實(shí)驗(yàn)力學(xué)專(zhuān)題序

何 巍 * 謝惠民

*(湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

?(清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084)

實(shí)驗(yàn)力學(xué)是在認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象和解決工程實(shí)際問(wèn)題的需求牽引下發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，新材料與新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，且其制造和服役環(huán)境日趨極端，實(shí)驗(yàn)力學(xué)面臨新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。《力學(xué)與實(shí)踐》為聚焦實(shí)驗(yàn)力學(xué)最新研究成果，組織出版“實(shí)驗(yàn)力學(xué)”專(zhuān)題，包括2 篇邀請(qǐng)綜述論文和9 篇研究論文。本專(zhuān)題旨在聚焦應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等關(guān)鍵參量的測(cè)量新方法，及在航空航天、生態(tài)環(huán)境、生物醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用中的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，主要內(nèi)容簡(jiǎn)要介紹如下。

應(yīng)力、應(yīng)變是固體力學(xué)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)參量，其精確測(cè)量是實(shí)驗(yàn)力學(xué)的核心任務(wù)之一。增量數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation, DIC）是一種基于參考圖像更新的非接觸式全場(chǎng)變形測(cè)量方法，常用于大變形、環(huán)境光變化劇烈、散斑退相關(guān)等非常規(guī)場(chǎng)景。針對(duì)增量DIC 方法中難以避免的誤差累積難題，北京航空航天大學(xué)潘兵等研究了不同增量策略在不同場(chǎng)景下的誤差累積規(guī)律[1]，提出了協(xié)同使用條件增量計(jì)算策略、自適應(yīng)參考圖像子區(qū)平移策略和圖像高斯低通預(yù)濾波的誤差抑制方法，實(shí)現(xiàn)了更為精確的增量DIC 分析?；谕该鞑牧系膽?yīng)力應(yīng)變同步測(cè)量需求，東南大學(xué)邵新星等結(jié)合數(shù)字梯度敏感（digital gradient sensing, DGS）和DIC 方法，通過(guò)3CCD 相機(jī)對(duì)熒光散斑的紅藍(lán)光分離，實(shí)現(xiàn)了表面應(yīng)力梯度場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)的同步測(cè)量[2]。該方法的提出可為重要透明材料的斷裂與破壞機(jī)理研究、質(zhì)量檢測(cè)等提供有力支撐。

溫度是一個(gè)十分重要的熱力學(xué)參量，其精確測(cè)量在國(guó)防、航空航天、材料與能源等重大戰(zhàn)略領(lǐng)域中起重要作用。北京理工大學(xué)劉戰(zhàn)偉等綜述了基于光學(xué)原理的非接觸式二維/三維溫度場(chǎng)測(cè)量方法的現(xiàn)狀，主要包括基于折射率變化的測(cè)溫法、輻射測(cè)溫法以及激光光譜診斷測(cè)溫法。闡述了多種溫度場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)，并指出其未來(lái)將朝著高分辨率、高精度、三維可視化、實(shí)時(shí)測(cè)量等方向發(fā)展。基于溫度場(chǎng)的缺陷無(wú)損檢測(cè)也是溫度測(cè)量的重要應(yīng)用方向。脈沖熱成像技術(shù)是一種新興的有潛力的紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，但仍面臨表面加熱不均勻及表面發(fā)射率低導(dǎo)致的紅外圖像對(duì)比度低、噪聲大等挑戰(zhàn)[3]。寧波大學(xué)吳丹等提出了比溫度的圖像后處理方法[4]，即對(duì)溫度序列圖像的每一幀圖像與前一幀圖像進(jìn)行作商的后處理操作，以進(jìn)行缺陷識(shí)別和定量檢測(cè)。該方法顯著提高了圖像信噪比，降低了缺陷尺寸定量誤差，具有操作簡(jiǎn)便、效率高、效果好的優(yōu)勢(shì)。

在航空航天領(lǐng)域，針對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)中“傳統(tǒng)的單軸振動(dòng)試驗(yàn)與多軸振動(dòng)試驗(yàn)在振動(dòng)效應(yīng)的差異未有明確結(jié)論，且我國(guó)尚未建立衛(wèi)星產(chǎn)品多軸振動(dòng)試驗(yàn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，多軸振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的推廣面臨瓶頸”這一問(wèn)題，中國(guó)空間技術(shù)研究院劉沫等選取衛(wèi)星陀螺模擬件[5]，在相同試驗(yàn)頻段下開(kāi)展單/多軸隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，明確了典型衛(wèi)星產(chǎn)品單/多軸和不同條件下多軸隨機(jī)振動(dòng)的振動(dòng)效應(yīng)差異，有望助力我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立。

在生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，通過(guò)植物根系固土實(shí)現(xiàn)生態(tài)護(hù)坡已成為邊坡治理的主要方式之一。其中，根–土界面拉拔行為研究是揭示根系固土機(jī)理的關(guān)鍵之一。中山大學(xué)戴北冰等同時(shí)從根系表皮形態(tài)和根的拉伸力學(xué)行為出發(fā)，以力學(xué)性能差異較大的小葉榕和大葉傘根系為研究對(duì)象，通過(guò)考慮不同的植物根系、根徑和法向載荷，開(kāi)展了單根拉伸和根土復(fù)合體的拉拔試驗(yàn)[6]，明晰了表皮形態(tài)差異和單根拉伸力學(xué)行為特征對(duì)根–土拉拔摩擦特性的影響規(guī)律和機(jī)理，為生態(tài)護(hù)坡實(shí)踐提供了有效支撐。另一方面，氫燃料電池可以減少空氣污染和溫室氣體排放，是新能源的重要發(fā)展方向之一。作為核心零部件的雙極板，其對(duì)材料的力學(xué)性能和腐蝕性能要求苛刻，但目前對(duì)哈氏合金作為雙極板材料的服役性能仍不清晰。佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院趙春旺等針對(duì)典型哈氏合金Hastelloy X 和Hastelloy C-276 開(kāi)展了模擬服役過(guò)程的拉伸性能和耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)研究[7]，得出了Hastelloy C-276 是具有重要應(yīng)用潛力的氫燃料電池雙極板材料的有益結(jié)論。

在巖土工程領(lǐng)域，溶洞探測(cè)是確保樁基施工安全，避免地面坍塌等安全隱患的重要手段。華南理工大學(xué)周立成等提出了一種基于雙向長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多層巖土環(huán)境溶洞三維定量智能識(shí)別方法[8]。采用有限元方法對(duì)多層巖土環(huán)境下的大量溶洞工況進(jìn)行建模，從而構(gòu)建不同溶洞工況下的響應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了3 m 容差范圍內(nèi)，98%的高識(shí)別準(zhǔn)確率，在探測(cè)效率、經(jīng)濟(jì)/時(shí)間成本和智能化方面取得了顯著改進(jìn)。此外，隨著采礦活動(dòng)向地球深部進(jìn)軍，高應(yīng)力下的巖體開(kāi)挖穩(wěn)定性已成為工程建設(shè)中的重要問(wèn)題。鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院王曉睿等對(duì)飽水砂巖開(kāi)展了三軸壓縮試驗(yàn)和軸向位移不變的卸圍壓試驗(yàn)，通過(guò)考慮應(yīng)力路徑及加載速率，以及應(yīng)力應(yīng)變特征、強(qiáng)度特征、能量演化特征分析，解決了傳統(tǒng)卸荷試驗(yàn)中規(guī)律不統(tǒng)一的問(wèn)題，明晰了卸圍壓試驗(yàn)中環(huán)向變形是破壞的主要原因[9]。

在生物醫(yī)療領(lǐng)域，天津大學(xué)王世斌等圍繞人體皮膚的摩擦行為，從解剖結(jié)構(gòu)、理論模型、實(shí)驗(yàn)手段、數(shù)值仿真以及影響因素等多個(gè)方面綜述了國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展[10]，重點(diǎn)介紹了評(píng)估皮膚摩擦行為的實(shí)驗(yàn)方法，并給出了目前研究中存在的關(guān)鍵問(wèn)題、挑戰(zhàn)以及未來(lái)發(fā)展方向，對(duì)病理學(xué)評(píng)估、機(jī)器觸覺(jué)感知等研究具有重要參考價(jià)值。

在微納米技術(shù)領(lǐng)域，電子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）技術(shù)不僅能表征材料微觀組織，還能定性分析彈塑性應(yīng)變，是研究不同服役環(huán)境下晶體微觀組織與應(yīng)變場(chǎng)演化之間內(nèi)在聯(lián)系的重要手段。清華大學(xué)劉飛等介紹了EBSD 技術(shù)的基本原理、常用制樣方法及其主要功能，闡述了基于EBSD 的高溫疲勞裂紋擴(kuò)展行為、應(yīng)變場(chǎng)演化、高分辨DIC 等前沿研究方向，強(qiáng)調(diào)了從定性應(yīng)變分析走向定量化分析的發(fā)展趨勢(shì)[11]，為經(jīng)典材料學(xué)表征技術(shù)EBSD 在實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的拓展應(yīng)用指明了方向和所面臨的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

從上述文章介紹可以看出，實(shí)驗(yàn)力學(xué)所涉及領(lǐng)域眾多，其方法、技術(shù)不斷創(chuàng)新演進(jìn)；然而許多重要的研究方向在本專(zhuān)題未能涵蓋，例如高低溫、多場(chǎng)耦合、動(dòng)態(tài)等極端條件下的力學(xué)測(cè)試方法、技術(shù)及應(yīng)用。在新時(shí)代下，實(shí)驗(yàn)力學(xué)有望迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，成為服務(wù)國(guó)家重大需求的重要切入點(diǎn)。