我们现在处于一个大力提倡创新的时代。乍一看,创新似乎是同忆旧相矛盾的,其实科学技术进步的历史恰恰正是一部创新史,所以回顾科学发展史可以给当今的创新提供许多重要的启示。

1997年,为了迎接世纪之交,国际理论与应用力学联合会(IUTAM)执行局提议邀请该联合会当时的大会委员会成员及卸任的历届主席各自提名20世纪发表的力学学科发展的里程碑式的文章。经过提名与讨论,最后选择了24篇文章,连同推荐人的评论一起由该联合会结集发表。时任该联合会执行局成员的王仁先生认识到这个文献的重要性,他组织北大的一些同事翻译,在《力学进展》第31卷第2期(2001年5月)刊登(图1)。

在被遴选出来的20世纪力学发展里程碑式的24篇文章中,流体力学和固体力学各占了近一半。最近我重温了这个文献,感觉到虽然最后被遴选出来的文章也难免受到一些争议,但它们仍具有相当好的代表性。

同我本人的研究领域相关,我集中读了2篇关于塑性力学和2篇关于冲击动力学的文章的推荐人评论。关注的重点不在于有没有遗漏别的重要文章,而是着重思考已入选的这几篇文章是否的确为相应学科的发展竖立了里程碑。

通过学习与思考,我领悟到,这些由20世纪力学大师遴选出来的里程碑式的文章所看重的不是作者本身的名气与地位,也不是当今流行的引用率或发表它的刊物的影响因子,他们提名和遴选时看重的是该文章对特定的力学研究领域所带来重大的、创新性的思想跳跃。

(1)塑性力学文章1——《扩展的连续介质极限设计定理》(图2)

二战结束后直至1950年代,塑性理论经历了一个灿烂复兴的时期。当时的代表人物,除了聚集于美国Brown大学的Prager W, Drucker DC, Lee EH和Hodge PG等人外,对这一波塑性力学复兴具有重大贡献的还有英国剑桥的Hill R 以及前苏联的Ильюшин 等人,真可说是群星灿烂,硕果累累。这篇发表于1951年的论文构建出了塑性理论的完整的新框架,代表了这个灿烂时期的一个顶峰。

学习过塑性力学的人们都知道,对金属和其他许多材料的塑性行为的描述,现在都基于Drucker公设,它能直接导出屈服面的外凸性,以及塑性应变增量矢量与屈服面的正交性这些关于塑性行为的基本特性,对这个公设的讨论也引申出材料稳定性的概念。同时,Prager等人在著作中总结了塑性增量本构关系的普遍表达式。在上述工作的基础上,图2 显示的这篇文章清晰地表述了极限分析原理,也就是将极限分析应用于静力学和动力学的普遍定理。因此,这篇论文不但对塑性力学本身有重大的理论贡献,也为机械和土木结构中的塑性设计方法奠定了坚实的基础,工程应用极为广泛。

(2)塑性力学文章2——《弹黏塑性应变硬化材料的本构方程》(图3)

发表于1975年的这篇文献代表了塑性力学在概念上的一个创新性的突破,即放弃过去沿用了大半个世纪的屈服面来重新构建塑性理论。这个概念上的突破,对于描述蠕变、松弛等与时间相关的粘塑性行为十分便利和有效,也为高强度合金等新材料在不同温度和不同应变率下的力学行为提供了强大的表述和分析的工具。

以Bodner-Parton理论为先导,一系列无屈服面的塑性理论相继问世,包括考虑材料晶体和微观结构的各种本构理论,在1970——1980年代为塑性力学带来了新的繁荣。

除了描述蠕变、松弛等与时间相关的黏塑性行为以外,人们发现黏塑性本构方程也非常适合用来研究循环加载时的能量损耗和弛豫行为,以及与应变率相关的材料动态力学行为;后者为我们搭建了塑性力学与冲击动力学之间的桥梁。

近年来,由于越来越多的研究涉及到橡胶、凝胶等软材料,以至各种生物材料的力学行为,因而对弹黏塑性材料的本构表述的需求更加殷切、研究益发深入,这样就更突显出图3这篇文章在历史发展中的创新地位。

(3)冲击动力学文章1——《一种测量由高爆炸药或子弹撞击所产生压力的方法》(图4)

在没有应变片和示波器,也没有高速摄影、光学测量系统和计算机的时代,如何测量子弹撞击或高爆炸药产生的压力脉冲,是一个非常困难的问题。为解决这个难题,1914年Bertram Hopkinson (1874——1918) (图5)设计了图6所示的装置(后来被称为Hopkinson压杆),提出了一个极为创新的方法：采用一根圆柱形长杆,让撞击或爆炸产生的压力波沿它传播;然后由飞片带走一部分动量,该动量恰等于应力波在飞片厚度上传播一个来回所需时间内载荷的冲量;飞片的速度由一个弹道摆测出;利用不同厚度的飞片进行试验,就可以得出撞击或爆炸产生的压力随时间变化的脉冲形状和幅值。

发表于1914年的这篇文章提出的新概念是超前于它的时代的,它实实在在地为材料冲击动力学这个分支学科在整个20世纪的迅猛发展奠定了基石。这是因为,它展示的不仅是一个构思极为巧妙的崭新的试验方法,而且是一种跳出传统力学框框的、捕捉和分析爆炸或撞击产生的压力脉冲的全新思维。

第一次世界大战爆发后,身为剑桥大学教授的Bertram Hopkinson全力投入了与国防有关的研究课题,如内燃机、火焰、子弹对钢板的穿透等。后来,他本人还投笔从戎,在皇家空军从上尉当到上校,直至1918年8月因飞机失事而不幸殉职。

Hopkinson提出的新概念对最近100年的冲击动力学研究产生了深远的影响。图4显示的论文开启了许多研究领域,它令科学界认识到：要理解动态载荷(如压力脉冲),就必须了解应力波的传播;动态试验的原理同准静态试验有根本性的区别,发展动态实验技术要同应力波传播理论结合起来。于是,应力波理论和动态实验技术实现了比翼双飞。

试验表明,材料的动态性质同准静态性质可能有很大不同。第二次世界大战对兵器科技的需求,刺激了对材料动态性能试验新方法的探索。从Hopkinson的创新概念和压杆设计出发,Davies与Kolsky等人在1940年代末期发展出分离式Hopkinson压杆技术(the split Hopkinson pressure bar, SHPB),如图7所示。经过多年来的不断改进,现在SHPB 技术已经发展得十分成熟,成为中高应变率($10^{2}\sim 10^{4}$ s$^{-1}$)范围内材料动态试验的标准方法。

(4)冲击动力学文章2——《在横向冲击下梁的大塑性变形》

由于实际工程材料力学行为的复杂性,在固体和结构力学中要想建立控制方程并获得解析结果,必须首先对实际工程材料的复杂应力应变关系做出大幅度的简化。当固体或结构在强大外载作用下发生塑性大变形时,最好的近似是采用刚塑性的理想化模型。忽略弹性变形不但剔除了弹性参数、因而减少了系统的参数总数,而且使得结构的塑性变形机构大大简化,例如平板的弯曲变形可以用若干刚性块绕着塑性铰线发生转动的简单机构来近似代替。

刚塑性理想化造就了一门新的子学科：极限分析,它使得工程师能极其方便地预估许多静不定结构的极限承载能力,不但比完全的弹性分析简单,而且能够揭示结构在出现初始塑性变形后还具备多少继续承载的潜力。在很多情况下,这样的极限设计方法比仅考虑弹性承载能力再乘以安全系数的设计要更合理。

当结构物受到强动载荷(例如撞击或爆炸波)的作用时,采用刚塑性模型,结构的动力响应过程主要就体现为塑性铰的萌生、移动和演化。1952年发表的这篇文章(图8),在世界上首次研究了刚塑性梁在强动载荷下的动力响应。该文假定一根自由梁(即端部无约束的梁)在中点受到三角形脉冲载荷,按照达朗贝尔原理建立了考虑惯性力的运动方程;通过求解,确定了何时何处会产生塑性铰;尤为重要的是,发现了载荷幅值变动的时候,塑性铰也会沿着梁长的方向发生移动,这就启发了在结构动力学问题中后来广泛采用的含有移行铰的变形机构。

这篇文章是Drucker D推荐给IUTAM的。他在推荐词中说：里程碑式的文章应该在一个重要的领域带来巨大的、创新性的思想跳跃,在它之后尽管有许多后续工作,但几十年后它仍值得一读。他又说：``Lee-Symonds的文章采用简单的刚塑性理想化模型给出了具有一个移动塑性铰的梁的基本动力学特征,它为将梁和其他一般结构的分析扩展到弹塑性和时间相关材料提供了合适的基础。''

回顾过去60多年这个力学子领域的发展,可以毫无疑问地说,正是图8显示的这篇文章(连同后来1955年Parkes分析悬臂梁动力响应的文章)开创了结构冲击动力学这个分支学科,带动了许多思想鲜活的、成果斐然的研究工作。

这篇文章的两位作者当时都在美国Brown大学工作。Lee EH教授(图9)是著名力学家Timoshenko教授指导的博士,后来他又是王仁先生的博士导师。算起来他是我的师爷了。文章的另一位作者Symonds PS教授一生都奉献给结构冲击动力学,贡献极大。1983年底我从剑桥转去Brown大学,动力就是渴望追随他学习。我们的合作有一个成功结晶,那就是首次揭示了梁的反常动力响应及其机制。回顾我的许多后继工作,其实都离不开1952年发表的这篇开山之作的基本概念和基本方法。

(1) 一个学科发展的节点(或者叫里程碑),是以新概念、新方法的提出为标志的。例如,新概念、新方法的提出常常开辟了一个新的研究方向,直接导致了一些新理论的诞生和新分支学科的创立。

(2) 现今我们对科研成果的评价标准往往是违背科学发展规律的。例如,只要能发表在高影响因子的刊物上,就被认为是了不起的工作,其实有不少这类的工作仅仅是用数值模拟(或辅以实验)展示了某种材料或结构的比较特殊的力学行为,既没有提出新概念,也没有提出新方法,这样的工作的长久影响力往往是很有限的。

(3) 学习力学史中的经典文献具有十分重要的意义,因为可以从中感悟到力学发展历史上的大师们是如何形成新概念和导出新方法的。这种感悟可以帮助我们告别(或至少远离)快餐式的研究,那只是借助互联网搜寻点新名词、新文献,然后来个囫囵吞枣或照猫画虎。

(4) 温故而知新。应该大力提倡概念的创新,理论的创新,方法的创新。