和研究方法探讨等不同体裁,涵盖了爆炸力学、非线性力学、材料力学性能、海洋工程力学、非常规能源、流固耦合及人工智能等不同领域,共计19 篇文章.希望以此推动相关领域的学术交流和进步.

军事科学院国防工程研究院杨秀敏院士等阐述了郑哲敏先生等建立流体弹塑性理论模型的历史意义,综述了流体弹塑性理论模型的发展历程,论述了流体弹塑性模型工程化的研究现状和发展前景,并建议在国家层面建立起工程化框架和标准、研发出流体弹塑性模型软件包和相应数据库.

北京大学魏悦广院士等对采用传统理论、跨尺度力学理论分别对传统固体材料压痕标度律及先进固体材料的跨尺度压痕标度律研究进行系统综述,并指出压痕标度律的未来研究发展仍将重点集中在建立新材料的跨尺度压痕标度律上,以试图从根本上解决新材料力学性能标准规范难以建立的理论问题.除此之外也将重点关注建立各类功能新材料的多尺度及跨尺度压痕标度律规律.

中国科学院力学研究所洪友士研究员对合金材料超高周疲劳,提出了裂纹萌生特征区及特征参数的概念,并提出了“大数往复挤压”模型揭示裂纹萌生特征区形成机理.《再论超高周疲劳裂纹萌生特征区》简要论述了裂纹萌生特征区概念和“大数往复挤压”模型的启示,包括合金材料超高周疲劳特性的评估与预测、提高增材合金材料超高周疲劳性能的途径、制备纳米晶薄层材料的可能性.

高熵合金是近年迅速兴起的一类具有很宽的成分与性能调控范围的新型材料,专刊包含了3 篇相关内容的文章.中国科学院力学研究所戴兰宏研究员等探索了五元高熵合金用作药型罩的适用性.基于实验手段建立了高熵合金Johnson-Cook 热黏塑性动态本构模型,获得了凝聚性高熵合金射流形成的边界,结合数值模拟揭示了射流高速拉伸断裂演化规律.南京理工大学张先锋教授等为探究W25Fe25Ni25Mo25高熵合金弹体在侵彻过程中宏观变形行为与材料微细观结构之间的联系,建立了考虑软、硬相密度、流速以及浓度差异的等截面直管两相流动演化模型.提出了表征材料浓度演化速率的流动稳定系数,对比钨铜合金(W70Cu30)合金弹体细观结构演化行为,得出硬相浓度、密度以及驱动速度与弹体材料侵彻流动稳定性的关系,揭示了侵彻过程中弹体头部变形与细观两相结构之间的关联机制.西南交通大学张旭教授等用分子动力学方法研究了CoCrFeMnNi高熵合金的冲击波响应及其层裂强度,基于自由面速度演化和粒子速度分布,分析了弹塑性双波分离现象的取向相关性和冲击速度相关性,并结合微结构的演化,揭示了双波结构以及微结构对层裂强度的影响.

多胞材料的动态力学行为和设计是冲击动力学领域持续热点问题,也是国防领域关注的关键科学问题.中国科学技术大学郑志军教授和虞吉林教授等在2 篇文章中分别探讨了多胞材料在冲击载荷控制器和爆炸载荷模拟器方面的应用基础研究.在调控冲击载荷方面,通过密度梯度设计提高了柱壳链的波形调控能力,建立了梯度柱壳链在应力脉冲作用下的弹性波传播简化模型,并给出了解析解,结合有限元模拟研究了应力脉冲激励下密度梯度柱壳链中的弹性波传播特性,揭示了密度梯度在大范围内对应力脉冲的调控机制,为新型载荷控制器的优化设计提供了理论基础和重要途径.在模拟爆炸载荷方面,构建了可描述泡沫子弹冲击固支梁过程的耦合分析模型和有限元模型,研究了泡沫子弹的密度、长度、初速度对冲击压强的峰值、衰减速度和持续时间的影响,对仿爆炸泡沫子弹的设计提出了指导性意见.

氢能是未来一种清洁高效的可替代能源,针对氢能生命周期中存在的含氢多元混合气体爆炸问题.北京理工大学王成教授等为揭示氢摩尔分数、当量比、可燃云团尺寸及障碍物约束等因素对H2/CH4/空气混合气体爆炸时空演化的影响规律,建立了考虑混合气体组分比及可燃云团尺寸的最大爆炸超压预测模型,并运用自主研发的高精度大规模气体爆炸数值仿真软件研究了加气站内建筑结构对混合气体爆炸的影响.

流固耦合动力学是海洋工程、船舶工程等诸多领域的研究热点和难点问题,针对海洋工程中存在的典型流固耦合难题,哈尔滨工程大学张阿漫教授等建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型,模拟了近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤特性,通过与实验和其他解对比,验证了当前计算模型的有效性和精度,旨在为近场水下爆炸相关研究提供理论和基础性技术支撑.中国科学院力学研究所陈伟民教授等研究了含分布浮体的复杂构型深海缆线的动响应及其时空演化,基于其流固耦合特性和载荷模型表征,建立含分布浮体深水缆线动力学控制方程,结合有限元数值模拟和水箱模型实验,揭示了复杂构型缆线的响应时空演化规律和波传播机制.中国科学院力学研究所王一伟研究员等构造了针对多相流动的物理融合神经网络,模拟了典型的瑞利-泰勒不稳定界面失稳过程.为了解决现有算法计算效率低的困难,他们借鉴深度残差方法的思想改进网络结构,在保证精度前提下降低训练用时60%以上,为高精度智能建模方法在多相流等复杂场景的推广应用提供了参考.

近年来,我国页岩油气、可燃冰等非常规能源勘探开发取得了诸多新突破,中国科学院力学研究所赵亚溥研究员等从Griffith 经典弹性力学解出发,在充分考虑页岩孔缝非均质性的前提下,分别推导得到基质型页岩与裂缝型页岩的应力敏感程度计算公式,揭示了页岩低应力敏感现象的力学机制,并在中国两类典型页岩油储层中开展了实例应用,为页岩油储量的精确评估和提高采收率工程实践提供了关键理论依据.清华大学航天航空学院庄茁教授等研究了在页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂缝网改造的关键力学问题.提出页岩多孔弹性介质的本构、强度和断裂韧性的各向异性模型,阐述钻井完井过程的井壁稳定性及多孔弹性的时间效应,给出水平井水力压裂缝网改造技术中流固耦合与裂缝扩展的数值模拟算法,建立基于数据驱动的页岩气采收率预测方法.郑哲敏先生基于“工程科学”思想提出了“切割地层并利用对流传热和管道输送技术”的机械-热联合开采可燃冰的新方法,中国科学院力学研究所张旭辉副研究员等对该方法的可行性进行了综合评估,阐述了含相变气液固多相流动、地层安全方面的研究进展,该方法可突破传统开采方案地层热传导效率低的瓶颈,提供新的理论技术储备.

仪器化压入检测技术是郑哲敏先生晚年的研究兴趣之一.北京航天航空大学张泰华研究员等针对表面残余应力的仪器化压入检测方法,阐释利用压入方式检测残余应力的基本原理和力学机制,梳理建立残余应力压入检测方法的常用技术路线,着重分析6 种代表性压入检测方法的优势与局限,讨论验证压入检测方法可靠性的常用方法,最后总结残余应力压入检测方法的研究进展及其在实际应用中的注意事项,展望未来的发展趋势.重庆大学聂百胜教授等研究了煤体微纳尺度的非均质结构和力学性质,获取了不同无机矿物在煤体有机物中的填充形式,基于不同尺度的仪器化压痕实验,表征了矿物和有机物纳米尺度力学性质的差异,阐明了矿物填充对微米尺度煤体混合物力学性能的影响规律,揭示了煤体破坏特征与其矿物填充结构的关系.

北京师范大学高剑波教授介绍了他与郑先生在非线性科学领域的一些工作,以及这些工作如何被拓展并演变成一些非线性问题通用的分析方法.中国科学院力学研究所李世海研究员等结合案例诠释了工程科学是技术创新的源泉;讨论了数值模拟的工程科学属性及其方法与自然科学的同源性;构建连续非连续方法可增减的广义计算变量、提出滑坡渐进破坏及破裂度的概念说明了工程科学也是知识的源泉.