十三五「力學學科優先發展領域

數

理

科

學

本號前幾期介紹了」十三五「數學學科建議優先發展的領域、「十三五」數學學科發展目標和可能取得突破的領域、「十三五」天文學學科優先發展領域。

本期，小編精選了國家自然科學基金委員會數學物理科學部編，數理科學「十三五」規劃戰略研究報告中的力學學科優先發展領域呈現給讀者。

在對力學學科特點、國際發展態勢和國內發展趨勢分析的基礎上，根據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020 年）》提出的 2020 年我國科學技術發展的總體目標和未來中國科學技術發展的總體部署，結合力學學科適應國家經濟、社會中長期發展的重大需求，綜合考慮力學學科未來 5 年的總體發展戰略布局和發展目標、交叉學科發展布局與重點發展方向，提出如下力學學科優先發展領域。

動力學與控制學科

1

高維 / 非光滑系統的非線性動力學

自然界和工程系統往往體現出複雜性，其狀態空間一般是高維甚至是無限維的，並經常含有非線性和非光滑因素、快變和慢變耦合響應、子系統之間動態耦合的時滯、能量傳遞以及需要辨識的物理參數。這類問題的動力學研究難度比低維非線性動力學問題要大許多，已成為非線性動力學理論走嚮應用的瓶頸。因此，迫切需要發展包含這些複雜因素的非線性動力學理論和方法，這也是目前世界範圍內動力學與控制學科的重要基礎問題，是最具挑戰的前沿研究領域。

主要研究內容包括： 1.高維多場耦合非線性動力學全局動態行為的分析方法和計算方法。2.非線性時滯系統的時滯辨識方法和時滯效應。 3.非光滑因素的表徵以及分析誘發的運動或動態行為的解析方法。4.快變和慢變子結構耦合的動力學行為的分析方法。5.非線性動力學實驗技術研究。 神經系統動力學行為的描述和分析方法。

2

非線性耦合系統的隨機動力學與控制

隨機動力學研究所涵蓋的對象日益複雜，包括各種非高斯、非平穩以及非馬爾可夫雜訊激勵的研究，各種形式的非線性因素，力 / 電 / 磁 / 熱 / 聲等的多場耦合。因此，需要深入研究上述諸多因素對動力學行為的影響機制。

主要研究內容包括： 1.非高斯、非平穩以及非馬爾可夫雜訊激勵下，隨機穩定性、隨機分岔、可靠性和隨機控制的關鍵科學問題。2.機械、土木、航空、航天與海洋等工程中存在的各種隨機不確定激勵的定量表徵與建模。 3.隨機激勵下力 / 電 / 磁 / 熱 / 聲等耦合系統的動力學及控制。4.隨機激勵下具有碰撞、摩擦和單邊約束等的非光滑系統。5.隨機動力學及其控制的實驗研究。

3

複雜多體系統動力學建模、分析和實驗

多體系統動力學研究面向各類工程對象，要求結合學科發展現狀和我國重大工程裝備發展需求，不斷凝練具有共性的動力學問題，發展新的動力學建模和計算分析技術，為工程學科的發展提供重要的理論支撐並發揮引領作用。

主要研究內容包括：1.多體系統動力學多尺度層次化建模理論、高效計算方法及實驗研究。2.非光滑激發的尺度效應分析及模型表徵。3. 剛 - 柔 -液 - 熱耦合系統動力學分析與控制。4.針對航天、航空、海洋和車輛等工程中的複雜系統，以及生物力學、仿生機器人和運動醫學等新興領域中的多體動力學共性問題，提出新概念、新理論和新演算法。5.多體系統動力學與控制理論、人工智慧和信息感測等一體化集成研究。

4

約束系統動力學的分析與計算

現代分析力學的發展與約束系統的研究相輔相成。約束系統的建模、分析與計算是動力學與控制學科的熱點問題，而分析力學是研究約束系統最有力的工具，因此需要深入開展利用分析力學方法研究約束系統的動力學與控制問題。

主要研究內容： 1.構造約束系統的伯克霍夫表示，實現非保守約束系統的自伴隨化。2.用度量 - 辛雙幾何結構實現約束系統在萊布尼茲流形上的建模與分析。3.基於流形和纖維叢上的動量映射理論，研究約束系統的對稱性約化問題。4.基於幾何力學方法，研究非完整系統的非線性控制和約束系統的運動規劃與控制問題。5.構造非完整系統的纖維叢結構，研究非完整約束系統的幾何力學與保結構演算法。

固體力學學科

1

新型材料的本構理論與實驗方法

新型結構材料、功能材料、軟物質、先進能源材料和環境友好材料不斷湧現。例如，未來軟機器領域的水凝膠、離子凝膠、介電彈性體和形狀記憶聚合物等為代表的高分子材料，可控核聚變反應堆、磁懸浮等大型電磁裝置等領域的新型電磁材料，航空航天結構智能控制、大型結構健康監 / 檢測等眾多領域的感應器件與致動器件所涉及的壓電、鐵電、多鐵、撓曲電、形狀記憶合金、超磁致伸縮材料，超高溫、超高速、超高壓和超低溫等極端條件下的特殊材料等。這些新型固態介質的本構關係涉及多場耦合、多過程耦合、多尺度和大變形等問題，對相關結構設計、功能設計、失效分析和可靠性評價至關重要。

主要研究內容包括：1.水凝膠、離子凝膠、介電高分子和電化學儲能材料的力 - 電 - 化學耦合大變形本構理論。2. 力、熱、光、電、磁和溶劑場下形狀記憶高分子的本構理論。3.新型電磁材料的多場耦合本構理論。4.高溫多孔材料的力 - 化學耦合本構理論。5. 極端條件下材料的多尺度多場耦合本構理論。5. 新型材料相關的實驗方法、技術與儀器。

2

超常服役條件下固體力學行為與強度理論

隨著現代科技的快速發展，拓展服役條件的需求愈發強烈，對材料和結構的要求也越來越高，許多新技術和創新思想的實現受限於材料技術的突破，超常環境下材料服役行為的研究成為熱點。這些典型的超常服役條件包括超高 /低溫、熱衝擊、高熱流、強輻照、極高真空、超高壓、強磁場、強化學環境、高過載和高應變速率等及其組合，對已有的固體力學理論和方法產生了極大的挑戰，需要弄清超常服役條件與材料耦合作用機制，充分認識材料性能的演化規律和關鍵控制要素，科學表徵和評價所關注的使用性能，才能從納觀到宏觀層次，弄清和逐漸優化材料組分及界面效應，為設計和研發高性能、高效能新材料奠定基礎。

主要研究內容包括：1. 基於等效原理、可實現超常環境要素耦合和解耦的模擬理論與方法。2.苛刻條件下環境與材料響應的在線信息監測方法與技術。3.材料力學性能演化規律與失效機理。4.與環境參量相關的材料本構關係和宏細觀強度理論。5.材料服役行為的多尺度、多物理場耦合模擬方法。6. 面向特殊需求的特種材料優化方法。

3

柔性結構與器件力學

自然界各式各樣的柔性結構與器件具有智能、靈活和高效等特點，如心臟跳動，眼睛對目標的快速、精確捕捉，鳥兒靈活自如地飛翔、急停和轉彎，動物的變色偽裝等。軟機器是未來的重要發展方向之一，在許多領域具有廣闊的應用前景，如柔性智能飛行器、潮汐發電裝置、關節健康恢復、智能偽裝和智能柔性照相裝備等。柔性結構與器件的設計、製備與控制，涉及材料的多場大變形本構理論、功能 - 材料 - 結構一體化設計原理及結構多場響應與振動控制等問題，對固體力學的理論、方法和分析手段等提出了新挑戰。

主要研究內容包括：1. 新型柔性智能與結構材料的製備及性能表徵。2. 柔性結構與器件的力、熱、電和化學多場多過程的連續介質力學框架、耦合響應與振動控制。3.柔性結構與器件的多場多過程耦合的大變形高效演算法與穩定性理論。4. 柔性結構與器件的性能評價、可靠性分析及壽命預測理論與方法。5.新概念軟機器的功能 - 材料 - 結構一體化設計原理。

4

非均勻結構材料的彈性波調控

通過被動或主動的方式調節非均勻複合材料（如聲子晶體、聲波 / 彈性波超材料）的內部幾何拓撲結構和組分材料的物性，對彈性波傳播進行控制，從而實現某些特有的聲學功能，甚至一些反常功能，如負折射、聚焦、成像、隱身、定向傳播、單向傳播、隔振降噪、濾波、延遲和隧穿等。上述這些問題的研究將涉及非線性波動理論、多場耦合介質波動理論、動態均勻化理論、微納米波動力學理論、散體介質波動理論和多目標優化設計方法等。

主要研究內容包括：1.壓電、鐵磁、光敏和形狀記憶（合金或聚合物）等多功能材料的多物理場耦合作用機理，及電、磁、光和熱對波（包括體波、表面波、Lamb 波等模態）傳播的主動調控方法。2.軟物質、顆粒介質等的非線性大變形與失穩機制、力控幾何拓撲結構理論及波傳播的主動調控方法。3. 非線性波傳播的調控理論與方法。4.彈性波與光波的相互作用機理、聲波和光波的相互調控方法、及聲光器件的設計原理。5.特定聲學功能的拓撲結構優化演算法及功能 - 材料 - 結構多目標的一體化優化設計。6. 非均勻複合材料中波傳播的全場可視化實驗技術。7. 新型聲學功能器件的設計原理。

5

輕質材料 / 結構力學和多功能輕量化優化

結構輕量化既是飛行器設計所追求的永恆主題，同時也是實現節能減排、降耗增效的一項關鍵技術。隨著複合材料、點陣材料和多孔材料等先進材料的發展，結構輕量化設計已經在航空航天、交通運載和海洋船舶等行業中獲得了越來越多的應用。輕質材料與結構設計一般需考慮多場耦合服役環境下兼顧傳力、傳熱、透波和隔振等多功能需求，同時其力學響應和破壞行為亦對微結構形式隨機微觀缺陷異常敏感，由此導致結構效率與可靠性之間的矛盾十分突出。因此，迫切需要發展輕質材料 / 結構力學以及輕量化設計的基本理論與方法。

主要研究內容包括：1.輕質材料內部微結構信息的無損全場觀測與典型微結構統計特徵的定量化表徵方法。2.輕質材料基本組元原位性能的精細化測試技術及失效機理分析。3.基於多尺度漸進損傷分析和實驗驗證的輕質材料虛擬實驗技術。4.面向多功能的（如傳力、傳熱、透波和抗衝擊等）輕質材料等效性質預測及輕質結構響應的高效數值分析方法。5. 面向多功能的多尺度、多目標輕質材料 - 結構協同優化設計的理論與方法。6. 考慮多源不確定性的多功能輕質材料 / 結構優化設計。

6

複雜結構的動態響應與可靠性評估方法

實際工程最為關注工程結構或裝備在真實服役條件下的響應和可靠性問題，而這些真實服役環境主要是動態的組合載荷條件，結構複雜性也極大地提高。基於傳統的靜載荷附加安全係數的設計方法，或基於簡化模型的結構動力學分析方法，難以滿足複雜動態載荷下複雜結構的設計需求，也難以給出準確的壽命預報。同時實際存在的大量不確定性因素給分析、設計和評價工作帶來巨大挑戰，如何科學地表徵各種不確定性因素，如何將定量化表徵後的不確定性引入到可靠性評價中，也對現有理論和方法提出了挑戰。

主要研究內容包括：1. 複雜載荷條件下複雜結構的動力學建模方法和載荷譜辨識。2.力 / 熱 / 振動 / 寬頻雜訊載荷耦合作用下複雜結構的動響應分析方法。3.隨機性和不確定性的定量化分析與數學描述方法。4. 結構響應影響因素的靈敏度與影響機制研究。5.複雜動載荷作用下材料與典型結構單元級的失效機理與壽命預報方法。6. 關鍵響應參量的測試和表徵方法。7. 基於可靠性分析的評價和優化方法。

7

大規模多尺度 / 多場耦合力學問題的數值模擬

當前固體力學領域眾多的前沿問題在本質上都具有鮮明的多重尺度特徵，同時大型複雜結構與裝備在服役狀態下的變形、損傷和破壞行為也與多尺度、多場耦合過程密切關聯。多場耦合條件下涉及多重物質形態、多重時空尺度的數值模擬，多尺度非勻質材料與結構的優化設計，時空多尺度條件下考慮多源不確定性及其傳播的複雜系統可靠性分析等仍是現代計算力學頗具挑戰性的問題，急需發展新的理論與高效演算法，這不僅有助於加深對多尺度、多場耦合力學行為本質規律的理解，而且還可以直接為我國重大需求提供先進的數字化工具。

主要研究內容有：1.多尺度、多場耦合、多物質形態混合及具有極端特徵（如超大、超柔、剛柔體並存、快慢時間尺度並存等）力學問題的理論建模、計算框架及數值分析方法。2.結構多尺度破壞行為分析的計算力學理論與方法。3.材料 - 結構的多尺度、多目標和多約束優化設計的理論與方法。4.時空多尺度以及多場耦合條件下考慮不確定性因素的計算力學理論與方法。5.與先進計算工具、計算平台和軟硬體架構相適應的可擴展的高效數值演算法。

8

複雜條件與極端環境下的力學測量方法、技術與設備

複雜條件與極端環境是目前基礎研究和工程應用中材料或結構常面對的狀態或所處的空間環境。材料在這些超常條件下的力學性能成為各領域關注的核心問題，使得人們意識到深刻理解這一情況下的材料力學性能，不僅是探索材料在複雜和極端環境中的響應及失效機理的基礎研究，也是關乎國家戰略安全與重大災害預防的迫切需求。因此，研究複雜條件和極端環境中可靠的力學性能檢測方法、技術和設備成為實驗固體力學在新時期的優先發展方向。

主要研究內容有：1.複雜環境與多場耦合下的在線測量方法。2. 超高溫與氧化環境下的跨尺度材料測量與表徵方法。3.微納米尺度材料與結構測量方法、技術與平台。4.服役結構的健康監測和診斷。5. 海洋工程、大型艦船，以及大型土木工程中的力學測試與監測。6. 生物環境、化學過程等作用下的材料、結構和器件的力學性能測量方法與分析等。

流體力學學科

1

可壓縮湍流的生成及演化機理

高超聲速技術已經成為 21 世紀航空航天領域的制高點，高速飛行器氣動特性預測的關鍵問題之一是可壓縮湍流的生成及演化機理，與飛行器性能的精確預測以及飛行安全和控制緊密相關。可壓縮湍流廣泛存在於超聲速和高超聲速飛行器的外流、內流和部件繞流中，發展新型高速飛行器必須開展與高超聲速飛行相關的可壓縮湍流、流動穩定性與轉捩機理研究。

主要研究內容包括：1. 充分認識超聲速 / 高超聲速條件下的湍流現象，研究湍流的影響因素和產生機理。2. 研究高超聲速流動轉捩機理、各種不穩定擾動模態的相互作用機理、轉捩位置的預測，建立和發展普適性更廣的湍流和轉捩模型，包括化學反應的燃燒模型，建立有效的轉捩預測方法。3. 建立基於湍流機理的流動控制方法，進行湍流抑制或增強，達到對流動分離和非定常現象進行控制的目的。4. 研究與高超聲速飛行器構型相關的流動穩定性特性，以及高溫引起的氣體物性變化對流動穩定性的影響，發展基於流動穩定性理論的轉捩預測方法。5. 開展可壓縮湍流模式的試驗驗證及數值模擬研究，準確預測高速飛行器的摩擦阻力和氣動熱環境。

2

非定常流動的機理及控制

非定常流所要研究的是流動特性隨時間變化的物理過程，運動學和動力學特性依賴於各種限制條件和流動的整個歷史過程，與工程問題密切相關。物體的非定常運動，經常伴隨著流動分離、剪切層和旋渦的產生、演化及相互作用，具有強的非線性特性，出現了一系列重要的流動現象，如動邊界及流固耦合、渦與邊界層的相互作用機理及演化、流體界面演化與失穩及激波和旋渦共存的複雜流動等。多種因素的相互影響和制約，以及流動控制技術的發展，為實施流動控制和改善流動特性提供了多種可能的方法和途徑。

主要研究內容包括：1.動邊界及流固耦合的非定常流動特性及其控制，包括運動固體或柔性體邊界、主動或被動變形的物體表面等。2. 複雜多介質間界面的演化與失穩，以及介觀三相接觸線與宏觀流動、界面運動間相互作用機理的高精度實驗、數值模擬和理論分析。3. 以激波、轉捩、湍流和旋渦分離流為主要特徵的複雜非定常流動，邊界層分離形成的剪切層不穩定性及其發展、尾流剪切層的相互誘導以及射流剪切層的混摻效應等。4.非定常流動的控制方法，通過外加能量形成非定常擾動進行控制，包括與邊界層 / 剪切層不穩定性匹配的擾動尺度與頻率的選取，可以進行優化或次優化的閉環主動流動控制。5.高機動條件下的非定常流動機理、氣動 / 運動的非線性耦合作用機理、氣動 / 飛行力學一體化分析與模擬理論。

3

複雜相間作用的多相流

自然界中很多現象都與多相流相關，多相流同樣也普遍存在於化工、能源、水利、石油、製造、航空航天、環境保護和生命科學等領域所涉及的問題中。多相流動具有現象與過程複雜、涉及面廣和交叉性強等特點。多相流問題歸根結底是相間作用問題，主要體現在離散相之間以及離散相與連續相之間的作用。

主要研究內容包括：1. 多相湍流場及穩定性，連續相脈動流動特性的確定，考慮複雜相間作用的湍流封閉模式的研究，離散相對於連續相的作用包括對湍流的抑制、增強和減阻以及稠密情況下的非牛頓效應等。2. 超聲速氣流與固相顆粒之間的動量、熱量傳遞特性，氣固兩相流流動特性參數敏感性和對撞的流動特性，典型材料超聲速氣、固反應中瞬態中間相時空分布和演化機理。3. 沙塵和污染物顆粒與大氣表面層高雷諾數壁湍流的相互作用影響規律和機理研究，污染物在大氣與水環境中的輸運、沉積與控制等。4. 受連續相流場特性制約的離散相動力學特性，離散相對連續相特性的影響以及離散相之間的相互作用。5.連續流體相作用於小於微米尺度的剛性離散相，連續流體相作用於常規尺度下的變形離散相，以及小於微米尺度的離散相間的相互作用。6. 相界面動力學的本質屬性，離散相之間的碰撞規律及其對連續相的影響，超常顆粒的動力學模型。

4

空化與強非線性自由表面流動

海洋內航行器的高速化是發展的必然趨勢，它已成為水動力學的前沿研究課題。與空中和陸上相比，提速最慢的是水中運載工具，主要受阻力太高的牽制，因此高速水動力學及其相關的科學問題受到高度關注。高速水動力學主要研究涉及多相流、湍流、相變、可壓縮性和非定常等物理機制的自然空泡和通氣超空泡以及強非線性自由表面效應。

主要研究內容包括：1.建立計及微觀群泡動力學特性的宏觀空化新模型，獲得空化流動內部流體介質的物理特徵、空泡形態特徵、流動結構、尾部流動特性以及作用在航行體上的流體動力特性。2.建立超空泡穩定性的分析方法和判據，發展超空泡流動研究的實驗技術和數值模擬方法，建立機動運動狀態下超空泡航行體的動力學模型。3. 建立考慮表面波與發射平台運動等複雜因素的航行體高速帶空泡出水過程的水動力學模型，發展流固耦合模型，把握複雜條件下航行體出水的流體動力特性、出水空泡潰滅和衝擊載荷的變化規律。4. 發展航行體高速入水衝擊和帶空泡航行的流體動力特性與姿態控制的實驗技術和精細數值模擬方法，突破入水衝擊載荷預示技術，建立航行體高速入水空泡演化模型和作用於航行體的水動力載荷模型，把握航行體高速入水非控段航行的水動力學特徵和運動姿態。5.建立破碎波、液艙晃蕩、甲板上浪和入水砰擊等強非線性自由表面水動力學機理及流固耦合分析方法。

5

非牛頓流體的流動與傳熱傳質

在自然界和工程技術界，存在著許多非牛頓流體，它們種類繁多，形態各異，也常被稱為複雜流體。同時，隨著現代科學技術的發展，如今某些原本被認為是牛頓流體的介質在精細觀測或特殊情況下也被發現存在非牛頓流體的特性。非牛頓流體的力學問題普遍存在於與國民經濟發展和日常生活密切相關的各個領域，不僅影響工業領域的生產過程、生產效率和產品質量，而且也影響生物醫學領域的器械研製、疾病診斷和治療。

主要發展方向和研究內容為：1. 非牛頓流體的流動穩定性研究，探討界面失穩、彈性湍流的物理機制以及泥石流和雪崩等重大自然災害的觸變性流體特徵，研究航天發動機中非牛頓凝膠推進劑霧化過程中的關鍵科學問題。2.非牛頓流體新型本構關係模型的研究，深化分數階微積分在黏彈性流體力學中的應用。3. 研究生理、病理以及臨床治療中的非牛頓流體力學問題，弄清非牛頓效應對生物流體的複雜流動和傳熱傳質的影響。4.研究納米非牛頓流體、智能流體的流動和傳熱傳質問題，以及微系統、3D 列印和聚合物材料加工過程中的非牛頓流體力學問題。5.非牛頓流體的浸潤、流動減阻和熱對流的研究，進一步加強非牛頓流體力學在能源領域的應用研究。

6

流場測量新技術和先進分析方法

湍流的實驗研究是驗證理論和數值模擬結果、揭示新物理現象的重要手段。從實驗研究發展現狀和趨勢來看，流場診斷新技術和先進分析方法是兩個重要的發展方向。流場診斷新技術的不斷創新，能實現非定常複雜流動測量、極端環境下流動實驗測量和多物理量耦合測量，而先進分析方法則針對實驗測量存在的特定問題進行數據處理和分析，以提高實驗測量的精度和可靠性。

主要研究內容包括：1. 高時空解析度三維非定常複雜流動速度場測量技術。2. 結合新型流場診斷技術，實現高超聲速、高溫高焓、超低溫環境下以及微小尺度下流動的實驗測量。3. 通過聲、光、電、核和磁等多方面技術手段，實現受力、速度、溫度、壓強和密度等流場多物理量的測量及耦合測量，全方位獲取流場的物理特性。4.針對實驗數據測量誤差、隨機雜訊和時空解析度等特有問題，結合流體力學理論分析和數值模擬，在提高實驗數據精度和可靠性上發展先進的分析方法，並形成有效的三維實驗數據的流場顯示、旋渦識別和模態分解等技術。5. 建設實驗標模湍流資料庫，搭建湍流資料庫交流平台。

生物力學學科

1

生理系統耦合及跨層次生物力學

在健康和醫學領域中的生物力學研究及應用始終是生物力學研究者關注的熱點之一。除了在傳統的心血管系統、肌骨系統等方面仍然有大量的研究在繼續進行外，近年來，呼吸系統、神經系統、感知系統、消化系統和生殖系統等各方面的生物力學研究與應用增長十分迅速。同時，綜合考慮多層次、多系統相互影響的多學科交叉研究，已經成為生物力學的重點。

主要研究內容包括： 1.骨關節類疾病、心腦血管疾病發生的生物力學機理及相關診斷和治療方法。2. 與生理、健康信息相關的生物力學檢測原理和技術，特別是運動負荷、跌倒、血壓和血流等信息的穿戴式測試技術。3. 基於生物力學建模的虛擬醫學、生理系統，康復工程、個體化醫療和手術規劃、導航的生物力學新概念、新方法和新技術。4.呼吸系統力學、肝膽及消化系統生物力學。5.生理與病理過程的細胞 - 分子生物力學與力生物學機理。6. 骨骼 - 肌肉與神經系統生物力學及其在運動創傷和康復中的應用。7. 物理因素職業病（減壓病等）對於心腦血管、骨肌系統和神經系統等的作用機理及其預防。

2

植介入體與宿主相互作用的生物力學與力生物學

醫用植介入體（如人工關節和血管支架）用於修復或替換病變或損傷的人體組織，在醫療器械戰略新興產業中占重要地位。然而 , 這些產品主要依賴進口，且存在如人工關節無菌性脫落、血管支架血栓與再狹窄等亟待解決的設計優化及應用問題。目前國內外有關植介入體與宿主組織相互作用的機理、數值模擬和模擬實驗技術還存在很大不足，難以有效支撐植介入體的優化設計和性能評價，已成為制約其臨床應用和進一步創新的瓶頸。

主要研究內容包括：1.骨植入體與宿主相互作用的生物力學實驗模擬與模擬，及細胞組織跨層次力生物學與生物力學。2. 血管植介入體與血管 / 血液相互作用的生物力學實驗模擬與多尺度模擬，及其誘導宿主血管重建的力生物學機制。3. 基於微環境仿生的植介入體與宿主組織細胞相互作用的力生物學實驗技術。4.3D 生物列印及個性化植介入體中的生物力學與力生物學。5. 仿生活性生物材料的生物力學與力生物學機制及其在植介入體中的應用。6.生物組織材料和器官的優化、修復與功能性之間的多尺度力學模型及微納機理。

力學交叉領域

1

自然環境流動與災害演化動力學

環境流體力學的研究對象主要是自然環境和災害問題。當今的環境和災害問題都是綜合性的，且涉及的範圍和層次，往往跨越若干時空尺度，產生顯著非線性作用和多尺度效應。同時，流動介質十分複雜，大多都是非均勻、非連續和多相多組分的自然介質，流動過程經常導致劇烈的物質、動量和能量輸運，並伴隨有各種物理、化學和生物子過程。這種顯著的複雜介質和多過程耦合特徵，也為流體力學的發展帶來新的科學挑戰。我國的環境流體力學研究，既要注重學科發展面臨的科學挑戰，又要緊密結合我國環境和災害防治的實際需求，更加註重機理研究、規律分析與防治措施的有機結合。

主要研究內容包括：1.自然流動的基本理論，包括自然界非牛頓流、多相流和顆粒物質流動的力學特性，大氣、水體和岩土體中的複雜流動機理，自然流動的非線性作用和多尺度效應，流動與物理、化學、生物過程的耦合機理。2. 西部乾旱環境，包括計及大氣邊界層高雷諾數效應的風沙流 / 沙塵暴形成和演化過程及其定量預測，沙漠化防治設施及其布局的優化設計和防治效果定量評估的方法，土壤侵蝕的力學機制及流域侵蝕的多尺度動力學模型等。3.重大水環境，包括河流、河口海岸泥沙、污染物輸運及其對生態環境的影響，湖泊 / 水庫水質污染及富營養化動力學模型。4. 城市大氣環境，包括大氣污染及擴散輸運過程，霧霾形成機理及治理措施，城市熱島效應等。5.重大環境災害，包括熱帶氣旋、風暴潮、山洪、泥石流的發生機理及預報模型和全球氣候變暖等。

2

強動載作用下材料與結構的力學行為

先進戰鬥部與防護結構的設計是強動載問題研究的重點，截至目前仍然是學科發展的主要牽引力。與此同時，強動載效應作為交通安全、空間碎片防護、高速加工與製造技術等領域的重要科學基礎，日益得到廣泛的重視。自然界中許多現象的核心動力學過程，都可以通過爆炸力學給予最基本的理解，並能夠得到新穎、定量的解釋。如「激光爆炸」「力學爆炸」等一切新的現象和概念，也為這一領域的研究開闢了新領地和新方向。強動載效應研究應集中突破極端條件下材料力學性能表徵、相變 / 失效 / 碎裂 / 災變等強非線性過程、多相 / 多場 / 多尺度耦合動力學數值模擬技術以及瞬態高解析度測試技術等關鍵科學和技術問題。

主要研究內容包括：1. 新型和先進材料體系的動態力學行為研究，其中重點關注非晶與高熵合金材料、複合材料、岩土、散體體系材料和生物材料等，構建相應的狀態方程、本構方程和失效準則。2. 新型超高能裝葯爆轟研究，重點關注多相非均質爆轟、驅動與拋灑機理、複雜多相混合、湍流燃燒以及反應產物與複雜結構的相互作用等問題。3.複雜侵徹動力學研究，重點關注超高速 / 大型侵徹體與岩土介質的相互作用機制、大侵徹深度下彈道穩定性與相關控制因素以及侵徹體的形狀與質量損耗演化及內部裝葯和器件的可靠性等。4. 結構的爆炸與衝擊響應研究，重點關注大型水壩等基礎設施，以及高速列車等代表性運載工具的安全性，突破結構的大型化、介質的複雜性、載荷與初變條件的不確定性以及尺度律等問題。5. 製造、加工中的爆炸力學問題研究，以高速、高壓、高效和高能加工技術為對象，重點關注加工過程的定量化和工藝參數優化，並發展新的加工原理。6.爆炸力學計算方法與實驗技術研究，研發大型爆炸力學工程計算軟體和滿足爆炸力學基本問題研究需要的科學軟體，同時發展更加極端和更加複雜的載入條件、更高時空解析度的多物理場綜合測試手段。

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材料設計與複雜流動的物理力學

物理力學以量子力學、統計力學、分子動力學、位錯動力學和連續介質力學等為代表性手段，開展跨尺度研究，建立介質宏觀力學特性與微觀結構演化之間的關聯。一方面可以彌補極端載入手段和精細觀察條件的不足，從理論上獲得極端條件下介質的宏觀力學性能；另一方面在材料設計、材料高壓狀態方程、表界面的基本物理特性、非平衡流動、複雜流體及高能束流與物質的相互作用等多個應用領域，對揭示非平衡現象、多場耦合機制、不同尺度結構與性能的關聯，具有獨特的優勢。

主要研究內容有：1. 以高強、高韌、輕質結構材料和滿足各種極端服役條件的先進材料為背景，開展材料跨尺度力學行為與材料設計研究，探討跨越不同尺度的描述方法及突變出現的規律。2. 表面 / 界面物理力學，重點關注多場耦合下「固-液」界面移動接觸線問題， 「固-固」界面納微米接觸、摩擦、潤滑、吸合和黏附等問題，「固 - 生物」界面的生物組織與固體材料表面接觸和黏附相互作用。3. 稀薄氣體動力學，重點關注近空間飛行環境預報與分子漲落特性、過渡稀薄氣體區域的求解等研究。4.微重力流體物理與空間生命科學，重點關注長期微重力環境下的流動、傳熱、燃燒及空間生命科學問題研究。5. 高能束流與物質的相互作用，重點關注強激光輻照下材料和結構中的能量耦合、瞬態熱傳導、熱應力與熱衝擊、相變與化學反應及失效行為等複雜多場耦合問題。6. 納微尺度流動與輸運規律、複雜流動與輸運現象中的電磁及化學反應耦合等。

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新型空天飛行器中的關鍵力學問題

空間成為繼陸、海、空之後人類新的活動疆域，深刻地改變著人類的生活方式和觀念。近空間（20～100km）在近10年里受到了國際上的廣泛關注，提出和發展了一系列打破傳統的新型飛行器概念和技術，有可能引發新的軍事、民用和技術上的革命。這些新型空天飛行器所面臨的服役環境更為苛刻，需要更為高效的氣動、控制、能源和動力技術，要求結構效率、耐久性和可靠性更高、抗極端能力更強。這給力學學科帶來了新的挑戰，主要體現在高超聲速空氣動力學與材料耦合響應機制、強臭氧 / 紫外輻射 / 高低溫 / 環境下材料性能演變機制、新型能源與推進技術、新型熱防護和熱結構概念、能源 / 結構 / 有效載荷一體化技術、大型複合材料結構氣動彈性與主動控制等一系列關鍵科學問題上，要求流體力學、固體力學、動力學與控制等深入融合，並與材料、工程熱物理等進一步交叉，才可能獲得創新的概念、方法或技術。

主要研究內容有：1.近空間高超聲速飛行和持久駐留服役環境與機體材料的耦合作用機制。2. 新概念機體 / 推進熱防護原理和方法。3. 新概念輕質結構與可變機構設計與實現方法。 4. 結構 / 能源 / 有效載荷一體化分析與設計方法。5. 結構健康監測、診斷與自修復方法。6.飛行器結構的氣動彈性分析與主動控制。7.剛柔組合體動力學分析與控制方法及新型飛行原理。

力學

本文摘編自國家自然科學基金委員會數學物理科學部編《國家自然科學基金數理科學「十三五」規劃戰略研究報告》（ 責編：侯俊琳 朱萍萍 郭學雯）第二篇第二章，內容有刪減。

國家自然科學基金數理科學「十三五」規劃戰略研究報告

國家自然科學基金委員會數學物理科學部 編

北京：科學出版社，2016.12

ISBN 978-7-03-051491-2

「十三五」時期是我國全面建成小康社會的關鍵時期和建設創新型國家的決定性階段，為科學謀劃科學基金的發展，國家自然科學基金委員會於 2014 年 5 月啟動了「十三五」規劃戰略研究工作，這對繁榮基礎研究，提升我國原始創新能力和服務創新驅動發展具有重要的戰略意義。按照國家自然科學基金委員會戰略研究工作方案的部署和要求，數學物理科學部進一步細化了數學物理科學「十三五」規劃戰略研究，開展了數學物理科學所含數學、力學、天文學和物理學四個學科的「十三五」規劃戰略研究工作。「十三五」規劃戰略研究內容包括：學科發展戰略、學科優先發展領域、數理科學內部學科交叉優先領域、與其他科學交叉優先領域、實現「十三五」發展戰略的政策措施等。

（本期編輯：安靜）

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