实验力学专题序

何 巍 * 谢惠民

*(湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410082)

†(清华大学航天航空学院，北京 100084)

实验力学是在认识自然现象和解决工程实际问题的需求牵引下发展起来的一门学科。在科学技术飞速发展的今天，新材料与新结构不断涌现，且其制造和服役环境日趋极端，实验力学面临新的问题和挑战。《力学与实践》为聚焦实验力学最新研究成果，组织出版“实验力学”专题，包括2 篇邀请综述论文和9 篇研究论文。本专题旨在聚焦应力、应变、温度等关键参量的测量新方法，及在航空航天、生态环境、生物医疗等领域应用中的关键科学与技术问题，主要内容简要介绍如下。

应力、应变是固体力学中的关键基础参量，其精确测量是实验力学的核心任务之一。增量数字图像相关（digital image correlation, DIC）是一种基于参考图像更新的非接触式全场变形测量方法，常用于大变形、环境光变化剧烈、散斑退相关等非常规场景。针对增量DIC 方法中难以避免的误差累积难题，北京航空航天大学潘兵等研究了不同增量策略在不同场景下的误差累积规律[1]，提出了协同使用条件增量计算策略、自适应参考图像子区平移策略和图像高斯低通预滤波的误差抑制方法，实现了更为精确的增量DIC 分析。基于透明材料的应力应变同步测量需求，东南大学邵新星等结合数字梯度敏感（digital gradient sensing, DGS）和DIC 方法，通过3CCD 相机对荧光散斑的红蓝光分离，实现了表面应力梯度场与应变场的同步测量[2]。该方法的提出可为重要透明材料的断裂与破坏机理研究、质量检测等提供有力支撑。

温度是一个十分重要的热力学参量，其精确测量在国防、航空航天、材料与能源等重大战略领域中起重要作用。北京理工大学刘战伟等综述了基于光学原理的非接触式二维/三维温度场测量方法的现状，主要包括基于折射率变化的测温法、辐射测温法以及激光光谱诊断测温法。阐述了多种温度场检测技术的原理、优缺点及应用特点，并指出其未来将朝着高分辨率、高精度、三维可视化、实时测量等方向发展。基于温度场的缺陷无损检测也是温度测量的重要应用方向。脉冲热成像技术是一种新兴的有潜力的红外无损检测技术，但仍面临表面加热不均匀及表面发射率低导致的红外图像对比度低、噪声大等挑战[3]。宁波大学吴丹等提出了比温度的图像后处理方法[4]，即对温度序列图像的每一帧图像与前一帧图像进行作商的后处理操作，以进行缺陷识别和定量检测。该方法显著提高了图像信噪比，降低了缺陷尺寸定量误差，具有操作简便、效率高、效果好的优势。

在航空航天领域，针对卫星产品振动试验中“传统的单轴振动试验与多轴振动试验在振动效应的差异未有明确结论，且我国尚未建立卫星产品多轴振动试验的行业标准，多轴振动试验技术的推广面临瓶颈”这一问题，中国空间技术研究院刘沫等选取卫星陀螺模拟件[5]，在相同试验频段下开展单/多轴随机振动试验，明确了典型卫星产品单/多轴和不同条件下多轴随机振动的振动效应差异，有望助力我国相关标准的建立。

在生态环境保护领域，通过植物根系固土实现生态护坡已成为边坡治理的主要方式之一。其中，根–土界面拉拔行为研究是揭示根系固土机理的关键之一。中山大学戴北冰等同时从根系表皮形态和根的拉伸力学行为出发，以力学性能差异较大的小叶榕和大叶伞根系为研究对象，通过考虑不同的植物根系、根径和法向载荷，开展了单根拉伸和根土复合体的拉拔试验[6]，明晰了表皮形态差异和单根拉伸力学行为特征对根–土拉拔摩擦特性的影响规律和机理，为生态护坡实践提供了有效支撑。另一方面，氢燃料电池可以减少空气污染和温室气体排放，是新能源的重要发展方向之一。作为核心零部件的双极板，其对材料的力学性能和腐蚀性能要求苛刻，但目前对哈氏合金作为双极板材料的服役性能仍不清晰。佛山科学技术学院赵春旺等针对典型哈氏合金Hastelloy X 和Hastelloy C-276 开展了模拟服役过程的拉伸性能和耐腐蚀性能实验研究[7]，得出了Hastelloy C-276 是具有重要应用潜力的氢燃料电池双极板材料的有益结论。

在岩土工程领域，溶洞探测是确保桩基施工安全，避免地面坍塌等安全隐患的重要手段。华南理工大学周立成等提出了一种基于双向长短期记忆神经网络的多层岩土环境溶洞三维定量智能识别方法[8]。采用有限元方法对多层岩土环境下的大量溶洞工况进行建模，从而构建不同溶洞工况下的响应数据库，实现了3 m 容差范围内，98%的高识别准确率，在探测效率、经济/时间成本和智能化方面取得了显著改进。此外，随着采矿活动向地球深部进军，高应力下的岩体开挖稳定性已成为工程建设中的重要问题。郑州铁路职业技术学院王晓睿等对饱水砂岩开展了三轴压缩试验和轴向位移不变的卸围压试验，通过考虑应力路径及加载速率，以及应力应变特征、强度特征、能量演化特征分析，解决了传统卸荷试验中规律不统一的问题，明晰了卸围压试验中环向变形是破坏的主要原因[9]。

在生物医疗领域，天津大学王世斌等围绕人体皮肤的摩擦行为，从解剖结构、理论模型、实验手段、数值仿真以及影响因素等多个方面综述了国内外研究进展[10]，重点介绍了评估皮肤摩擦行为的实验方法，并给出了目前研究中存在的关键问题、挑战以及未来发展方向，对病理学评估、机器触觉感知等研究具有重要参考价值。

在微纳米技术领域，电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）技术不仅能表征材料微观组织，还能定性分析弹塑性应变，是研究不同服役环境下晶体微观组织与应变场演化之间内在联系的重要手段。清华大学刘飞等介绍了EBSD 技术的基本原理、常用制样方法及其主要功能，阐述了基于EBSD 的高温疲劳裂纹扩展行为、应变场演化、高分辨DIC 等前沿研究方向，强调了从定性应变分析走向定量化分析的发展趋势[11]，为经典材料学表征技术EBSD 在实验力学中的拓展应用指明了方向和所面临的关键科学问题。

从上述文章介绍可以看出，实验力学所涉及领域众多，其方法、技术不断创新演进；然而许多重要的研究方向在本专题未能涵盖，例如高低温、多场耦合、动态等极端条件下的力学测试方法、技术及应用。在新时代下，实验力学有望迎来新的发展机遇，成为服务国家重大需求的重要切入点。