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力学学科《学科发展与优先领域战略研究报告》

【摘要】:力学是自然科学和技术科学的先导学科之一。牛顿力学作为第一门精密的科学,启动了近代自然科学的发展。19世纪初建立的弹性力学和流体力学,使描述连续介质的力学部分从物理学中脱颖而出。20世纪初应用力学、相对论力学和量子力学的兴起,使力学与物理分家。前者以应用力学为代表,着重探求由大量物质组成的复杂系统的运动规律的宏观体现:后者以量子力学为代表,着重探求微观世界的运动规律。力学既是七大基础学科之一,又是应用科学和工程技术的基础。力学的这种双重属性得到国际科技界的认同。20世纪在力学理论支撑下取得的工程技术成就不胜枚举。在解决新的工程技术问题及向其他学科渗透中,力学丰富了本身。我国从两弹一星到深潜弹道导弹核潜艇的研制,从长江大桥到三峡工程的建设,无不凝聚着力学工作者的贡献。力学对中国现代科学发展所负有的特殊使命,造就了以钱学森、周培源、钱伟长、郭永怀为代表的一批杰出的力学家。中国在国际力学界处于较先进地位。对SCI源库中43种力学期刊的国际联机检索统计表明:1990~1998年间中国力学学科的世界排名为第7名左右,1999年升为第6名:而中国总的SCI收录论文数仅为世界第12名。中国力学家王仁当选为国际理论与应用力学联合会执行局的8名成员之一。力学学报英文版现为进入SCI光盘版源刊系列的14份中国学术刊物之一。我国学者周培源、钱学森、钱伟长、郭永怀、胡海昌等,在湍流理论、空气动力学、板壳理论、喷气推进、航空工程、工程控制论、物理力学、广义变分原理等方面,以及李四光在地质力学、冯康在有限元法和辛算法方面所做的开创性贡献,赢得了世界力学界的尊重。我国力学学者王仁、程耿东被四年一度的IUTAM大会邀请作1小时大会专题报告,表明我国在地球动力学和拓扑优化领域具有重要国际影响。原子弹、氢弹的爆炸成功及其小型化技术的掌握,中远程导弹的发射升空及洲际导弹技术的掌握,表明我国在爆炸力学、空气动力学的研究具有世界先进水平。我国在泥沙运动和泥沙力学方面的研究具有特色,在板块运动和地球构造动力学等方面具有国际水平。海外的中国力学学者已成为一支举足轻重的力量,目前国际力学界40岁以下最出色的学术带头人多来源于中国大陆。我国力学研究的优势领域为:(1)在湍流、流动稳定性、复杂流动等流体力学领域,在本构、断裂、宏微观力学、计算结构力学与优化设计、光测实验力学等固体力学领域,在运动稳定性、非线性振动、结构振动与控制等一般力学领域,在爆炸力学、微重力等交叉学科领域,保持着一支活跃在国际学术研究前沿的研究队伍。(2)在板壳理论、广义变分原理等要求数学很强的力学分支取得多项开创性成果。(3)由我国特定条件和资源而决定的力学研究优势领域。目前,中国力学学会会员总数在2万人左右,从事与力学有关研究的两院院士有56名。从事力学基础性研究的固定人员队伍约2000~3000人,国家每年应对力学学科的基础性研究支持经费1.5亿元。力学研究队伍的年龄结构呈现分别以36岁和58岁为高峰的两个正态分布,在约50岁为断层分界线。断层的消失还需近10年时间。21世纪初期,力学体系将孕育着重大变革。学科发展前沿为:跨物质层次和多尺度的力学理论;非线性与远离热力学平衡的力学行为:全系统虚拟化与智能化的力学设计;多场耦合下的学科交叉。在重大力学应用和重大力学问题解决上将有重大进展。虚拟工程、虚拟设计、虚拟制造等手段将使力学以更大的深度和广度介入到工程领域的总体技术。对超高速、超高压、超高温和微重力等极端条件下的力学行为的新认识,将为远离热力学平衡态过程提供新的认识。对湍流、固体的强度与破坏、高维多体动力学等基本力学难题将取得革命性的进展。在空间应用、微机电产业、新材料研制、工程结构可靠性、工厂化农业、人体健康、深海开发、环境灾害预防等方面将对力学提出新的国家需求。中国国防更需要力学的发展:载人航天和战机的发展依赖于实验和全机计算空气动力学;在现代战争中的“制信息权”依赖于星座动力学和自主导航;精确打击能力和突防能力依赖于流体力学和一般力学相交叉的运载控制;核武器的小型化和虚拟实验依赖于多物质的计算力学模拟:战略潜艇的隐蔽性依赖于减噪、减紊流的力学控制。力学与自然科学其他分支将出现新的交叉。今后近15年中国力学学科的发展方向为:(1)湍流和复杂流动:(2)跨物质层次的固体变形和强度理论;(3)高维动力系统的复杂运动和控制;(4)应力与生长的关系及应用;(5)传统连续介质力学体系的改造;(6)计算力学和虚拟仿真:(7)制造技术的关键力学问题;(8)国家安全的关键力学问题;(9)灾害预测的关键力学问题。“十五”期间的优先领域为:湍流运动的各种表现和机理:非定常流与旋涡运动的机理与控制;跨物质层次的固体变形和强度理论;多场、多相、非均匀、非连续介质的力学行为;生物组织的应力与生长:环境与生态以及灾害中的关键力学问题:高维非线性系统的复杂动力学与控制;多物质相互作用的动力学演化:计算非线性力学;制造技术的关键力学问题。如果增加对力学的投入,打破制约为学在我国发展的部门壁垒状况,从政策上推动我国力学工作者积极地介入到工程领域的知识创新中去,则力学的研究水平可望在五至十年内

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