實驗力學專題序

何 巍 * 謝惠民

*(湖南大學機械與運載工程學院，長沙 410082)

?(清華大學航天航空學院，北京 100084)

實驗力學是在認識自然現象和解決工程實際問題的需求牽引下發展起來的一門學科。在科學技術飛速發展的今天，新材料與新結構不斷涌現，且其制造和服役環境日趨極端，實驗力學面臨新的問題和挑戰?！读W與實踐》為聚焦實驗力學最新研究成果，組織出版“實驗力學”專題，包括2 篇邀請綜述論文和9 篇研究論文。本專題旨在聚焦應力、應變、溫度等關鍵參量的測量新方法，及在航空航天、生態環境、生物醫療等領域應用中的關鍵科學與技術問題，主要內容簡要介紹如下。

應力、應變是固體力學中的關鍵基礎參量，其精確測量是實驗力學的核心任務之一。增量數字圖像相關（digital image correlation, DIC）是一種基于參考圖像更新的非接觸式全場變形測量方法，常用于大變形、環境光變化劇烈、散斑退相關等非常規場景。針對增量DIC 方法中難以避免的誤差累積難題，北京航空航天大學潘兵等研究了不同增量策略在不同場景下的誤差累積規律[1]，提出了協同使用條件增量計算策略、自適應參考圖像子區平移策略和圖像高斯低通預濾波的誤差抑制方法，實現了更為精確的增量DIC 分析?；谕该鞑牧系膽兺綔y量需求，東南大學邵新星等結合數字梯度敏感（digital gradient sensing, DGS）和DIC 方法，通過3CCD 相機對熒光散斑的紅藍光分離，實現了表面應力梯度場與應變場的同步測量[2]。該方法的提出可為重要透明材料的斷裂與破壞機理研究、質量檢測等提供有力支撐。

溫度是一個十分重要的熱力學參量，其精確測量在國防、航空航天、材料與能源等重大戰略領域中起重要作用。北京理工大學劉戰偉等綜述了基于光學原理的非接觸式二維/三維溫度場測量方法的現狀，主要包括基于折射率變化的測溫法、輻射測溫法以及激光光譜診斷測溫法。闡述了多種溫度場檢測技術的原理、優缺點及應用特點，并指出其未來將朝著高分辨率、高精度、三維可視化、實時測量等方向發展?；跍囟葓龅娜毕轃o損檢測也是溫度測量的重要應用方向。脈沖熱成像技術是一種新興的有潛力的紅外無損檢測技術，但仍面臨表面加熱不均勻及表面發射率低導致的紅外圖像對比度低、噪聲大等挑戰[3]。寧波大學吳丹等提出了比溫度的圖像后處理方法[4]，即對溫度序列圖像的每一幀圖像與前一幀圖像進行作商的后處理操作，以進行缺陷識別和定量檢測。該方法顯著提高了圖像信噪比，降低了缺陷尺寸定量誤差，具有操作簡便、效率高、效果好的優勢。

在航空航天領域，針對衛星產品振動試驗中“傳統的單軸振動試驗與多軸振動試驗在振動效應的差異未有明確結論，且我國尚未建立衛星產品多軸振動試驗的行業標準，多軸振動試驗技術的推廣面臨瓶頸”這一問題，中國空間技術研究院劉沫等選取衛星陀螺模擬件[5]，在相同試驗頻段下開展單/多軸隨機振動試驗，明確了典型衛星產品單/多軸和不同條件下多軸隨機振動的振動效應差異，有望助力我國相關標準的建立。

在生態環境保護領域，通過植物根系固土實現生態護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理的關鍵之一。中山大學戴北冰等同時從根系表皮形態和根的拉伸力學行為出發，以力學性能差異較大的小葉榕和大葉傘根系為研究對象，通過考慮不同的植物根系、根徑和法向載荷，開展了單根拉伸和根土復合體的拉拔試驗[6]，明晰了表皮形態差異和單根拉伸力學行為特征對根–土拉拔摩擦特性的影響規律和機理，為生態護坡實踐提供了有效支撐。另一方面，氫燃料電池可以減少空氣污染和溫室氣體排放，是新能源的重要發展方向之一。作為核心零部件的雙極板，其對材料的力學性能和腐蝕性能要求苛刻，但目前對哈氏合金作為雙極板材料的服役性能仍不清晰。佛山科學技術學院趙春旺等針對典型哈氏合金Hastelloy X 和Hastelloy C-276 開展了模擬服役過程的拉伸性能和耐腐蝕性能實驗研究[7]，得出了Hastelloy C-276 是具有重要應用潛力的氫燃料電池雙極板材料的有益結論。

在巖土工程領域，溶洞探測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。華南理工大學周立成等提出了一種基于雙向長短期記憶神經網絡的多層巖土環境溶洞三維定量智能識別方法[8]。采用有限元方法對多層巖土環境下的大量溶洞工況進行建模，從而構建不同溶洞工況下的響應數據庫，實現了3 m 容差范圍內，98%的高識別準確率，在探測效率、經濟/時間成本和智能化方面取得了顯著改進。此外，隨著采礦活動向地球深部進軍，高應力下的巖體開挖穩定性已成為工程建設中的重要問題。鄭州鐵路職業技術學院王曉睿等對飽水砂巖開展了三軸壓縮試驗和軸向位移不變的卸圍壓試驗，通過考慮應力路徑及加載速率，以及應力應變特征、強度特征、能量演化特征分析，解決了傳統卸荷試驗中規律不統一的問題，明晰了卸圍壓試驗中環向變形是破壞的主要原因[9]。

在生物醫療領域，天津大學王世斌等圍繞人體皮膚的摩擦行為，從解剖結構、理論模型、實驗手段、數值仿真以及影響因素等多個方面綜述了國內外研究進展[10]，重點介紹了評估皮膚摩擦行為的實驗方法，并給出了目前研究中存在的關鍵問題、挑戰以及未來發展方向，對病理學評估、機器觸覺感知等研究具有重要參考價值。

在微納米技術領域，電子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）技術不僅能表征材料微觀組織，還能定性分析彈塑性應變，是研究不同服役環境下晶體微觀組織與應變場演化之間內在聯系的重要手段。清華大學劉飛等介紹了EBSD 技術的基本原理、常用制樣方法及其主要功能，闡述了基于EBSD 的高溫疲勞裂紋擴展行為、應變場演化、高分辨DIC 等前沿研究方向，強調了從定性應變分析走向定量化分析的發展趨勢[11]，為經典材料學表征技術EBSD 在實驗力學中的拓展應用指明了方向和所面臨的關鍵科學問題。

從上述文章介紹可以看出，實驗力學所涉及領域眾多，其方法、技術不斷創新演進；然而許多重要的研究方向在本專題未能涵蓋，例如高低溫、多場耦合、動態等極端條件下的力學測試方法、技術及應用。在新時代下，實驗力學有望迎來新的發展機遇，成為服務國家重大需求的重要切入點。