鄭哲敏先生逝世周年紀念專刊序

陸夕云

(中國科學技術大學近代力學系,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)是我國著名力學家,中國科學院院士、中國工程院院士、美國國家工程院外籍院士,2012 年度國家最高科學技術獎獲得者.他創立了爆炸力學學科及相關的研究領域;領導了材料力學、非線性力學、海洋工程力學等學科的建設和發展;倡導了計算力學、流固耦合、非常規能源、人工智能等領域的研究,為我國現代力學的發展做出了重大貢獻.

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 年以優異的成績考入國立西南聯合大學,并立志科學報國.當時錢偉長先生的力學課程激發了他對力學的濃厚興趣,使其將力學作為終身研究方向.1947 年鄭哲敏先生從清華大學機械系畢業后留校,擔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金”的唯一受資助者,前往美國加州理工學院留學,僅用了一年就獲得碩士學位,隨后師從當時已譽滿全球的錢學森先生攻讀博士學位,并于1952 年6 月獲加州理工學院應用力學與數學博士學位,在熱彈性力學、流固耦合力學等學科方向上取得了重要學術成果.

“出國留學就是為了歸國報效,從來沒有過其他想法.”獲得博士學位后,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院數學研究所力學研究室工作,任副研究員.1956 年1 月,中國科學院力學研究所成立,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組組長.從此開啟了他“力”報國家的科學研究事業.

作為中國爆炸力學的開拓者和奠基人,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.與工業部門合作生產出技術要求嚴格的導彈部件,使爆炸成形成為以科學規律為依據的新工藝.由此一門新的分支學科得以誕生,1963 年錢學森先生前瞻性地將其命名為“爆炸力學”.此后,鄭哲敏先生不斷深耕,為爆炸力學這門學科的成熟、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任務,并承擔地下核爆炸威力的預報研究;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的流體黏彈塑性行為的統一模型,準確預測了地下核爆效應,為我國首次地下核試驗的當量預報作出了重要貢獻.之后又將該理論用于指導兵工部門進行穿甲幾何相似律的模型試驗.1973 年起帶領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主要應用領域取得了一系列重要成果.他領導建立的系列爆炸處理水下軟基新技術取得了巨大的經濟和社會效益,成為爆炸力學在重大工程中應用的典范.在獲得2012 年度國家最高科學技術獎之后,立足于國家能源戰略安全,鄭哲敏先生還關注并積極參與頁巖氣開發的研究工作中,倡導中國科學院力學研究所成立專門的攻關團隊,探索用工程科學方法研究中國頁巖氣的持續開發問題.

作為中國現代力學事業的領導者和組織者之一,鄭哲敏先生不斷開拓力學研究的前沿領域,推動著工程科學的發展.1979 年,他領導組建了中國科學院力學研究所材料力學性能研究室并兼任室主任;1984 年2 月,他出任中國科學院力學研究所所長,全力倡導非線性力學、材料力學、海洋工程力學、環境力學、生物力學等多個力學分支學科的交叉融合;1986 年,他推動和組織了海洋工程力學的研究,并任中國科學院海洋工程科學技術研究中心主任;1988 年,他創建和領導了非線性連續介質力學開放實驗室并兼任室主任,引領了中國非線性力學研究.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,擔任中國力學學會理事長,極大地推動了我國力學學科的發展、力學科普工作的開展和力學期刊的建設.

作為中國力學學科建設與發展的組織者和領導者之一,鄭哲敏先生長期主持我國力學學科發展規劃的制定.1956 年,他參與了十二年科學技術發展遠景規劃中力學發展藍圖的編制;1978 年主持了全國力學學科規劃的制定;1993 年,作為力學科學小組組長,領導編制力學發展規劃,并納入國家科委《21 世紀初科學發展趨勢》的總體規劃;1997 年,主持完成我國自然科學學科發展戰略報告之一《力學》;2003—2004 年,任“國家戰略高技術與高新技術產業化研究”專題咨詢組組長,負責組織高層專家對“國家中長期科學和技術發展規劃發展戰略研究”提出咨詢意見.同時,作為中國力學界在國際上的代表,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用力學聯合會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家進行廣泛的學術聯系,顯著提升了中國力學在國際上的地位.

鄭哲敏先生十分重視力學人才的培養,他曾用自己一生的經驗和感悟寄語青年科研人員:“自然科學研究是比較苦、枯燥.但這些基礎研究必須要走在前面,才能真正推進科技創造和發明,帶動其他學科.現在各方步伐都很快,但我想還應有一批人,有志于穩下來,實實在在做一些事.”在指導學生的過程中他注重因材施教、發揮學生特點和專長,強調嚴謹分析,強調實驗觀察是根本性的,強調實驗-分析-計算相結合,為國家培養了一批優秀的骨干人才.

鄭哲敏先生還十分關心力學期刊的發展.1957—1979 年,先后擔任《力學學報》首屆、第2 屆編輯委員會委員.1979—1985 年,成為繼錢學森、郭永懷兩位先生之后,《力學學報》第3 屆主編.在擔任學報主編期間,他始終堅持嚴謹、嚴肅的辦刊風格,倡導學術討論并特設《學術討論》欄目,以對本刊所刊載的文章進行討論.他還擔任《力學學報》第11 屆、12 屆榮譽編委,為《力學學報》的創刊和發展作出了重要的貢獻.鄭哲敏先生為力學學報創刊60 周年,親筆題詞“發揚傳統、服務力學、走向世界”(圖2),表達了他對《力學學報》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,經中國科學院國家天文臺提議和國際天文學聯合會批準,將中國發現并獲得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.從戰爭年代到留學時代,從新中國建設時期到社會主義新時代,他科學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、求實創新的科學家精神值得我們大力學習和弘揚,將不斷激勵后人為實現中華民族偉大復興而不懈奮斗.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.”

為繼承和發揚鄭哲敏先生的學術思想和科學精神,緬懷其治學風范,追憶其科學貢獻,《力學學報》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、非線性力學、材料力學性能、海洋工程力學、非常規能源、流固耦合及人工智能等不同領域,共計19 篇文章.希望以此推動相關領域的學術交流和進步.

軍事科學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展歷程,論述了流體彈塑性模型工程化的研究現狀和發展前景,并建議在國家層面建立起工程化框架和標準、研發出流體彈塑性模型軟件包和相應數據庫.

北京大學魏悅廣院士等對采用傳統理論、跨尺度力學理論分別對傳統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綜述,并指出壓痕標度律的未來研究發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性能標準規范難以建立的理論問題.除此之外也將重點關注建立各類功能新材料的多尺度及跨尺度壓痕標度律規律.

中國科學院力學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及特征參數的概念,并提出了“大數往復擠壓”模型揭示裂紋萌生特征區形成機理.《再論超高周疲勞裂紋萌生特征區》簡要論述了裂紋萌生特征區概念和“大數往復擠壓”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控范圍的新型材料,專刊包含了3 篇相關內容的文章.中國科學院力學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 熱黏塑性動態本構模型,獲得了凝聚性高熵合金射流形成的邊界,結合數值模擬揭示了射流高速拉伸斷裂演化規律.南京理工大學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構之間的聯系,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定系數,對比鎢銅合金(W70Cu30)合金彈體細觀結構演化行為,得出硬相濃度、密度以及驅動速度與彈體材料侵徹流動穩定性的關系,揭示了侵徹過程中彈體頭部變形與細觀兩相結構之間的關聯機制.西南交通大學張旭教授等用分子動力學方法研究了CoCrFeMnNi高熵合金的沖擊波響應及其層裂強度,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象的取向相關性和沖擊速度相關性,并結合微結構的演化,揭示了雙波結構以及微結構對層裂強度的影響.

多胞材料的動態力學行為和設計是沖擊動力學領域持續熱點問題,也是國防領域關注的關鍵科學問題.中國科學技術大學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用基礎研究.在調控沖擊載荷方面,通過密度梯度設計提高了柱殼鏈的波形調控能力,建立了梯度柱殼鏈在應力脈沖作用下的彈性波傳播簡化模型,并給出了解析解,結合有限元模擬研究了應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對應力脈沖的調控機制,為新型載荷控制器的優化設計提供了理論基礎和重要途徑.在模擬爆炸載荷方面,構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、衰減速度和持續時間的影響,對仿爆炸泡沫子彈的設計提出了指導性意見.

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.北京理工大學王成教授等為揭示氫摩爾分數、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測模型,并運用自主研發的高精度大規模氣體爆炸數值仿真軟件研究了加氣站內建筑結構對混合氣體爆炸的影響.

流固耦合動力學是海洋工程、船舶工程等諸多領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,哈爾濱工程大學張阿漫教授等建立了完全無網格的近場水下爆炸沖擊波和氣泡全物理過程瞬態強非線性流固耦合動力學模型,模擬了近場水下爆炸沖擊波傳播、氣泡脈動與射流以及結構毀傷特性,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研究提供理論和基礎性技術支撐.中國科學院力學研究所陳偉民教授等研究了含分布浮體的復雜構型深海纜線的動響應及其時空演化,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控制方程,結合有限元數值模擬和水箱模型實驗,揭示了復雜構型纜線的響應時空演化規律和波傳播機制.中國科學院力學研究所王一偉研究員等構造了針對多相流動的物理融合神經網絡,模擬了典型的瑞利-泰勒不穩定界面失穩過程.為了解決現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絡結構,在保證精度前提下降低訓練用時60%以上,為高精度智能建模方法在多相流等復雜場景的推廣應用提供了參考.

近年來,我國頁巖油氣、可燃冰等非常規能源勘探開發取得了諸多新突破,中國科學院力學研究所趙亞溥研究員等從Griffith 經典彈性力學解出發,在充分考慮頁巖孔縫非均質性的前提下,分別推導得到基質型頁巖與裂縫型頁巖的應力敏感程度計算公式,揭示了頁巖低應力敏感現象的力學機制,并在中國兩類典型頁巖油儲層中開展了實例應用,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鍵理論依據.清華大學航天航空學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改造的關鍵力學問題.提出頁巖多孔彈性介質的本構、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定性及多孔彈性的時間效應,給出水平井水力壓裂縫網改造技術中流固耦合與裂縫擴展的數值模擬算法,建立基于數據驅動的頁巖氣采收率預測方法.鄭哲敏先生基于“工程科學”思想提出了“切割地層并利用對流傳熱和管道輸送技術”的機械-熱聯合開采可燃冰的新方法,中國科學院力學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,該方法可突破傳統開采方案地層熱傳導效率低的瓶頸,提供新的理論技術儲備.

儀器化壓入檢測技術是鄭哲敏先生晚年的研究興趣之一.北京航天航空大學張泰華研究員等針對表面殘余應力的儀器化壓入檢測方法,闡釋利用壓入方式檢測殘余應力的基本原理和力學機制,梳理建立殘余應力壓入檢測方法的常用技術路線,著重分析6 種代表性壓入檢測方法的優勢與局限,討論驗證壓入檢測方法可靠性的常用方法,最后總結殘余應力壓入檢測方法的研究進展及其在實際應用中的注意事項,展望未來的發展趨勢.重慶大學聶百勝教授等研究了煤體微納尺度的非均質結構和力學性質,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性質的差異,闡明了礦物填充對微米尺度煤體混合物力學性能的影響規律,揭示了煤體破壞特征與其礦物填充結構的關系.

北京師范大學高劍波教授介紹了他與鄭先生在非線性科學領域的一些工作,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.中國科學院力學研究所李世海研究員等結合案例詮釋了工程科學是技術創新的源泉;討論了數值模擬的工程科學屬性及其方法與自然科學的同源性;構建連續非連續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也是知識的源泉.