第1章绪论
1.1力学的起源与发展
力学是什么？
力学作为自然学科中*早精确化的学科，曾是经典物理学的基础和先行。进入20世纪后，凭借其独立的理论体系和重大工程技术需求，从物理学中脱离出来，成为一门应用性较强的基础学科[1]。
在《未来10年中国学科发展战略： 力学》中，定义“力学是关于力、运动及其关系的科学 力学研究介质运动、变形、流动的宏微观行为，揭示力学过程及其与物理、化学、生物学过程的相互作用规律”[2]。该定义将力学从研究物质机械运动规律中解脱出来，并体现出新时期力学研究跨层次、跨尺度以及学科交叉融合的特征。
力学*早的研究可追溯到阿基米德（公元前287年～公元前212年）时代。阿基米德作为力学创始人，给出了静力学和流体静力学的基本原理，享有“力学之父”尊称。随着时间的步伐迈入文艺复兴时期，“现代科学之父”伽利略在《关于两门新科学的对话》（1632年）一书中，讨论了材料力学与动力学的研究结果。之后，牛顿站在巨人的肩膀上，集前人研究于一体，著《自然哲学的数学原理》（1687年），提出万有引力定律和三大运动定律，标志着经典力学理论体系基本建立。其后200余年，经典力学理论体系不断完善，并以解析的方式重塑理论框架，以严谨的结构与逻辑、极具对称和简洁的表达形式向世人展现出力学令人震撼的美感。
然而在20世纪初，“两朵乌云”笼罩在经典力学头顶，并*终形成了相对论力学和量子力学，在物体高速和微观世界粒子的运动规律方面弥补了经典力学的不足。
古代中国，虽然没有形成完善的力学体系，但也对自然和万物运动有着自己的思考。在《墨子》的《经上》中提到“力，刑之所以奋也”。对这句话认可较为广泛的解释为“力是使物体运动的原因”，甚至部分学者认为是牛顿第二定律的雏形。
近现代，中国的自然科学基础理论知识基本源于西方。*早出现的力学书籍是瑞典传教士邓玉涵与华人王徴合译的《远西奇器图说》（1627年），书中将力学称为“力艺”或“重学”。1859年，英国人爱约瑟和李善兰合译了英国力学家胡威立的力学著作《初等力学教程》，将力学称为“重学”。1868年，丁韪良编译了《格物测算》，提出“是书之力学即重学也，盖重学无非力学之一端，而力学实重学之根源也”，*早开始用“力学”代替“重学”，但他所指的力学大致等同于现在的静力学和质点动力学，还不是现今意义下的力学[3]。
第一次将“Mechanics”翻译为基本等同如今力学体系的“力学”的人并不是力学家，也不是自然科学家，而是清末民初的思想家严复，出现在《天演论》（1898年）一书中。之后在翻译《群学肄言》中提出“力学之所治者，统热电声光以为纬，分流凝静动以为经”[3]。
力学以使用严谨逻辑来认识自然与工程中的规律为目标，兼具基础性和应用性。正如美国航空之父冯 卡门先生曾描述力学的作用“Scientists discover the world that exists， engineers create the world that never was. Mechanics is at the most exciting stage and we can do both.”（“科学家发现现存的世界，工程师创造未来的世界， 力学则处在*激动人心的地位，即我们可以两者并举！”）[1]。
力学作为工程科技的先导和基础，是科学技术创新和发展的重要推动力。正如杨卫院士的描述“力学是统领全局的学科，必须把握灵魂、把握总体、把握关联、把握贯穿；力学是抓总的，不能一叶障目，不见森林；不能守在中段，要顶天立地。”[1]
1.2实验力学的内涵与外延
纵观力学的发展历史，力学发展的重要阶段与重要的力学分支的建立都是和著名的实验相联系着的。一般认为流体力学的开端是马略特的管流阻力实验，空气动力学的起步则可以追溯到物体升力的测量实验，弹性力学的起步则是胡克的物体弹性实验。脱离实验的理论常常可以被实验所否定，例如曾经存在了数百年的以太理论，在19世纪末被实验所否定；亚里士多德关于落体的理论流传了一千多年，被伽利略的实验所否定[3]。因此，实验力学起源于力学理论的发展和工程应用的实际需要，是一门结合自然现象以及工程问题需求而发展起来的科学。
力学实验始于阿基米德的浮力量测、伽利略比萨落体实验的速度量测、开普勒的天文轨道量测、胡克的弹性量测、牛顿的光折射量测[1]，但此时的力学实验没有学科专业的特色，仅为某一专门问题或某一学科服务，尚不能称为实验力学。20世纪30年代，随着光弹性和电阻应变计的应用，力学实验以应力分析为主，初步具有学科专业的特色，称为“实验应力分析”，指用实验手段进行应力分析，区别于通过数学公式计算应力。1938年美国麻省理工学院的Ruge教授发明了电阻应变片[4]，开始了真实应变测量的时代，直到今天，应变片仍是实验力学中重要的测量方法之一。20世纪60年代以后，随着光学和微电子技术的发展，实验手段越来越多，应用范围越来越广，具备相对独立的理论、方法和技术，逐步形成了以机械量测、光测、电测、流体量测、振动量测等为核心内容的实验力学学科。
根据实验力学的任务，将其分为两类： 其一是对已有力学理论证明与验证的实验，如1798年卡文迪许测定引力常数的实验；其二是求解问题的实验，如对于复杂问题，通常的做法是先基于实验获得相关规律，再建立相应的逻辑从理论上对问题进行分析。
基于以上论述，狭义的实验力学就是指实验过程力学量的测量技术，而广义的实验力学还包括力学实验的组织与实施，本书后续不再对其进行区分。
实验测量方法涉及的范畴较广，具体包括电测、光测、声测、图像处理和杂交法等测量方法，实验关注对象主要包括疲劳、断裂、力学响应、无损检测及评估、模型实验、残余应力等方面。
目前实验力学的测量技术研究已经从传统的电测、光测技术扩展到图像技术、超声技术、微纳光测技术、无损检测技术、传感与检测技术、动态与冲击测量等领域。实验力学的应用领域从机械冶金、能源动力、水利地质、土木交通和航空航天等逐步扩展到材料、微电子和生物工程等。
实验力学研究的热点领域和具有挑战性的难题包括以下方面[5]。
（1）多场和多系统的实验测量技术。与智能材料、生物材料、生化材料等领域相关，建立多场与多系统的加载和实验测量技术是极具挑战的研究领域。
（2）微纳尺度实验力学检测技术和装置。随着微纳尺度力学的迅速发展，迫切需要建立与之对应的微纳尺度实验力学检测技术与装置。
（3）特殊环境与极端条件下力学量测技术。与国防军工、交通设施、航天航空工程等领域的材料及结构性能的损伤破坏研究密切相关。
（4）无损检测新技术。与机械、能源等大型工程结构检测以及材料和器件的性能检测密切关联。
（5）大工程系统中的测量与安全检测技术。直接与国家经济建设和国防建设中的大装置、大系统和重大设施的安全运行相关。
（6）实验数据的分析识别与力学场可视化技术。主要涉及实验力学分析方法与图像处理技术。
实验力学具有很强的技术性与应用性，与新技术交叉广泛，与工程应用和生产实践结合紧密。实验力学在力学发展过程中发挥了重要和关键的作用，推动和促进了力学基础理论的发展，同时又是检验力学理论的标准。
1.3飞行器实验力学的任务与挑战
进入20世纪，航空航天成为与力学关系*为密切的领域之一，也是*具代表性的领域。力学有力地支撑了航空航天领域的发展，航空航天对新技术的需要又刺激和推动了对新的力学（如飞行器实验力学）问题的深入研究[6]，逐步形成、丰富并发展了飞行器实验力学。
飞行器实验力学是关于飞行器结构（全机、部件、零件等）的考虑服役载荷（力、振动、热载等）等效加载、协调控制、同步测量（如应力、变形、转角、位移、频率、振幅等）、结果分析评估的实验科学。飞行器实验力学“积木式”研究飞行器结构运动、变形、损伤的宏微观行为，揭示多场多耦合力学过程及相互作用规律，是一门涉及面很广的综合性应用学科，包括强度、刚度、气动弹性、耐久性/损伤容限、完整性、可靠性和气候环境等方向。
1783年法国人蒙特哥尔菲兄弟和查尔斯的气球首次使人类实现了长时间的飞行。1903年美国莱特兄弟成功研制了第一架可操控的载人动力飞机。1947年美国耶格尔驾驶Bell X1飞机首次实现了超声速飞行。1957年苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星。1961年苏联宇航员加加林乘坐东方号飞船首次进入太空。1969年美国阿波罗11号飞船第一次登月成功，阿姆斯特朗成为第一个登上月球的宇航员。1971年苏联首次将世界上第一个空间站——礼炮一号送上近地轨道。1981年美国首次将可重复使用的、往返天地间的有翼式载人航天器——哥伦比亚号航天飞机送入近地轨道[7]。人类迈向天空的每一步，都离不开飞行器实验力学。
纵观飞行器结构军用规范和民用飞行器适航规章，有一条主线贯穿始终： 未经实验验证的结构，不允许在飞行器上使用；只有通过限制载荷的强度实验，飞行器才可以首飞；只有通过极限载荷的强度实验，飞行器才可以进行性能试飞等[8]。飞行器实验是验证飞行器结构强度是否合格，证明所选择结构形式是否合理、所用的强度计算方法是否正确及制造工艺是否满足要求的重要手段，同时也是确定强度特性、使用寿命和维护周期的重要依据。因此，飞行器实验力学为飞行器研制提供了不可缺少的基础和支撑作用，其意义主要体现在以下几个方面：
（1）为飞行器设计资料与设计工具提供试验数据；
（2）验证飞行器结构设计分析的方法和模型；
（3）为飞行器的首飞和持续试飞提供强度依据；
（4）为飞行器结构定寿延寿及编制维护大纲提供试验依据；
（5）是型号定型或适航取证的必要条件之一。
按照“积木式”研究验证体系进行分类，飞行器实验力学可分为材料/元件级、组件/部件级和全机实验力学。
（1）材料/元件级实验力学，主要通过提供基本数据位设计提供重要参考。
（2）组件/部件级实验力学，是主要的验证分析方法，目的是进行结构选型与验证新结构强度，通常采用真实的飞行负载开展实验，以确保装配之后的飞行器满足预期的设计要求。
（3）全机结构实验力学，主要验证结构强度与承载潜力，为飞行器设计、使用提供评估信息。数以百计加载设备作用在飞行器结构的不同位置，按照一定的时间顺序施加载荷，以获得不同载荷下结构的响应，例如着陆、起飞、加压和减压等。
航空航天工业经历了一百多年的发展历史，飞行器的飞行速度、高度、性能要求日益提高，与此同时，飞行器所经历的载荷、环境日益复杂，对飞行器实验力学提出了新的挑战。
（1）实验输入条件选取难： 飞行器飞行剖面包括起飞、巡航、降落等阶段，不同阶段、不同气象面临的载荷环境和气动特性不同，如何判断飞行包络线、如何在飞行包络线内选取合适的/*危险的实验工况，是需要依据相关的规范进行分析或实测的。
（2）多通道载荷协调控制难： 飞行器全机静力实验中，加载点多达数千，需要液压加载装置近百个，如何协调控制加载装置，保证载荷的可靠性和稳定性，是一大难题。早期的加载主要靠人工调节载荷的大小，对于多点加载的复杂载荷，是难以模拟和控制的。目前常用多通道协调电液伺服加载技术解决多通道载荷的协调性和加载精度。
（3）实验室模拟服役载荷难：以气动载荷为例，其是按照一定的自然规律分布在飞行器结构表面上，早期的飞行器全机静力实验采用站人、堆沙袋等方式，二战后开始采用液压加载装置，并分别发展出以美国为代表的硬式连接加载方法和以俄罗斯为代表的软式连接加载方法。但其对气动力的模拟精度仍然不足，仍需进一步发展服役载荷实验室精确模拟方法，例如气囊加载系统、新型拉压垫系统等。
（4）多通道同步触发测量
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