2002年季莫申科获奖感言约翰·w·哈钦森

机械师生涯:1956万博体育平台年至今

约翰·w·哈钦森

这对我来说是一个巨大的荣誉;我知道我不配。尽管如此，我还是很高兴接受这枚奖章。几周前，美国国家公共电台(NPR)记者丹尼尔·肖尔(Daniel Schor)当选为美国艺术与科学院院士，他在获奖感言中说，他从亨利·基辛格(Henry Kissinger)那里学会了如何对不应得的荣誉保持宽容。在基辛格获得诺贝尔和平奖后不久，国务院为他举行了一场招待会。一位老妇走近基辛格，抓住他的手，从心底感谢他拯救了世界。在一次沉重的停顿之后，基辛格回答道:“不用客气。”就我而言，我要感谢你们，因为除了表彰我对机械学做出的贡献之外，这个奖章也表彰了我多年来有幸与之交往的老师、同事和学生们的贡献。事实上，我一直觉得季莫申科奖章首先是对力学这一美妙领域的庆祝。我们有幸在一个基础数学和科学与工程应用相结合的领域工作。 In any given day it is not unusual for our thoughts to range from the highly theoretical to very practical. I’d like to use my twenty minutes before you tonight to give a few randomly selected, personal reminiscences about some of the subjects on which I have worked with asides on a few the people in our field that I have had the pleasure to know. Speaking of this, I must mention that, although I cannot claim to have known Timoshenko, I did have the pleasure of meeting him briefly very early in my career. I’m not sure how much longer our Timoshenko Medalists will be able to make this claim. I will also say that I pick up one of his books on the average about once a month.

对我来说，专业的力学一直是结构、断裂和材料。如果你回想一下1956年我刚上大学的时候，你会记得计算机刚刚开始被用来解决结构问题，断裂刚刚开始作为一门工程科学发展起来，从事材料研究的机械师一只手的手指就能数过来。万博体育平台事情发生了多大的变化啊!我们这些50多岁的人都处于这场革命的中心，大部分时间都没有意识到革命正在进行。我不会特别强调计算机在力学中的作用，尽管这就像忽视瓷器店里的公牛一样。计算机不仅改变了我们的领域，而且改变了大多数工程和科学领域。我们可以感到自豪的是，是我们的力学同事在开发一些最强大的工程问题数值方法方面走在了前面。近年来，铁木申科奖章被授予了一些有限元方法的先驱。我一直是计算机的用户，但不是数值方法的开发人员，所以我很高兴把它留给未来的同事告诉我们更多关于计算方面正在进行的发展。

当我被要求说出我一生中对固体力学最杰出的个人贡献时，我倾向于说那是华纳·科伊特1945年在阿姆斯特丹发表的博士论文《论弹性平衡的稳定性》。本文发展了弹性屈曲和后屈曲行为理论，以及初始几何缺陷对屈曲的影响，并将该理论应用于柱、板和壳。但这还不是全部，Koiter随后对壳的大部分开创性贡献，无论是线性的还是非线性的，都始于他的论文，并且许多方面已经在那里得到了很好的发展。我感到自豪的是，伯尼·布迪安斯基和我是最早发现科伊特理论的人之一，那是在1963年。顺便提一下，论文工作是在战争期间在被占领的荷兰进行的。科伊特后来告诉我，他的大部分工作都是在一个壁橱里，在烛光下完成的——他可能有些夸张。论文是用荷兰语发表的。布迪安斯基和我依靠我们的天体物理学同事马克斯·克鲁克，他懂南非荷兰语，因此也会一点荷兰语，为我们提供了关键章节的翻译。几年后，在Koiter的方法得到广泛认可后，我天真地问Koiter，为什么他从未发表过关于稳定性的研究。他从长长的鼻子下面看了看我，告诉我那篇文章已经发表了! In Dutch, as his thesis! Shell buckling was one of the hot areas in the 60’s, motivated by rockets and other aerospace structures. The perplexing aspect everyone was trying to come to terms with at the time was the notorious discrepancy between the collapse load of actual shells and what was predicted theoretically for buckling of a perfect shell. Thin cylindrical shells under axial compression were observed to collapsed at loads as small as 20% of the theoretical prediction in contrast to columns and plate structures which showed good agreement between experiment and theory for the perfect structures. The key to understanding the discrepancy was the highly nonlinear post-buckling behavior and the extreme sensitivity to imperfections, which were related and clarified by Koiter’s thesis. Skeptics at the time thought that the basic theory for the perfect shell was intrinsically flawed, but it wasn’t. In fact, in the late 60’s, Rod Tennyson at the University of Toronto succeeded in making shells so nearly perfect that they buckled within 95% of the prediction for the perfect shell. All that is now history. Buckling problems of all kinds arise continually in many areas of technology. Sometimes I wonder where the expertise on buckling will reside when all of us aging bucklers cross the bar. ABAQUS can solve buckling problems, but it can’t pose or understand them. I’m afraid it would not take long to count the number of courses on buckling now taught in this country. On that somewhat pessimistic note, I’ll move on to fracture.

我出生的几年前，格里菲斯(Griffith)发表了关于玻璃断裂的里程碑式论文，但断裂力学的所有其他发展都发生在我有生之年，其中大部分发生在我作为机械师的有生之年。万博体育平台断裂力学值得赞美，因为对我来说，它代表了力学的最佳状态:数学理论和问题解决(分析和数值)，强大的实验基础，测试方法的开发，最后但并非最不重要的是，工程应用和材料表征。所有这些都以一种重要而丰富的方式混合在一起。断裂力学经过五十年的发展，逐渐走向成熟。断裂问题每天都在许多技术领域出现，微观和原子断裂过程的基本联系将在未来许多年继续挑战我们中的一些人。断裂力学的主要局限性同时在于它的强度太大，也就是说，破坏过程的细节都被掩盖起来，作为一个需要通过实验来测量的关键参数。因此，裂纹力学为在更小的尺度上，甚至在某些情况下在原子尺度上进行宏观测量和应用行为提供了一个框架。测试旨在测量材料的韧性或裂纹扩展速率，然后这些数据可以用于预测结构的完整性。我认为我说的是正确的，经过五十年的实验测量韧性和疲劳裂纹扩展速率，可能没有一个关键应用中使用了理论上预测的韧性。你必须给予早期开发者很大的信任，因为他们从一开始就理解了这一点——我要特别指出George Irwin和Paul Paris，他们是我们众多同事中的两位，他们对这一点有深刻的见解。 Paris’s early contribution was not the Paris Law (Paris, himself, is always the first to say it is no law at all). Along with Irwin, his contribution was the recognition that a truly esoteric quantity from elasticity theory, the stress intensity factor, could be used to develop a framework to measure crack growth and predict structural integrity.

两个动机推动了非线性断裂力学的发展。其中之一是寻求表征断裂过程发生的尖端附近的行为。但同样重要的是一个更实际的问题，即根据核反应堆工业中使用的韧性、韧性钢的线性断裂力学，测量断裂韧性所需的巨大试样。在60年代末和70年代初，西屋公司的工程师们使用一个大文件柜大小、重达几吨的样品来测定压力容器钢的韧性。对于每一组条件，必须测试几个样品。即使对于最重要的应用程序，这也是站不住脚的。因此，西屋电气公司的吉姆·贝格利和约翰·兰迪斯有足够的动机，看看他们是否可以在广泛塑性发生时使用吉姆·赖斯的j积分理论，类似于在弹性变形时使用应力强度因子的方式。它起作用了，当然不是立即起作用，而是在通常的艰苦工作之后。现在，由于理论和实验的健康结合，非常坚韧的钢的断裂韧性可以用小样本来测量。必须强调的是，这种方法仍然是现象学的，就像线性方法一样，它并不假装包含微观断裂过程的描述。 A computational approach to crack growth in ductile alloys based on the mechanics of the fracture process began to emerge in the early 70’s, motivated by problems in the nuclear power industry. Just when progress started to be made, the Nuclear Regulatory Commission and EPRI, who were supporting most of this work, stopped the funding. It took almost a whole decade before groups working independently in France, Germany, the UK and America moved ahead on this more fundamental approach. While much remains to be done on the nucleation and propagation of cracks in tough, ductile alloys, the approach appears to be the first computational method based on microscopic fracture processes that is ready as an engineering tool. I would be remiss if I did not emphasize that this approach still requires experimental calibration. As I said in the beginning of my remarks on fracture mechanics, toughness is measured not predicted, and I suspect this will just as true ten years from now.

断裂力学仍然是一个非常重要的学科，我只触及了历史的表面。然而，现在是时候扩展到我的最后一个时期，材料，这是一个更大的主题，我将更粗略地对待。材料力学已经存在了很长一段时间，但在20世纪60年代早期，从事材料行为基本方面研究的力学家少之又少。万博体育平台当然，弗兰克·麦克林托克作为现代最早的作家之一，值得特别提及。我记得在申请研究生院的时候，麻省理工学院著名的流体力学家C.C. Lin告诉我，材料(顺便说一句，不是塑料!)是一个年轻人的未来。万博体育平台事实上，到20世纪70年代中期，就吸引我们许多人的注意力而言，结构已经完全输给了材料。回顾过去，人们可以看到对材料的新兴兴趣对固体力学产生了巨大的激励作用。因此，我记得我的朋友在流体中渴望地羡慕我们的问题的巨大来源。在与材料有关的许多长度尺度上存在着极其丰富的物理现象，力学似乎是唯一适合于组织众多影响因素之间相互作用的学科。顺便说一下，颜色不一定是影响因素之一，正如这个故事所述。 I had worked on the transformation toughening of a ceramic, zirconia, for over a year and was giving a talk on the subject, when someone in the audience had the audacity to ask me for the color of zirconia. I hadn’t a clue, of course. For about the last twenty years, I’ve had the great fortune to work closely with Tony Evans on many different materials engineering problems. Evans knows that too much information will confuse any mechanician, and he has always been very selective about the facts he feeds me. Needless to say, the color of zirconia was not one of them.

除了几句轻松愉快的话之外，材料的话题太大了，不适合饭后谈话。我要重复一下罗德·克利夫顿几年前在这里给年轻机械师的建议——年轻的男人或女人，这是生物材料。万博体育平台

我已经说过，力学是理论、实验和应用的完美结合，是名副其实的工程、数学和物理的大熔炉。处于这样一个智力多样化领域的十字路口可能会造成紧张局势。当我还是个年轻人的时候，我的同事之间有一种明显的紧张关系，他们认为力学应该属于数学领域，而另一些人则认为力学是工程科学的一部分。我参加的第一批技术会议之一是明尼苏达大学的美国理论与应用力学全国大会。在开幕课上，Clifford Truesdell做了一个有明显数学倾向的讲座，讲的是非线性连续介质力学。第二天，我的一位哈佛大学流体力学的同事乔治·开利做了一个海洋学的一般性讲座。他在演讲的前几分钟模仿特鲁斯戴尔，给海洋下了一个过于正式的数学定义，这让听众们感到非常好笑。在不轻视我们在这个问题上的任何一方的前同事的贡献的情况下，我认为我们这里几乎所有人都会同意这种紧张局势是如何演变的。撇开谁为我们的研究埋单不谈，力学理所当然是工程学和科学的一部分。力学中充满了如此多奇妙的数学问题，这是一个诱人的额外好处。

我们这一代的同事非常感谢俄罗斯人，因为他们刺激了研究资金的流动和工程和科学领域的大学扩张。当斯普特尼克卫星升空时，我是大学二年级的学生，毫不夸张地说，我在之后的许多年里都在经历着斯普特尼克卫星所产生的浪潮。20世纪60年代在工程和科学基金方面的蓬勃发展导致了后来几年不切实际的期望，这种期望并没有完全消失。我将抵制住诱惑，不去谈论当前环境下对机械的资金侵蚀，这为许多饭后谈话提供了素材。为力学研究提供资金的想法，就好像它是一门基础科学或数学，是我刚刚提到的60年代两种趋势的产物。也就是说，力学是一门数学而不是工程科学，在60年代，几乎任何合理的物理科学研究项目都可以获得资金。我这里的年轻同事们可能会后悔没有经历早年的慷慨，但至少你们可以避免养成难以摆脱的习惯。从积极的方面来看，我们从事机械工作的人涉及工程和科学领域的大量学科，我们从同样广泛的资源中获得支持，即使我们必须努力做到这一点。作为一个社区，我们的兴趣比“美好的过去”更加多样化，这当然给力学领域本身带来了好处和困难。

最后，我要特别感谢我有幸与之分享这一职业的杰出同事们，哈佛大学以及美国和国外许多大学的同事们。在这些同事中有许多优秀的研究生。事实上，有些人非常特别，他们几乎不需要我的帮助，我几乎不记得他们来过我的办公室。正如我一开始所说，季莫申科奖章对我来说是最重要的。从现在开始，我很开心，不需要进一步的认可。我将纯粹为了力学本身的乐趣而工作。你们中的一些人可能在肯·伯恩斯的《美国爵士乐》系列节目中看过艾灵顿公爵的采访，那是在艾灵顿80多岁的时候，他的职业生涯即将结束的时候。有人问艾灵顿，在他创作的所有歌曲中，他最喜欢哪首。艾灵顿回答说:“就是我现在正在做的那个。”在力学中也是如此!