2003年季莫申科奖章讲座L. Ben Freund

反射和折射

弗洛伊德2003年11月19日

[img_assist|nid=213|title=|desc=|link=none|align=left|width=92|height=100]朋友和同事们，这些年来我参加过很多次应用力学晚宴，但这次是迄今为止最愉快的一次。希望那景色能在接下来的20分钟左右存活下来。

获得美国机械工程师协会的铁木申科奖章是一种非凡的荣誉。首先，得到同龄人的赞扬是非常令人欣慰的。这也是一种荣幸，能够被列入以前的获奖者名单，其中包括许多我最尊敬的人。

斯蒂芬·季莫申科本人早在我发现自己对他的研究领域感兴趣之前就隐退了，我也从未见过他本人。然而，我确实和季莫申科有某种直接的联系，因为他是我在学术上的曾曾曾祖父。他的高级力学教科书的出现无疑是20世纪该领域的决定性事件之一。

几个月前，早在我还没有考虑今晚的发言之前，我就被要求提供一个题目。采用季莫申科回忆录的基调，选择“反射”和“折射”，从波的传播中借用两个术语，似乎是足够安全的。在这种情况下，“反思”一词的意图是不言而喻的。“折射”这个词是为了提醒我，主要是提醒我自己，当通过流逝的时间来观察时，回忆可能会扭曲。无论如何，我打算通过反思我自己在这个领域的经验来遵循传统，希望不要有超过我年龄允许的更多的折射。

我的先民先民有先见之明，在一个最终建立了一流州立大学的地方定居下来。我可以提一下，当约翰·哈钦森几年前第一次得知我是在伊利诺斯州农村的一个农场长大的时候，他认为也许我对此补偿过度了。最后，我进入伊利诺伊大学学习电气工程。受当时电气工程必修的一门动力学课程的启发，我在大二结束时将专业改为工程力学，查克·泰勒成为了我的学术顾问。
在大学期间，我所有的暑假和假期都在一家生产土方设备和机场牵引拖拉机的公司工作。我的工作是对这些机器进行现场测试，包括第一台专门为波音747设计的牵引拖拉机，然后在绘图板上进行测试。为了找到一份比我在这家公司看到的工程师所做的更有趣的工作，我继续在伊利诺伊大学攻读硕士学位。正是在这段时间里，亨利·朗哈尔(Henry Langhaar)和马夫·斯蒂普斯(Marv Stippes)等有才华的人让我大开眼界，让我看到了深入理解我们都在处理的这个令人惊叹的美丽主题的好处。为了追求自己的理想，我去了西北大学继续研究生学习。

一到埃文斯顿，简·阿肯巴赫就成了我的研究顾问，这是我的又一项幸运。他提出有趣的课题让我们学习，他给了我独立工作的机会。这种方法总是会在学习过程中带来惊喜，它让一个人甚至从错误或错误的开始中受益，这有很多，我试着对我自己的研究生和博士后遵循同样的方法。在写一篇关于弹性波衍射的论文时所获得的知识在短短几年内就变得非常宝贵。我认为，最重要的是对解析函数理论中一些基本定理的强大力量的欣赏，这些定理是应用数学中我们通常认为理所当然的运算技术的基础。

从西北大学毕业后，他去了布朗大学，获得了一年的博士后奖学金。在今年早些时候的一次生日研讨会上，简·阿肯巴赫回忆说，当时他的想法是，这将是另一个有前途的年轻人失去可塑性的案例。我确实尝试了可塑性，但也发现了其他有趣的事情。最终，我成为了布朗大学的正式教员，一年变成了很多年。

在最初的日子里，我每天早上去咖啡厅的必经之路都要经过吉姆·赖斯(Jim Rice)在我们大楼七楼的办公室。在1970年的一个特别的早晨，他给我看了他刚从乔克·埃舍尔比那里收到的邮件的重印版。本文研究了非均匀速率下的动态III型裂纹扩展问题。对于有波传播经验的人来说，论文中报告的结果，特别是二维波前明显不连续的出现，是令人震惊的。我们想知道，在更现实的拉伸开裂情况下，是否也可能出现同样显著的物理特征。当时，这似乎不太可能，因为后一种情况存在表面波。

那时还没有关于断裂力学的书籍和课程，我对应力强度因子和能量释放率一无所知。尽管如此，一个新领域的吸引力胜过了我对这个学科的无知，我把裂纹动力学中的这个问题作为一种使命。在接下来的一年里，关于加速拉伸裂纹没有任何进展，尽管我确实学到了关于裂纹动力学的其他东西。终于，有一天下午，当我独自在办公室的黑板前工作时，雾散了，一切都明朗了;我还能在脑海中描绘出黑板上的图表。

这项工作在接下来的几个月内完成，主要论文已提交发表。直到今天，我仍然感谢我在布朗大学的资深同事们，他们为助理教授提供了一种氛围，使他们能够以这种方式投入几年时间从事一个重大项目，并努力为其他年轻人提供类似的环境。说句题外话，几年后，我也认识了埃舍尔比，当时他去美国接受他的铁木申科奖章，同时又和我们在布朗大学的团队呆了很长时间，对我们来说，那是一个迷人而有趣的几周。

当时人们感兴趣的一种特别的动态断裂现象是发生在地震中的剪切断裂。大约在这个时候，地震学家得出结论，他们用来描述地壳断层的基于位错的模型过于局限了。他们现在正在寻找一种完全动力学的模型，在这种模型中，驱动力和运动学响应都不是先验指定的。这些剪切裂纹模型为解决这一问题提供了一个理想的起点。这种联系为我提供了一个在一个与我自己完全不同的领域工作多年的机会。我认识的人——地震学家和地球物理学家——是一个非常有才华的群体，我很高兴能成为这个群体的一员。他们对一件事的特别关注——地球——需要一些时间来适应。他们不倾向于考虑如何改进它，这是工程学的自然倾向。

另一组有趣的问题是，动态断裂力学在结构的安全性和可靠性方面发挥了核心作用。也许当天的主要问题是控制坚硬结构材料(例如反应堆压力容器或船体)的裂缝，承认裂缝的产生是不可避免的。在此期间，在与我的学生和博士后以及John Hutchinson和他的学生富有成效的合作过程中，在动态断裂的塑性效应方面取得了很好的进展。

我参与了一个相关的问题，最初是以咨询的身份参与的，是天然气输电线长段的爆炸破裂。传统观点认为，如果使用在高变形率下仍能保持延展性的管道钢，这个问题就会消失。其原因是，在高压管道破裂过程中，气体逸出产生的压力释放波总是超过延性裂纹，管道损伤是局部的。然而，自然并不总是符合传统的智慧。数英里输油管道爆炸破裂的事故不断发生。为了试图理解这是怎么回事，一个由管道生产公司组成的联盟在仪器管道上进行了一系列戏剧性的全尺寸测试，以确认现场经验，他们需要一些帮助来解释观察结果。

我提到这个项目主要是因为它是一个非常复杂的重要力学问题的例子，涉及大变形，塑性流动，韧性断裂，惯性力，气体动力学，可能还有土力学，这是最神秘的实用艺术之一。关于如何继续解决这个问题，几乎没有什么线索。然而，通过与Dave Parks和Jim Rice合作进行的基于整体功率平衡的计算，我们能够确定持续长时间运行的韧性裂缝的原因，并确定实施机械裂缝止裂的策略。虽然这些问题很少在书本上或课堂上讨论，但它们代表了我们工作中最紧迫的一些问题。在我看来，取得进展的关键一步是确定处理问题的适当细节水平。最精致的关卡并不总是最合适的。也许这个特殊的问题在微纳米时代似乎过时了，但我相信这个观点是尺度不变的。

在20世纪80年代中期的某个时候，发生了两件对我有长期影响的小事。首先，剑桥大学出版社问我是否有兴趣写一本关于动态断裂的专著。正如你们许多人所知，准备这样一本书是一项耗时，有时甚至是乏味的任务。然而，这门学科本身的发展是零星的，是典型的基础研究。写一本书提供了描述整个旅程的前景，通过主题作为一个连续的故事，用不同的发展阶段的观点。《动态断裂力学》的准备工作是我职业生涯中最令人满意的经历之一。这么多年来，这样一本专业的书仍然在印刷，这在很大程度上要归功于凝聚态物理学家，他们在20世纪90年代自己发现了这一学科。

第二个值得注意的转折是固体力学和材料科学之间日益富有成效的相互作用的又一步。布朗大学的两位同事成立了一家制造光伏太阳能电池的公司。这是一种薄膜半导体二极管结构，结合了光子吸收从基态激发电子的效应和PN结的导带偏移特性，从阳光中产生电流。他们的薄膜从衬底上脱落，他们想知道原因，这很容易解释。

更重要的是，从当时的文献来看，很明显，应力驱动的材料质量退化问题是许多有前途的薄膜技术进步的障碍，即使在薄膜材料的承载能力不是设计功能的情况下;机制问题是真正的亮点。许多有趣的问题被发现，可以通过应用力学原理来解决，可能通过与热力学、微观结构特征或量子力学的耦合来扩展。这个新领域的吸引力表明，是时候再改变一下重点了。正如约吉·贝拉(Yogi Berra)所建议的那样:“当你走到岔路口时，接受它。”通过对薄膜的研究，我认识了一群从事半导体材料研究的非常有能力的人，包括晶体种植者、显微镜学家和器件工程师。在这个领域工作了十几年左右，在布朗大学教过几次关于薄膜的研究生课程之后，我觉得有一个故事要讲，而另一本书也在准备之中。Subra Suresh和我一起参与了《薄膜材料》的写作项目，我们很高兴地宣布，这个项目现在已经完成了。这本书的写作经历再次让我收获颇多，这在很大程度上要归功于苏布拉的好陪伴。

过去到此为止。力学的未来会怎样?在我的职业生涯中，该领域在很大程度上受到两大运动的支持——作为核心方法论的数值有限元方法的演变，以及力学在量化材料性能方面的核心作用，后者促成了实验力学的复兴。推测新兴趋势是很有趣的，尽管有人怀疑在麦克风前这样做是否明智。在一段时间内，应用于小规模工程材料和生物材料的力学可能会继续作为指路明灯。凭借其非常特殊的视角——连续场概念、微观结构本构建模、定量分析和实验，以及对现实边界约束的强调——力学可以继续作为基础科学和工程应用之间的关键纽带。为了追求机会，我们有责任发展对其他领域的力学相关问题的一定深度的理解。我同意没有什么比一个健全的基本力学理论更有用，但这种效用只有通过论证才能得到欣赏。总得有人关心后果。

重要的是，作为该学科的保管人，我们要维持其核心结构。对我来说，这意味着在全国范围内拥有大量强大的、充满活力的研究生项目，提供涵盖理论、计算和实验的全面教育。如今这类课程的详细结构与我学生时代的课程明显不同，我们似乎正处于另一个重大转变的早期阶段。十年后，我预计热力学、统计力学和表面现象等其他问题将变得比今天更加重要。

约翰·哈钦森(John Hutchinson)去年和特德·别利奇科(Ted Belytschko)前年都强调了培养年轻人对该领域活力的重要性。观察我认识的年轻人在他们的努力中茁壮成长，从而成为该领域不那么年轻的领导者，总是令人满意的，我当然同意这种观点。多年来，我对我们这个领域的其他方面也形成了自己的看法——例如，档案文献的作用——但我不想在讲台上呆得太久。因此，我将以两点致谢作为结束。

职业生涯很少是一个人的努力，我的情况当然如此。今晚有很多人获得了我的一部分荣誉。其中最重要的是我的家庭成员，他们赋予了这一切更深层次的目的。从我们在埃文斯顿的日子起，我的妻子科琳就以她自己的方式为机械领域做出了贡献;此外，她的性格和良好的判断力往往弥补了我自己的缺点。

多年来，我一直是这个机械社区的一员，我感到非常幸运。这个社区的开放、建设性和学术特征一直是一种持续的力量，尽管它的角色在不断变化。多年来，我很荣幸能与布朗大学的许多优秀的同事和学生密切合作。当一切尘埃落定，今晚站在这里的真正满足感在于旅程本身。

我很荣幸能参与到向斯蒂芬·季莫申科致敬的活动中。我非常感谢应用力学部执行委员会和所有匿名贡献的人。很明显，他们都是可敬的人，尽管他们夸大了事实，使之看起来可信。

在美国公共广播公司(PBS)最近播出的关于温斯顿·丘吉尔(Winston Churchill)的节目中，据报道，当他开始准备他的六卷本第二次世界大战历史时，他说:“历史会善待我的，因为我将书写它。”我很感激今晚有机会在这里写下我自己的历史。谢谢大家的光临。