技術(shù)
鄭哲敏 教授
技術(shù)科學(xué)獎
1993年
鄭哲敏 爆炸力學(xué)、力學(xué)專(zhuān)家。 1924 年10 月 2 日生于山東濟南，原籍浙江鄞縣。1947 年獲清華大學(xué)學(xué)士學(xué)位。1949 年和1952 年分別獲美國加州理工學(xué)院碩士和博士學(xué)位。1980 年當選為中國科學(xué)院院士( 學(xué)部委員 ) 。1993 年當選為美國國家工程院外籍院士?，F任中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員、中國科學(xué)院技術(shù)科學(xué)部主任。曾任力學(xué)研究所所長(cháng)、中國力學(xué)學(xué)會(huì )理事長(cháng)、《力學(xué)學(xué)報》主編等職。早期從事熱彈性力學(xué)、水彈性力學(xué)、振動(dòng)及地震工程力學(xué)研究。1960 年開(kāi)始爆炸力學(xué)研究，其中“爆炸成形模型律及成形機制”獲1964 年國家新材料、新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝展覽會(huì )一等獎，“破甲機理研究”獲1978 年全國科學(xué)大會(huì )獎，“ 流體彈塑性模型及其在地下核爆炸和穿破甲方面的應用”獲1982 年國家自然科學(xué)獎二等獎?！斑B云港爆炸處理水下軟基”獲1990 年國家科技進(jìn)步獎二等獎?！敖饘侔灞◤秃吓c應用”獲1989 年中國科學(xué)院自然科學(xué)獎一等獎?！盁崴芗羟袔А?獲1993 年國家自然科學(xué)獎二等獎。
一、爆炸成形的理論和應用
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50年代末國際上開(kāi)始出現爆炸成形工藝，用這種工藝可以成形大型、復雜而精密的鈑金零件。那時(shí)中國正開(kāi)始研制導彈，但缺乏成形大型件的水壓機，而且水壓機還不能成形某些復雜而精密的工件。1959 年錢(qián)學(xué)森指出，力學(xué)可以直接和工藝結合，爆炸成形的研究可能形成這樣的工藝力學(xué)。1960年鄭哲敏組建了一個(gè)從基礎到工藝的有層次的有機的研究集體，其中包括水下爆炸載荷、材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)、爆炸成形、測試技術(shù)等研究組,開(kāi)展測試、實(shí)驗、理論分析多方面的工作。鄭哲敏仔細考察了平板在水中爆炸波作用下的變形過(guò)程，敏銳地察覺(jué)到平板在變形時(shí)先后經(jīng)歷兩次急劇的加速。第一次加速顯然是由水中爆炸沖擊波的打擊所引起，但不明白為什么有第二次的加速。為尋找它的原因，他做了大量的演算和分析。起先計算到了有負壓產(chǎn)生，這正是由于平板的高速變形對其附近的水產(chǎn)生抽吸而造成的空化現象，這里變形過(guò)程依然連續變化而沒(méi)有出現第二次加速。后來(lái)他又考慮到，在空化區的后面存在著(zhù)一個(gè)加速膨脹的水球，它會(huì )追上前去，吞沒(méi)空化區，從而再次打擊因受變形阻力作用而減速的平板，這次打擊便造成了平板的第二次加速。就這樣，他闡明了爆炸成形的機理，在當時(shí)還沒(méi)有看到國際上發(fā)表此類(lèi)工作。與此同時(shí)，他又給出了爆炸成形的幾何相似律和能量準則，和外國學(xué)者所給出的相似律相比，他所提出的控制參數“少而精”，既抓住實(shí)質(zhì)又便于使用。他的集體和產(chǎn)業(yè)部門(mén)的工程師協(xié)作，在上述機理和相似律的指導下，把實(shí)驗室里小模型上得到的規律和優(yōu)化參數順利地推廣應用到導彈零部件以及多種難以用常規工藝生產(chǎn)的鈑金件的生產(chǎn)。為了解決特大型零件成形所遇到的模具鑄造的難題，他又發(fā)明了慣性模。這種模具不必一次鑄成整體，而是分次鑄成幾塊，拼裝而成。只要質(zhì)量足夠大，就能靠其慣性使毛料在爆炸作用下順利貼模成形，此后模具才散開(kāi)，下次作業(yè)時(shí)再拼裝使用。通過(guò)這一實(shí)踐，鄭哲敏把工藝問(wèn)題納入科學(xué)領(lǐng)域，找出并解決其中的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題，為這項新工藝奠定了理論基礎。
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二、創(chuàng )立流體彈塑性模型并將其應用于研究地下核爆炸和穿甲、破甲、爆炸復合等高速碰撞問(wèn)題
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1964年，中國開(kāi)始地下核試驗的預研。他發(fā)現國外有關(guān)地下核爆炸波的衰變與空腔運動(dòng)的理論計算有嚴重缺點(diǎn)，他們把全場(chǎng)人為地分為內部流體區和外部固體區，這種分區模型不能真實(shí)反映物質(zhì)和運動(dòng)狀態(tài)的連續變化。1965 年他和解伯民向上級部門(mén)提交了“關(guān)于地下核爆炸計算模型的一個(gè)建議”。在這份研究報告中，他們和國外幾乎同時(shí)而又獨立地提出了一種新的力學(xué)模型-----流體彈塑性模型，用這種模型可以滿(mǎn)意地求解時(shí)間和空間上連續變化的流體和固體效應緊密耦合的爆炸問(wèn)題。1969 年春他又提交了一份計算地下核爆炸效應的總結性報告。這一報告表明新的計算模型和方案能夠預報核爆當量和規律，標志著(zhù)中國在這一研究領(lǐng)域已達到國際先進(jìn)水平。
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1966 年初，鄭哲敏從事坦克和反坦克武器的研究工作。他指出穿甲現象符合幾何相似律，實(shí)彈打靶考核的部分主要內容有可能用室內小型槍擊試驗代替。1971 年以后，他繼續指導他的集體完成了桿式彈穿甲相似律的研究。他抓住了彈頭在孔底邊進(jìn)邊破碎形成渣堆這一特點(diǎn)，提出了桿式彈的穿甲模型，應用這一模型計算得到的侵徹速度和深度比舊理論更加符合實(shí)際。
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在破甲彈對裝甲的作用問(wèn)題上，鄭哲敏全面而又完滿(mǎn)地解決了破甲相似律、破甲彈金屬射流失穩拉斷機理、射流侵徹金屬裝甲和非金屬裝甲的機理等一系列問(wèn)題。他在 1977 年的一篇討論射流穩定性的文章中巧妙地應用量綱分析方法直截了當地給出了判斷射流失穩斷裂的計算公式。他用解析方法證明了射流高速段的失穩是空氣動(dòng)力作用的結果，而低速段的失穩則是由射流材料的強度性質(zhì)決定的。在同年，國際上只是發(fā)表了低速段強度失穩的結果，而證明則用的是數值方法。 1975 --1977 年期間，他在金屬裝甲的破甲機理研究中建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的流體彈塑性模型，并分析指出：金屬材料的慣性起主要作用，強度( 尤其是高壓強度 ) 的作用占第二位，可壓縮性的影響是可忽略的。據此理論而建立了一個(gè)計算侵徹速度的關(guān)系式，其中的變形阻力項隨射流速度增加而增加，它比流行的艾克爾伯格 (Eichelberger) 公式更符合實(shí)際，后者的阻力項只是一常值。 1981年他的集體又完成了纖維增強復合材料裝甲的破甲機理研究。他們發(fā)現這種材料具有良好的抗侵徹性能，卻不能用一般理論作出解釋?zhuān)⒁獾娇椎赘浇妆诘幕乜s現象，分析判斷材料發(fā)生了熱裂解，他所組織的實(shí)驗證實(shí)了熱裂解氣體挾帶了固體碎粒干擾了后續射流的運動(dòng)，因而降低了射流的侵徹能力。上述理論指導了有關(guān)武器的研制和設計工作,在國際上也是一個(gè)創(chuàng )新。
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70 年代末，他意識到爆炸復合是一種重要的機械加工新工藝。它具有高速、高壓和高溫的特點(diǎn)，由此而形成波狀復合界面、旋渦結構、絕熱剪切和重結晶等復雜現象。國際上的研究集中在用流體力學(xué)理論來(lái)解釋周期界面波的現象。鄭哲敏在1977 年就注意到這種理論忽略材料強度的作用是不相宜的，應該采用流體彈塑性模型，這樣不僅能解釋波狀界面的形成，而且可以說(shuō)明金相組織的變化。于是他組織了研究力量開(kāi)展系統的研究。他們證明了界面的波長(cháng)符合幾何相似律，其控制參數是慣性與強度之比而不是雷諾數，因而國外學(xué)者用卡門(mén)渦列比擬界面波現象是不適宜的。他提出了一個(gè)以不可壓縮流體流動(dòng)為基礎加以強度效應作修正的簡(jiǎn)化的成波理論，后來(lái)又采用了“卡門(mén) -錢(qián)近似”對材料的可壓縮性作了處理，最終得到了計算界面波長(cháng)的公式，這一公式能較好預報具有不同密度、強度和可壓縮性的材料的界面波長(cháng)。他又指導了計算界面附近溫度變化的工作，采用他在研究破甲機理中的類(lèi)似方法，計算結果能說(shuō)明界面附近所發(fā)生的重結晶、相變和熔化等金相變化，而且也說(shuō)明了爆炸復合本質(zhì)上是一種固態(tài)結合。這一研究不僅進(jìn)一步豐富和發(fā)展了流體彈塑體力學(xué)的內容，而且為爆炸復合工藝在中國的推廣應用提供了理論指導和設計依據。上述成果獲1989 年中國科學(xué)院自然科學(xué)獎一等獎。
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三、研究成功爆炸處理水下軟基的新技術(shù)以及煤和瓦斯的突出機理
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1980 年鄭哲敏了解到中國煤和瓦斯突出這類(lèi)事故相當頻繁，嚴重威脅煤礦工人的生命安全和煤炭生產(chǎn)，便致力研究突出機理以推進(jìn)突出預報的工作。國際上研究突出機理至少已進(jìn)行了半個(gè)世紀，但是進(jìn)展不大，一般把突出歸為三個(gè)原因，即瓦斯能量、地壓和煤層結構，至今沒(méi)有形成統一而合理的理論。鄭哲敏在 1982 年的中國力學(xué)學(xué)會(huì )第二屆理事會(huì )上發(fā)表了《從數量級和量綱分析看煤和瓦斯突出的機理》一文，認為突出的主要能量來(lái)源是煤層中的瓦斯，而地壓只是觸發(fā)煤層破壞的條件。他指導的集體在 1987-1989 年連續發(fā)表文章從室內模擬實(shí)驗和理論分析兩方面不斷深化和完善上述想法。實(shí)驗證明了在一定條件下存在著(zhù)恒穩推進(jìn)的自持突出過(guò)程。他們在分析方面建立了簡(jiǎn)化模型，這一模型能較全面地解釋突出現象，從中還引出了一個(gè)把瓦斯壓力、地壓和煤的強度綜合在一起的突出判據。
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1985--1988 年期間，鄭哲敏指導和組織的爆破研究組研究成功一種爆炸處理水下海淤軟基的新技術(shù)。他在1987 年的一篇研究報告《相似律、藥量公式、優(yōu)化及其他》中對爆炸排淤的模型律進(jìn)行了探討，為這項新技術(shù)的工程應用提供了理論依據。這項新技術(shù)在 1987 年通過(guò)了中國科學(xué)院與交通部的聯(lián)合鑒定，現已被成功地應用于中國的港灣和碼頭建設。1987 年獲中國科學(xué)院科技進(jìn)步獎一等獎。1990 年獲國家科技進(jìn)步獎二等獎。
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四、研究材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì),為爆炸力學(xué)的發(fā)展打下更深層次的基礎
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60 年代初，鄭哲敏在研究爆炸成型時(shí)，對材料在高速變形時(shí)所具有的特殊性質(zhì)就已十分重視，在研究穿破甲時(shí)，他更深刻地認識到在高速、高壓和高溫作用下材料的變形和破壞等性質(zhì)更為復雜，他始終認為對此應該通過(guò)宏觀(guān)和細觀(guān)相結合的途徑開(kāi)展研究。 1978 年他在主持制定全國力學(xué)學(xué)科發(fā)展規劃的工作中，經(jīng)過(guò)多方切磋琢磨，對力學(xué)這門(mén)學(xué)科的認識得到了一致的認識，即力學(xué)既是基礎科學(xué)又是技術(shù)科學(xué)，現代力學(xué)正在同其他各種工程技術(shù)以及同自然科學(xué)的其他學(xué)科的結合中不斷開(kāi)拓自己的領(lǐng)域。 1979 年，他組建了一個(gè)專(zhuān)門(mén)研究材料力學(xué)性質(zhì)的研究室。他意識到絕熱剪切現象具有重要的基礎性質(zhì)，和俞善炳、白以龍先后合作，在1984 年發(fā)表了《熱塑剪切帶的演化》一文；后來(lái)他又討論了有限擾動(dòng)的演化和兼并過(guò)程及其對失穩判據的影響，這些分析說(shuō)明了實(shí)驗觀(guān)測到的多條剪切帶等新現象。該成果獲1993年國家自然科學(xué)獎二等獎。
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鄭哲敏教授的主要學(xué)術(shù)論文、著(zhù)作目錄
- Restricted Torsion of Thin-Walled Collumns of Air Foil Sections. Tsing-Hua Science Report ,1948.??
- Resistance to thermal shock.J.Am.Rocket Soc.,1951,21.
- A similarity law for rapidly heated thin-walled cylinders ,J.Am.Rocket Soc., 1952,22.(with H.S.Tsien)
- Problems in hydro-elasticity.Proc.9th Congress of Appl Mec.,1956,7.
- 關(guān)于工程地震的若干問(wèn)題 .力學(xué)學(xué)報 ,1957,1.
- 輸水管的振動(dòng)問(wèn)題 .力學(xué)學(xué)報 ,1958,3.
- 懸臂梁一側受有液體作用時(shí)的自由振動(dòng) .力學(xué)學(xué)報 ,1959,3.( 合作者 : 馬宗魁 )
- 水激波入射于平板時(shí)空化的形成 .國家科委科技報告 ,1964.
- 爆炸成形模型律 .國家科委科技報告 ,1964.
- 關(guān)于地下爆炸計算模型的一個(gè)建議 .中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究報告 ,1965.( 合作者 : 解伯民 )
- 破甲過(guò)程的初步分析及一些基本知識 ( 一 ) 和 ( 二 ). 力學(xué)情報 ,1973,5 和 6.( 合作者 :段祝平、談慶明、劉小蘋(píng) )
- 破甲機理的力學(xué)分析及簡(jiǎn)化模型 .科技參考資料 ,1977,1.( 合作者 : 談慶明 )
- 破甲彈射流穩定性的研究 .爆炸與沖擊 ,1980,1:1.
- 連續介質(zhì)力學(xué)與斷裂 .力學(xué)進(jìn)展 ,1982,12.
- 從數量級和量綱分析看煤與瓦斯突出的機理.見(jiàn):力學(xué)與生產(chǎn)建設,北京大學(xué)出版社,1982.
- Mechanics of Explosive Welding.Proc.Intl.Symp. on Intense Dynamic Loading?and Its Effects.1986,Beijing,Science Press ,1986.
- Random Penetration of Broken Jet into Composite.ibid ,1986.(With Q.M.Tan and Y.S.Ding)
- Several Problems in Hydro-Elasto-plastic Dynanics.ibid ,1986.
- On evolution }of thermo-plastic bands. Acta Mechanica Sinica (English Edition ), 1986,2.(with Yilong Bai and Shanbing Yn)
- 煤在瓦斯滲流作用下持續破壞的機制 .中國科學(xué) A 輯 ,1989.( 合作者 : 丁曉良、俞善炳、丁雁生、寇紹全、談慶明 )
- Mechanism of wave formation at the interface in explosive welding. Acta Mechanica? Sinica,1989,15:2.(with Tan Qinpming)
- A Laboratory Study of Coal Gas Outbursts.Proc.2nd Intl.Symp.On Intense Dynamic Loading and its Effects ,chengdn.Sichuan Univ. Press ,1992.(with Chen? Li and Ding Yansheng)
- 一維瓦斯突出破碎陣面的恒穩推進(jìn) .中國科學(xué) A 輯 ,1993,23:4.( 合作者 : 陳力、丁雁生）