1、1自然科学学科发展战略调研报告国家自然科学基金委员会北京：科学出版社，1997力 学目 录前 言摘 要1 力学学科的战略地位1.1 力学发展的回顾1.2 我国力学研究的状况1.3 力学发展的趋势和重要方向2 力学学科发展的状况与趋势2.1 一般力学22.1.1 一般力学2.1.2 理性力学2.2 固体力学2.2.1 固体力学的发展状况2.2.2 固体力学的发展趋势2.2.3 中近期建议着重研究的领域2.3 流体力学2.3.1 概述2.3.2 流体力学的发展状况2.3.3 中近期建议着重研究的领域 2.4 力学中的交叉学科2.4.1 物理力学2.4.2 电磁流体力学和等离子体动力学2.4.3 爆
2、炸力学2.4.4 环境流体力学2.4.5 地球力学2.4.6 生物力学3 战略目标及措施33.1 战略目标3.2 措 施参考文献4前 言力学具有很强的基础性，又有广泛的应用性。力学的基础研究，不断深化和丰富人类对基本自然规律的认识，不断为其他学科的发展提供认识工具。目前，力学正在突破经典的力学概念和范畴，进入一个新的发展阶段。力学的物理内容在深化，力学在与其他学科交缘处迅速发展。力学从认识论的前沿，跨越自身的一些重大问题和学科的新生长点，直到构筑新技术、高技术的根基。形成一个相当宽阔的研究带。国内外对力学都很重视，学术活动频繁，学术组织林立。美国、日本把力学和材料视为交叉研究领域，俄罗斯把力学
3、当作 带头学科，我国 则把力学作 为七大基础学科之一。随着冷战的结束，随着我国从社会主义计划经济向社会主义市场经济的重大体制转变，力学又面临着新的挑战和新的机遇，力学需要重新规划自已、发展自己。力学发展战略研讨工作，侧重于基础学科方面。在国家自然科学基金委 员会的统一部署下，于 1990 年 7 月在山东威海召开的学科 评审组会议上正式开始。会上，确立了战略研究的总体构思，本着学科发 展战略调研报告应具有权威性、预见性和可操作性的精神，成立了以中国科学院郑哲敏院士为组长、黄克智院士、周恒院士和中国工程院黄文虎院士为副组长的研究组。国家自然科学基金委 员会副主任、中国力学学会理事长、中国科学院王
4、仁院士光临会议，共同商 讨。研究分两个阶段四个方面进行：第一阶段从 1991 年开始，由黄克智院士率领， 对固体力学进行发展战略研究；由周恒院士率领，对流体力学进行发 展战略研究；由黄文虎院士率 领， 对一般力学进行发展战略研究；由郑哲敏院士率领，对力学的交叉学科 进行发展战略研究。第二阶段从 1994 年开始，在上述四个方面的研究基础上，由郑哲敏院士主持形成整个力学学科的发展战略报告的总体构想。第一阶段的工作，是国家自然科学基金委员会的力学发展战略研究组、中国力学学会和中国科学院非线性连续介质力学开放实验室等单位联合组织实施的。在周恒院士的主持下，于 1990 年 10 月和 1992 年
5、2 月召开了两次“非线性流体力学研讨会”，先后有 35 位专家( 人次)参加会议。会上的 24 个邀请报告，收集在现代流体力学进展和现代流体力学进展(II)(科学出版社出版)里。在黄文虎院士的主持下；1993 年 7 月召开了“一般力学 (动力学、振动及控制)发展与展望学术讨论会”，由 42 位专家( 人次)提供了 25 篇专题报告，汇编为一般力学( 动力学、振动和控制)的最新进展，由科学出版社 1994 年出版。在黄克智院士主持下，于 1990 年 11 月和 1992 年 12 月召开了两次“固体力学发展趋势研讨会”，由 36 位有关专家分工撰写了综合报告 19 篇，这些报告汇编为固体力学
6、发展趋势，由北京理工大学出版社 1994 年出版。由朱兆祥等四位教授负责，于 1991 年 8月召开了“材料和结构的不稳定性研讨会”，邀请了 16 位专家作了学术报告，汇编为材料和结构的不稳定性论文集，由科学出版社 1994 年出版。郑哲敏院士主持的力学的交叉学科涉及的内容广泛，尽管有关交叉学科的发展战略报告已经成文，如爆炸力学等，但因各学科多从自身的角度论述，而没有统一在一起，形成正式出版物。第一阶段的学科发展战略研讨工作，通过郑哲敏等四位院士的影响和带动，使力学界相当一部分学术造诣深厚，且在研究第一 线工作的专家学者参与研 讨， 为第二阶段的工作奠定了良好的基础。第二阶段的工作是从 199
7、4 年 7 月在哈尔滨召开的学科 评审组会议开始。在那次会议5上，首先请了周恒院士、黄文虎院士、杨卫教授和唐立民教授等开始对整个力学学科发展战略报告的正式文稿进行起草，会上周恒院士初步完成了 “力学发展的回顾”和“流体力学”部分、杨卫 教授初步完成了“固体力学”部分、黄文虎院士初步完成了 “一般力学”部分的起草工作等。1995 年初，研究组又征集了郑泉水教授关于理性力学的材料，谢和平教授关于岩石力学的材料，伍小平教授关于实验力学的材料，大连理工大学关于计算力学的材料等。1995 年年底，将上述材料连同原来谈庆明研究 员提供的有关爆炸力学的材料，崔季平研究员提供的有关物理力学的材料，柳兆荣教授提
8、供的有关生物力学的材料，徐复和陈允明研究员提供的有关电磁流体力学的材料和李家春研究员提供的有关环境流体力学的材料等，由杨雷高 级工程师串在一起， 组织打印 为“ 力学学科发展战略调研报告”的初步讨论稿。1996 年初，由郑哲敏院士和黄克智院士 组织杨卫教授、 郑泉水教授、谈庆明研究员、郭文海副研究 员等进行初步加工，形成初步的框架。接着召开了研究 组全体人员会议，提出了一些原 则性的修改意见，并确定由 谈庆 明研究员为整个报告的统稿人；进行深入细致的进一步加工。之后，郑哲敏院士编写了摘要；又请王仁院士、李家春研究员、朱如曾研究员、陆启韶教授、王文标教授等补充了有关的材料，并按照“调研报告”的出
9、版要求， 进行了再加工。在郑哲敏院士的主持下，又召开了几次在京研究组成员会议，进行讨论；并书面征求了京外研究 组成员的意见，1996 年 4 月基本定稿。王仁院士首先进行了通篇审读和修改。同年 5 月送同行专家进行 评议，除力学界的同行 专家外，还送请数学界、物理界和工程界的 专家进行评议。根据同行专家返回的意见，又逐一进行了修改，形成了送专家评审 会议的正式书稿。以王仁院士为组长的评审组于 1997 年 4 月 1718 日 对“ 调研报告”进行了认真细致的评审。评审组认为研究组“ 完成了一份高质量的调研报告。该调研报告从科学技术发展历史的角度，阐明了力学在自然科学中的 战略地位，以及它对国
10、民经济和社会发展的巨大推动作用。调研报告对国内外力学研究 现状和发展趋势 作了深入分析和高度的概括。 ”“调研报告既有学术深度，又有战略高度。所引用的 资料准确，对力学学科未来十年的发展机遇作了比较明确的预测，提出了 实现战略目标的相应 措施。 ”“结合我国国情，提出了优先发展领域和中近期发展目标，是一 项既有重要学术价 值又有很好指导意义的研究成果。”力学学科发展战略调研报告是部分力学工作者在充分 调研基础上的集体构思。在此，我们谨对一直关心和支持该项工作的白以龙院士， 对曾给 予该项工作以支持和帮助的专家和有关单位表示衷心感谢。对书中不足或不当之处， 欢迎 读者指正。国家自然科学基金委员会
11、数理科学部靳征谟1997 年 5 月力学是研究物质机械运动规律的科学。自然界物 质有多种 层次，从宇 观的宇宙体系、宏观的天体和常规物体，细观的颗 粒、 纤维、晶体，到微 观的分子、原子、基本粒子。通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主。但由于学科的互相渗透，有时也涉及宇观或细观甚至微观各层次中的对象以及有关的规律。机械运 动亦即力学运 动是物质在时间、空 间中的位置变化，它是物质在时间、空间中的位置变化，物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。机械运 动并不能脱离其他运 动形式独立存在，只是在研究力学问题时突出地考虑机械运动这种形式罢了；如果其他运动形
12、式对机械运动有较大影响，或者需要考虑它们之间的相互作用，便会在力学同其他学科之 间形成交叉学科或边缘学科。力是物质间的可以说是力和运动的科学。61 力学学科的战略地位1.1 力学发展的回顾力学的发展始终是和人类的生产活动紧密结合的，3000 多年前的墨经上就有简单的杠杆原理。在西方，古希腊的阿基米德对静力学就有了一些系统的论述。这都与当时的生产水平相适应。17 世纪初，欧洲资本主义萌芽，科学挣脱神学的束缚而开始复苏。伽利略是进行系统实验研究的先驱，提出了加速度的概念和 惯性原理。开普勒根据天文观测资料总结出行星运动的规律。牛顿继承和发扬了前人的成果，提出了物体运 动三定律和万有引力定律。可见，
13、至牛顿时代，力学形成了一门科学，同时推动了微积分的发展，其后，随着欧洲逐步工业化，力学得到了很大的发展。上个世纪，力学已经有了不少分支。例如与水利及城市给排水建设有关的水力学，与建筑、桥梁、道路等有关的材料力学和结构力学，与军事有关的弹道学，以及理 论性较强的理想流体力学，分析力学和弹性力学。与此同 时，力学成了物理学的重要组成部分，并促进了数学的发展。力学的大发展开始于本世纪初。最突出的成就是流体力学中边界层理论的提出。上个世纪水力学和理想流体力学得到了很大发展，前者 紧密地结合工程 实际，但含有不少 经验成分； 而后者理论很完美，但不能计 算物体在真实流体中运动时 所受到的力。德国的普朗特
14、 (L.Prandtl)通过实验观察，发现流体的粘性在紧靠物体表面的一薄层中不能忽略，但在离物体稍远处则完全可以忽略。根据 这一思想，他提出了 边界层理 论，圆满地解决了在计算物体所受阻力和升力中所遇到的疑难问题，正是在 这个基础上， 诞生了 现代流体力学。有意思的是这种“边界层”的现象后来发现在很多其他领域中也存在，同样可以应用普朗特的思想解决问题。同时这也促成了应用数学中十分有用的“渐近匹配法”的发展。力学的飞速发展是伴随着第一次大战后航空工业的发 展而进行的。尽管当时几乎所有的大生产部门都依赖于力学理论的指导，但只有航空工 业对飞 机设计提出的轻、快、安全的高难度要求，才使得航空工业离开
15、了力学寸步 难行，从而极大地推动了空气动力学，固体力学中的板、壳理论，结构分析，塑性力学，疲 劳理论的发展，而反 过来，力学一旦形成一门科学，就会为完善本身学科的要求出发而提出众多基础问题。这些基 础研究的储备，又大大 缩短了解决实际问题的时间。从低速飞行到高速 飞行的发展，就是一个极好的例子，一方面可 压缩流体力学的研究是不可压流体力学的自然延伸； 而另一方面，以普朗特、冯 卡门(T.von Karman)、 钱学森为代表的应用力学学派开创了一条工程和力学相结合的道路。他们先后提出和围绕“声障”和“热障”问题 ，展开了系统的研究，奠定了高速空气动力学和气体动力学的理论基础，从而也为超声速飞机
16、、火箭和导弹 的研制、 设计和制造赋予严 密和完整的基础，人们从此进入了喷气技术的时代，形成了今天的大 规模的航空、航天 产业。航天技术中一系列问题的解决，形成了高温空气动力学、稀薄气体力学、化学流体力学、物理力学以及断裂力学、损伤力学等一大批新兴力学学科。由于这些学科所取得的成就又被 进一步广泛地 应用于民用工业，促 进了民用工业的发展，例如化学流体力学 对化工、冶金，断裂力学对机械、交通和建筑等。力学与工程紧密结合的倾向也在其他工程部门的迅速发展中得到反映，如与水利、采矿、高层建筑、金属加工、造船等工业结合，促进了土力学、岩石力学、塑性力学、水动力学等的发展。原子弹聚爆方案和引爆技术的提出
17、归功于流体力学中的冲击波理论与量纲分析的运用。核武器的研制和发展，则与爆炸力学的形成和 发展紧密相联。化学工 业 的迅速发展有赖于非牛顿流、多相流的力学研究，等等。上述情况充分说明力学与工程相结合的超前研究为新产业的形成起着7奠基和催生的作用。20 世纪下半叶、航天任务基本实现以后，力学家开始转向新的力学生长点，特别是在天、地、生方面取得丰硕成果。结合天体现象的研究，用磁流体力学研究太阳风的发生和发展规律，用流体力学结合恒星动力学解释星系螺旋结构，用相 对论 流体力学研究星系的演化等取得了成果。力学家研究了生物的形态和组织，建立了生物力学，从而在定量生理学、临床诊断和检测分析、人工器官的设计和
18、制造等方面取得成就，并业已形成一 门新的生物医学工程。力学向地球科学渗透，在板块动力学、构造应力场、地震机制与预报及与之有关的反演等方面取得进展，并进一步推动岩石力学的研究。以上我们着重谈了力学与生产的关系。现在我们再来看看力学与整个科学的关系。力学原是物理学的一个分支。物理科学的建立是从力学开始的。在物理科学中，人们曾用纯粹力学理论解释机械运动以外的各种形式的运动，如 热 、电磁、光、分子和原子内部的运 动等。当物理学摆脱了这种机械唯物主 义的自然观而获得健康 发展时，力学 则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化，逐步从物理学中独立出来。由于各种运动形态往往同时出现，宏观运动与微观运动又有
19、内在联系，力学与物理学存在着特殊的 亲缘关系， 许多概念、方法和理论都有不少相似之处。力学与数学是整个自然科学中发展得最早的两个学科，他们在发展中始终相互推动，相互促进，这种紧密的联系特别表现在力学理 论和微分方程理论的同步发展方面，本世纪内形成的应用数学 则在很大程度上是力学和数学 结合的交叉学科。 应当指出力学有一个重要特点是有别于数学的，它和物理一 样， 还需要 实验作为基础，任何一种力学模型和理论总是源出于实际现象，并在 实践和应用中受到检验 。力学的 发展相对于其他学科有一定的“超前性”，不少在力学中提出的规律、理 论和方法，后来发现在其他领域中同样有效。为说明力学与其他科学的关系，
20、应该提到本世纪在对非线性力学现象中所取得的突出成就，它们对当前非线性科学的 兴起起到先驱和核心的作用。例如，经典力学在上个世纪就提出的关于物体运动稳定性的理论，不 仅在第二次世界大战中，被引用到自动控制理论中，大大缩短了其理论的形成过程；而且这一理论在当前十分热门的混沌理论中又得到了应用。本世纪初在天体力学中发展起来的摄动法， 为近代非线性科学中的分岔理 论及各种系统的非线性振动理论提供了分析的手段，而两个世纪前在固体力学中提出的 压杆失稳理论， 则是分岔现象的第一个科学例子。上个世纪 末观察到的水中的孤立波，是非线性科学中孤立子理论的先驱。为此提出的 KdV 方程，至今仍是孤立子理论的典型方
21、程之一，而孤立子理论推动了光学中相应理论的发展，且成为实现现 代光通信技术的关键。 60 年代由气象学中提出的流体力学 问题，开创了混沌学的研究，从根本上改变了经典物理中确定性的 观点，也深深地影响了人 们的自然观，而被认为是 20 世纪科学最 伟大发现之一。还应该提一提科学计算的问题，由于大型、复 杂建筑物如摩天大楼结构设计的需要，早在计算机出现之前，力学工作者就提出了若干种分析大型、复杂结构物的计算方法。电子计算机的问世，大大促进了这方面的 发展，改 变了原来的思路。在 50 年代，即已出现了后来被称为有限元法的思想并迅速被推广到力学的各个分支及其他科学领域。而航空航天技术中流场计算以及原
22、子弹、氢弹引爆过程和爆炸效 应的计算需要，又大大促进有限差分法的发展。为了适应复杂结构及流场等大型计算，提出了各种网格划分、分区计算、分裂算子、并行计算等方法。可以毫不夸大地说，力学计算的需要是 现代计算科学的最有力的推 动力之一。 电子计算机出现后的首批重要科学和工程计算中，力学 问题占了相当大的比重。以上我们强调了由于人们能直接感知的只是宏观事物，因此不少科学中的普遍规律（指在各学科中有共性的）往往先在力学现象中被发现和研究，然后渗透到其他学科并得到更大 发展。同时我们也应该看到，力学的发展也从其他学科分支中借用或引用了不少成果。例如现代航天技术中的高速高温气流往往伴有复杂的物理、化学 过
23、 程，不用物理、化学的知识是不行的。近代力学的多种实验手段是建立在近代光学、 电子学及计 算机等学科的基础上而不断发展的。8又如量子力学的发展，大大促 进了数学物理方法的发展，力学从中也受益不小。因此，力学工作者也应密切注视其他学科的发展，从中吸取新思想、新理论及新方法。力学发展的历史充分说明：力学同物理学、数学等学科一样，是一门基础科学，它所阐明的规律带有普遍的性质；力学又是一门技术科学，它是 许多工程技 术的理论基础，又在广泛的应用过程中不断得到发展。力学既是基 础科学又是技术科学 这种二重性使力学家感到自豪，他们为沟通人类认识自然和改造自然两个方面作出了贡献。1.2 我国力学研究的状况中
24、国的力学家在近代力学的发展中曾经作出过卓越的 贡献，作为应用力学学派的代表人物，钱学森对空气动力学的发 展起了重要作用，推 动了航空、航天技术的发展，他给出了亚声速流动的卡门-钱学森近似，对高速飞行体的表面加热机制提供了流体力学分析，他还提出飞机薄壳结构非线性屈曲失稳的理论，他在火箭与航天 领域提出了若干重要概念，如提出并实现了火箭助推起飞装置，提出了火箭旅客 飞机、核火箭、喷气式航天飞机等概念的设想。郭永怀和钱学森合作在跨声速流动问题中提出了判断激波是否出现的上临界马赫数的概念。郭永怀又将边界层方法同变形坐标法结合起来形成有名的 PLK 方法，发展了奇异摄动理论。周培源坚持研究湍流理论这个基
25、础难题达半个世纪之久，奠定了国际上称为“湍流模式理论”的基础，也被誉为“ 现代湍流数值计算的奠基性工作”。钱伟长提出板壳统一内禀理论，并提出了求解薄板大挠度问题的摄动解法。 这里也应提到华裔科学家的 贡献。林家 翘发展了流体运动稳定性理论，提出湍流相似谱的普遍理 论，并且 创立星系螺旋 结构的密度波理论，促进了星系动力学的发展。冯元桢开创了生物力学，在肌肉的力学性 质、微循环理论和肺结构稳定性分析等方面都做了开创性工作，为当前生物医学工程的出 现作出卓越 贡献。建国后不久，我国在中国科学院数学所建立了力学研究室，在北京大学建立了数学力学系。1956 年成立中国科学院力学研究所，在我国的科学技术
26、发 展十二年远景规划中力学被正式列为一级学科，不久又创建了中国力学学会，并相继在高等学校中，设立了数学力学或工程力学系。在多数工业部门成立了以力学研究 为主的研究所或研究室。最初展开研究的分支学科为弹性力学、塑性力学、流体力学和一般力学。力学研究所的成立和全国科技发展规划的制订标志着学科建设的一个重要时期，那 时相继开展了振动及流固耦合振 动、地震工程力学、空气动力学、激波管技术、物理力学、化学流体力学、水 动力学、 电磁流体和等离子体动力学等分支学科的研究，建立了相应的研究室（ 组），并着手建 设实验室。同一时期，传统的结构力学与水力学、泥沙动力学得到新的发 展，并在中国科学院和一些工业部门
27、成立了岩土力学、渗流力学等研究机构。60 年代，又创立了爆炸力学。从此我国的力学学科有了比较完备的学科体系，而且具有我国的特色，特别是物理力学、化学流体力学、爆炸力学在国际上也是最早或较早的开展研究的学科。那时，力学研究的重点主要围绕航天技术、抗震工程、爆炸与抗爆工程、土建与水利建设，并取得一批重要的应用性研究成果。我 们在国内自行研制的 计算机的基础上发展了计算力学。理论工作的成就主要有钱学森的工程控制论、周培源 领导 的湍流、 钱伟长领导的板壳大变形摄动法和胡海昌的广义变分原理。本世 纪 60 年代至 70 年代初，国内、国外的学术交流几乎处于完全停顿状态。国外早已形成的断裂力学直到 19
28、76 年力学学会大力提倡之前，只有极少人熟悉。70 年代初，经国外学者引导，我国学者才着手研究星系的结构和其他有关宇宙气体力学的问题、孤立波理论和生物力学，并重新开始探讨本来我国科学家就有重要 贡献的奇异摄动法，逐步打破了闭关自守的局面。1978 年全国力学规划是我国力学学科建设的又一个重要的里程碑。力学再次被确认是一级学科，它既是一门基础科学又是一 门应用极广的技术科学，是许多工程技术与一些其他自9然科学的基础。除过去已提出的分支学科外，一些新的重要的分支被列入规划，其中包括断裂力学、理性力学、流变学、生物力学、计算力学、实验力学、地球构造动力学、地球流体力学等。全国力学规划提出 14 个重
29、点课题，其中第 1 和第 2 个就是材料的 强度理论和湍流理论。 应当说这样的安排代表了当时的先进的思想，后来的 实践充分 说明它是十分有远见的，符合当代力学发展的总趋势。规划也充分注意到了既要重 视基础研究也要重 视广泛的应用研究，提出了宏、细、微观相结合的发展道路。这个规划历时一年，动员了几乎全国所有的力量。从此我国力学学科门类相当齐全，赶上了世界发展的格局。一些新的分支学科得到迅速 发展，国际交流增加了，我国新一代的学者走上国 际舞台。我国在泥沙运动方面的工作是先进的，在计算空气动力学，计算结构力学，实验空气动力学，断裂力学，爆炸力学等研究的某些方面是有特色的。我国在材料力学性质，断裂与
30、 损伤研究方面有了 较好的开端，在力学与天文，地学，生物结合方面都有所前进 ，此外力学也 进入了一些新的工作 应用领域，如海洋工程， 环境工程，应堆工程。从那时以来，力学界的国内外学术交流变得很活跃，在国际学术机构占有一席之地，在取得上述成就的同时，应该指出，虽然在个别点上，我们的工作不亚于甚至超过国外，但是就总体及影响的深远程度来说，与国 际先进水平的差距还不小，对此需要有充分的认识。同样是一级学科，力学得到的重视不如其他的一 级学科。 这些年来，物质投入不足，新生力量匮乏，严重约束了力学的发展，造成力量 难于集中、高水平成果 较少，学科间的交流不畅，这些严重阻碍力学发展的因素应当引起重视。
31、1.3 力学发展的趋势和重要方向从前面对力学发展过程的回顾可以清楚地看到，力学是随着人类认识自然现象和解决工程技术问题的需要而发展起来的；力学又的确对认识自然和解决工程技术问题起着极为重要甚至是关键的作用。当前，人类面临一系列重大问题需要解决，其中有些问题对于我国说来更显紧迫，诸如：粮食不足，水、土资源短缺，生态环境破坏严重，能源短缺、利用效率低，交通运输紧张，气象和地震等自然灾害的预报及防治等， 继续不断提出新的力学 问题，有 赖于力学的新发展去解决。在许多重要高技术领域与国 际先进水平差距日益增大，同样需要力学界作出努力。我国人均耕地面积较小，水源不足，水土流失 严重，工业发展不注意生态环
32、境的保护，这方面存在众多力学问题要求解决。影响 农作物的生长的一个关 键因素是体液的输送， 阐明水自根到叶而糖份从叶到全身的输运机制，及各部分在生 长 各阶段对液体的需要， 对内因和外因各参数进行优化和调节，可以达到消耗最少而收 获最多的目的。需要把植物和它生长的环境，即土壤、空气和阳光看作一个系统， 统一研究这一系统的质量和能量的转换和传输，有助于改善区域种植的管理和发展。要加 强对水源、土壤和空气中污染物质输运及对污染源控制的规律的研究。要研究植物在一般和特殊环境下的强度。如果我们能作好以上几项研究，可以设想在不久的将来我们将会有一个更为经济、健康的 绿色 产业(包括绿色农业和绿色工业)和
33、生态环境，既提供我们足够的 农产品，也 为我们创造一个卫 生和优美的生存环境。解决能源危机的根本途径是寻求和开发干净的再生能源，并应千方百计地降低能耗，包括可控热核反应、太阳能、地热、生物质能、 风能、潮汐能等。在煤的清洁燃烧和利用，可控热核反应作为未来能源的工业化等主要领域里，力学特 别是流体力学可以大有作 为。开 发太阳能和地热的一个关键是提高集热、隔 热材料性能和循环系统 的传热、 传质性能，研究生物发酵，气化中的反应、扩散及气化过 程是加速实现开发生物质能的中心 课题，建筑行 业中需要高效的保温材料和传热系统，其中也存在 诸多力学问题。近年来，复合材料(包括陶瓷、聚合物和金属 )、纳米
34、材料、功能材料等新型工程材料不断被开发出来。材料的合成和制备 或材料的变形、破坏、寿命等性能涉及众多的宏 观与细观的力学10过程及其与热学，甚至还与电 学过程相结合的研究课题， 这 里需要力学界提出创新的概念，以最终达到设计新型优质材料并且提出新的加工制造方案。交通运输是阻碍我国经济高速发展的一大“瓶颈”， 为在短期内赶上发达国家的水平，急需研制和建设大型超声速客机、高速列 车、新型船 舰及水面效 应飞行器、高速公路、大型 桥梁和隧道等。这些大型工程中存在一系列流体力学、固体力学及流固耦合的 问题，需要新构思和新途径，提出科学和优化的设计 和制作方案。我国地域辽阔，每年自然灾害 频发， 为了改
35、进天气预报，了解地震发生机制，掌握泥沙和风沙迁移、土壤侵蚀以及泥石流和滑坡等的 规律，需要 针对 气象与地学特点，推动力学与大气和海洋科学以及与地学的进一步结合，构筑新的模型和理论。力学与高技术的发展始终紧密相连，过去力学研究在发展以两弹为代表的尖端技术中发挥了极其重要的作用。当前，在发展高性能飞机、高能束流武器、动能武器、微重力科学技术、微型机械、超声速燃烧技术、空间垃圾的防治等，力学仍要发挥举足轻重的作用。随着科学与社会的飞速进步，各国政府均把提高人民健康和生活质量提到前所未有的高度，在执行这一光荣的历史使命中，发展生物力学具有重要的意 义。一方面这关系到前面谈到的兴建绿色产业和创造卫生而
36、优美的生存环境；另一方面，可以直接服务于生物医学工程， 为人类健康做出贡献。力学是一门基础学科，在学科的发展中提出了一系列具有根本性和共性的问题。这些问题的研究和解决不只是为了解决当前局部的工程技术问题，而是为了更全面彻底地解决众多工程技术和自然科学中的根本问题，而且必将 为推动科学技 术全面发展创造条件。众所周知，最突出和最普遍的两大基础难题是湍流机制以及固体的本构关系和破坏机制。绝大多数的流动取湍流的形态，目前计算这类问题都带有经验的成分，方法带有局限性和盲目性而缺乏预测能力，因为 湍流直接关系到航空、航天、水运、天气预报、海流 预报、化学反应器、水利、环境以至天体和宇宙中的流动等等众多领
37、域，湍流研究的任何进展都有全局意义，都会在广阔范围内得到好处。近年来 围绕实验中发现的相干 结构展开了理论研究，直接数 值模拟也有很大的进展。确定性 问题中混沌现象的发现和研究 给人们带来新的启迪，有可能从探讨时空混沌的演化的角度推动湍流研究的进展。固体材料的实际强度和目前的理论强度相差一至二个数量 级。这个矛盾曾推动位错、裂纹等重要物理、力学理论的建立，然而至今这个根本矛盾依然存在。需要应用宏、细观相结合的方法研究变形局部化、损伤乃至断裂的演化机制，进一步的 问题是如何将不同性能和功能的材料配置在一起，形成多种物理和力学性能和功能的优化 组合，促成材料 设计科学的形成与发展。同时，研究材料加
38、工工艺过程中的力学机理，逐步达到运用计算机精密控制材料制备和构件精细加工制作的目的。一般力学中的重要基础问题是非线性动力系统理论，它是目前方兴未艾的非线性科学的重要组成部分，在分析运动稳 定性、分岔、非线性振动、混沌等方面对整个力学的发展以及其他很多学科的发展产生影响，也会推 动复杂的运动机械系 统、控制系 统及机器人技术等的进步。学科的交叉与渗透对科学和技术的推动起巨大的作用，如物理力学说明极端条件下的材料性质及新材料设计原则；等离子体力学指导托卡马克及说明天体现象；爆炸力学除了揭示材料和结构的动态变形和破坏规律，一个新方向是研究松散或多孔介 质的动态变形破坏和流动耦合的运动规律。展望 21
39、 世 纪， 这种学科的交叉必将进 一步加强。这里特别要强调注意发展三个交叉领域，它们是力学与生命科学的交叉、力学与地学的交叉以及物理力学，我们认为这三个方面将在 21 世纪有重要发展和重大影响。力学与地学结合的研究重点是：地球动力学，中心问题有：板块运动的驱动力来源，地11幔对流理论，地震机制；环境与灾害力学，包括 污染物的运移、气象灾害、地质灾害的发生机制和预报；土岩的变形、流动和破坏规律。力学与生命科学结合的研究热点是，应力与细胞生长规律、微循环的规律、植物体液的输运规律等。力学与物理学的结合要重点研究极端条件下材料的性 质，固体非平衡/不可逆热力学理论，以及从细观层次(原子键、位错、空位
40、等) 的动力学出发解释材料的塑性和断裂行为。今天，人们已经充分地认识到力学问题的解决必须通过实验、分析、数值模拟三位一体的研究途径，需要巧妙设计的实验 ，需要精 细的测量手段，需要充分利用计算机来控制实验及测量以及进行数据处理、演算和数 值模拟，而 贯彻始终的则是 进行去粗取精、去伪存真的理论分析工作。应该提倡利用计算机 进行经济和有效的模拟实验 ，研究和开 发结构的优化和控制程序，以及进行反问题的探索。要注意不失时机地针对几类大型力学 问题及其物理本质，发展各类数学模型(包括离散模型)，研究相 应配套的并行算法及并行 计算机，这将大大提高计算的能力和效率。因而，计算力学和实验力学作为分支学科
41、的出现和发展也正反映了上述需要，实际上它们也已经与力学中其他各个分支学科紧密地融合在一起而成为其不可分割的重要组成部分。2 力学学科发展现状与趋势力学学科有许多分支学科，国 际上并无统一的分法。在我国大学的力学或工程力学系中，通常都设一般力学、固体力学和流体力学三个专业，它 们是按研究 对象划分的。一般力学研究的对象是质点系、刚体及离散系统 ，固体力学和流体力学分 别研究有固体 变形和流体流动的力学问题。除了以上三门力学分支以外，在一些学校、许多科研机构里，在我国历次学科规划中以及在国外，还有理性力学、岩土力学、地球动力学、空气 动力学、高速气体 动力学、稀薄气体力学、水动力学、弹性力学、塑性
42、力学、 结构力学、板壳力学、爆炸力学、物理力学、化学流体力学、生物力学、地震工程力学、电磁流体力学、等离子体 动力学、宇宙气体力学、微重力流体力学、计算力学、实验力学等分支学科。在这份报告里为叙述方便，我们将力学归纳为一般力学、固体力学、流体力学以及力学中的交叉学科四类分支学科，考虑到理性力学研究力学中带有共性的基础问题，我们把它放在一般力学 门类中；而最后一 类突出了力学与其他学科交叉的特点，虽然这并不表示前三分支与其他学科就没有交叉。 计 算力学和实验力学的发展是和以上四类分支学科的发展紧密融合在一起的，其内容将分别结 合以上四类分支学科进行讨论。下面就按这四类分支学科讨论当代力学的发展趋
43、势.2.1 一般力学本节讨论一般力学和理性力学两部分的内容，它们都是力学中具有基 础性质的分支学科.2.1.1 一般力学一般力学是力学学科的一个分支。一般力学研究牛顿力学的一般原理和宏观离散系统的力学现象，国际上往往将一般力学的内容概括 为“动力学、振动与控制”。随着科技的发展，研究范围从离散系统动力学扩展到陀螺力学、振 动理论、运动稳定性理论、控制理论、机器人动力学等等；近年来又扩展到复杂系统的动力学、振 动与控制及非 线性系统的分岔、混沌、突变和孤立子等。不少连续介质 力学问题可以经过离散化而 变成有限自由度系统的问题来求解，因而一般力学中的原则和方法也往往适用于连续介质力学。它的研究对象
44、可分为三个层次：12）有限自由度系统的动力学、振动与控制；）复杂多体系统，即包含多刚体、多柔体、充液腔体的多体系统耦合的动力学、振 动与控制；）复杂大系统，即包含有光机电计算机控制与信息智能控制以至包含生物体的大系统的动力学、振动与控制。这是对自然对象（如天体、生物体），以及对工程对象（如机械、航天航空飞行器、船舰、车辆、机器人等）的运动规律的抽象，其特点是多学科的交叉和各分系 统间的强耦合和强非线性，其动力学行 为十分复杂.一般力学是一门基础性学科，同时又具有很强的、直接的自然科学和工程技 术应用的背景，在近代科技发展中占有重要的地位.(1) 发展现状与趋势回顾历史，可以说近代力学和近代科学
45、技术的奠基性学科发展是从一般力学开始的。一般力学发源于天体运动的研究， 17 世纪牛顿力学建立，其后拉格朗日(J.L. Lagrange)，哈密顿(W.R. Hamilton)等人建立的分析力学达到比较完美的境界，对物理学、数学的 发展都起到过巨大的推动作用，它的理论和方法是物理学以及力学中其他学科分支发展的基础。自 产业革命以来，在工业技术的发展中，一般力学也曾大显身手，至今也还是工业技术和工程设计的基础之一.一般来说，学科发展有两个动力。一是由于学科自身发展规律的推动。例如现代数学的发展和计算手段的完善，推动了混沌等 现象及其规律的发现 。一个新的 发现，往往可以开辟一个崭新的领域。二是由
46、于工程实际 和科学技术发展需求的牵 引。高新科技 产业和各种大型工程建设中对一般力学提出了越来越多的迫切的需要。例如航天器的高精度要求，高速列车的平顺性和稳定性，高速旋转机械 轴系的稳定性等等。可以 说，近代一般力学正面临着一个蓬勃发展的新时期，呈现出旺盛的生命力。近代科学的发展是多学科的交叉和融合。现代数学的成就为一般力学的发展提供了强有力的手段；电子计算机的飞速发展使一般力学获得极为丰富的新成果；人工智能理论的发展为一般力学提供许多新的方法；当代物理学， 测试技术和通信科学 为一般力学提供了更为精细的实验手段。一般力学作为基础学科，它的成就往往可对其他学科产生重要、深远的影响。例如，运动稳
47、定性理论是一般力学的重要分支，是 100 年前由李雅普 诺夫(A.M.Lyapunov) 的工作所奠基的，其后由于航天、航空、武器系统、控制理 论发展的推动， 获得了极大的发展，现今其触角已深入到工程技术、自然科学以至社会、经济、生态、管理 诸多领域，它的理 论和方法，可说已成为耗散结构论、协同论、突变论等横断学科发展的基础.一般力学（动力学、振动及控制）包含着丰富的研究内容，在基础研究方面，重要的研究领域有：非线性动力学，复杂多体系 统动力学，振 动理论，控制理论，运动稳定性理论，随机振动，以及近代分析力学等；在面向工程实际，适 应经济建设发展的需求方面，则以振动问题最为突出，包括复杂系统的
48、模态分析和 实验，碰撞、冲击与噪声，振动的优化与控制，以及振 动分析的各种反问题等。当然一般力学研究的重要课题远不止此，上述列举仅是为了叙述方便，还有许多很有意义的领域，例如陀螺力学、机器人学、飞行力学等，不一一列举。下面分六个方面较详细地论述一般力学国内外发展现状与趋势。 1）非线性动力学2）运动稳定性3）柔性多体系统动力学134）随机振动5）近代分析力学6）对以振动为主的生产实践中迫切课题的应用研究1) 非线性动力学非线性动力学研究非线性力学系统各种运动状态的定量和定性 规律，尤其是运动模式和演化行为。目前，非线性动力学已从经典的以摄动法和渐近分析的方法为基础的弱非线性、弱耦合系统的研究阶
49、段，进入到近代的更深入地研究系 统的复 杂行为的阶段。 对有限维系统来说，研究的中心问题是分岔和混沌。分岔是指非线性系统的定性行为随着参数变化而发生 质变的现象。分岔研究不仅能揭示系统不同状态之间的联系和转化，而且是研究失 稳和混沌 产生的机理和条件的重要途径之一。近年来国内外学者进行了大量的研究，提出了多种研究分岔的理 论和方法，如奇异性方法、庞加莱-伯克霍夫(Poincare-Birkhoff)范式方法、 幂级数法、摄动法、次谐梅利尼科夫(Melnikov)函数法、后继函数法和 Shilnikov 法等。由于非线性问题的复杂性，理论分析有很大难度，因此数值计算和模拟 手段对分岔研究有重要意义 。当前 值得关注的课题有：多自由度系统分岔问题、高阶退化系统 的高余维分岔问题、 对称性破缺分岔、随机系统的分岔、非自洽系统和高余维退化系统的范式理论等。混沌是本世纪提出的重要的科学概念之一。确定性非线性动力学系统中对初值极为敏感的，貌似随机的运动称为混沌。它不同于无序、紊乱或噪声，具有某种自相似结构。它起源于非线性相互作用，因而普遍地存在着。对混沌的认识使人们对非线性动力学系统的长期演化行为的研究，进入到一个前所未知的世界，把 经典力学体系的 动力学推进到一个新的阶段，并大大地丰富了确定性、随机性和统计规律性及其相互关系的研
