《热应力百科全书》简评[1]

杰拉尔德 毛嘉恩[2]

（皮埃尔和玛丽居里大学达朗贝尔研究所，巴黎75252，法国）

文？ 摘：由国际著名热应力专家R. B. Hetnarski教授主编的共11分卷、6643页（含3268个图，其中彩色图1141个）的热应力百科全书^[1]于2014年由荷兰Dordrecht的Springer公司出版，书号为 978-94-007-2738-0。国际著名力学家G. A. Maugin教授为此撰写了一个书评^[2]，原文发表在热应力杂志上（2015年第38卷271-275页）。在征得G. A. Maugin教授和R. B. Hetnarski教授的同意后，现将该书评翻译成中文发表，以期让更多从事热应力研究的学者和技术人员以及热衷于学习热应力知识的学生了解该百科全书，从而为他们后续的学习和研究提供方便。
关键词：热应力，百科全书，书评

Book Review of Encyclopedia of Thermal Stresses

G rard A. Maugin

Sorbonne Universit s

Universit Pierre et Marie Curie

Institut Jean Le Rond d’Alembert

Paris75252, France

Abstract: Encyclopedia of Thermal Stresses (ISBN: 978-94-007-2738-0), edited by Professor R. B. Hetnarski, the distinguished scholar in the area, was published in 2014 by Springer at Dordrecht, The Netherland. This masterpiece consists of 11 volumes, with 6643 pages and 3268 figures, among which 1141 figures are in color. Professor G. A. Maugin, the internationally known mechanician, wrote a nice review for the Encyclopedia, which was published in Journal of Thermal Stresses (2015, vol. 38, pages 271-275). With permissions both from Professors G. A. Maugin and R. B. Hetnarski, we translate the review, originally in English, into Chinese, which follows immediately. We hope that this will help the academic and technical researchers in the area of thermal stresses and the students who want to study the subject learn more about the Encyclopedia, and hence they will benefit greatly from it in their future study and research.
Key words: thermal stress; encyclopedia; book review

1 历史的缘起

1834年，杜哈梅（Jean-Marie-Constant Duhamel，1797-1872）在巴黎大学完成了其在数学方面的博士学位论文：“热的数学理论”（Th orie math matique de la chaleur）。该论文包括了自十九世纪二十年代晚期以来他在这一课题上所作的一系列工作。这是一项真正先驱性的工作，因为他将泊松（S. D. Poisson，1781-1840）和纳维（L. Navier，1785-1836）在弹性理论方面的最新工作与傅立叶（I. Fourier，1768-1830）在热方面的最新工作统合到同一个理论框架之中。从这个意义上说，这是第一个有关多场耦合的理论，其包括了连续介质力学和热效应。该理论是杜哈梅从一个纯数学家的角度建立起来的，几乎没有实验方面的考量。

杜哈梅的两篇划时代的论文分别于1932年和1937年正式发表在Journal de l’Ecole Polytechnique上。与杜哈梅不同，德国的诺依曼（Franz E. Neumann，1798-1895）既是一个理论家，也是一个天才的实验家。尤其是，诺依曼于1885年应用他的热弹性理论考察了应力作用下透明固体的双折射现象。这项工作也使他成为光弹性的创始人之一。他也比杜哈梅具有更直接的影响，因为他指导了众多学生，其中就包括沃伊特（Woldemar Voigt，1850-1919）。

沃伊特同他的老师一样对热弹性理论作出了重要的贡献，特别是明确地区分了晶体的等温变形和等熵变形。对迪昂（Pierre Duhem，1861-1916）这个充满热情的热力学研究者来说，将有限应变时弹性固体是否为热导体的不同可能条件进行清晰地界定是非常自然的。他将此结果应用于对热弹性材料中按照阿达马（Jacques Hadmard，1865-1963）的波前分类法定义的任意阶非连续波传播的独创性研究中。上个世纪六十年代，特鲁斯德尔（Clifford A. Truesdell，1919-2000）和其他作者，如科勒曼（Bernard D. Coleman，1929-）及其合作者，重新审视了这一问题。同时，布里渊（L on Brillouin，1889-1969）在上世纪二十年代也考察过这个问题，西格诺利尼（A. Signorini，1888-1963）则在上世纪四十年代对有限应变热弹性理论作了大量有意义的工作。

热弹性理论在十九世纪后期和二十世纪得到迅猛的发展既源于实际需求的推动，也得益于大量有用数学手段的涌现。就前者而言，铁路和航空工业中有很多承受高温的金属部件，在其使用时必须考虑热力耦合因素。这可以解释二十世纪四十年代以来获得了大量有关结构部件的特殊问题的（热弹性）解这一事实。而就后者而言，新发展的弹性理论的数学方法和数值求解技术在获取更一般情形下的热弹性理论解方面得到了直接而成功的应用。在最近的进展中，必须提及相变过程中的热力耦合的重要性，例如，金属热力学——该术语由井上达夫（Tatsuo Inoue）于1997年提出——已成为一个标准的应用领域。同样必须考察热效应与更为复杂的力学行为（如粘弹性、塑性、损伤）之间的耦合。另外，随着热效应在微机电（磁）系统（MEMS）的微型构件中的作用越来越重要，也需要在热弹性多场耦合理论中进一步包括电场和磁场的作用。最后，能预测热以有限速度传播的广义热传导和热弹性模型的出现也激发了针对这一多场耦合理论的更多的研究兴趣。

热弹性理论的上述动态及其在诸多方面的扩展，为《热应力百科全书》的出版提供了最坚实的基础。尽管完成这一宏大计划的时机已经成熟，但由谁牵头负责合适呢？为了回答这个问题，必须简单回顾一下二十世纪四十年代至二十世纪七十年代之间热弹性理论的成功扩展。在此期间，美国、奥地利、罗马尼亚、波兰和前苏联的科学家在该研究领域非常活跃，出版了一些先驱性的论著，包括1953年梅兰（Ernst Melan）和帕库斯（Heinz Parkus）^[3]，1959年帕库斯^[4]，1960年博利（Bruno A. Boley）和维纳（Jerome H. Weiner）^[5]，1960年查德威克（Peter Chadwick）^[6]，1962年诺瓦斯基（Witold Nowacki）^[7]和1968年帕库斯^[8]。其中，我们必须强调以诺瓦斯基为核心的波兰学派的重要贡献。

诺瓦斯基培养了一批杰出的学生，其中包括理查德 赫纳斯基（Richard B. Hetnarski）。移居美国的理查德精力旺盛，为热弹性力学领域作出了全方位的贡献，包括创立了一个专门的学术期刊Journal of Thermal Stresses，发起了一个系列国际学术大会，即International Congress on Thermal Stresses[3]，以及同样重要的是，在他个人出版了长篇幅的热弹性理论的书籍（包括一系列于1986-1999年间编辑出版的有关热应力的系列手册和百科全书式文集^[9-13]，以及分别于2004、2009、2011和2013年[4]出版的专著^[14-17]）之后，决定投身于编辑出版这一全新的令人敬畏的百科全书。这无疑是一个极具挑战性的任务，我们中的绝大多数人将承担不起，因为我们没有和理查德一样的激情与能力。他独具对该领域的高屋建瓴的把握能力。该宏大计划仅从体量上讲就非同寻常和令人称奇。其结果是，这一精装的可供参考的巨作超过了6600页，有3300张图和370个表，分布于总共11分卷之中。

即使仅简单描述这一巨作的目的和内容也存在着困难，因为目前还没有人能够掌握热应力科学的所有方面，包括从严密的物理基础到非常复杂的数学技巧，实验手段和计算方法。评阅人承认自己有很多的局限性，只能向读者保证自己研读了由Springer慷慨赠送的所有分卷，当然阅读时的注意力和理解力难免有所变化。事实上，我在2014年的最后三个月内利用部分闲暇时间或仔细或者粗略地阅读了这一百科全书中的很多条目或章节，确实学到了该领域的以前未曾知晓的很多知识点。

2 百科全书的概念

首先必须弄明白什么是百科全书（Encyclopaedia）。第一个广为人知的百科全书是法国十八世纪中叶（1746－1772）由狄德罗（Denis Diderot，1713-1784）和达朗贝尔（Jean Le Rond d’Alembert，1717-1783）主编的大百科全书（Grand Encyclop die），一共有25分卷文本和11分卷插图。大百科全书汇总了当时所有的知识，包括所有艺术、科学、工业、专业技术和哲学等，并以较为合理的方式呈现给读者，以起到启迪的作用。所有条目都是被允许发表的，甚至包括那些质疑已得到承认的政治理论和流行的宗教观点。此大百科全书效法了早些时候在英国出版的由钱伯斯（Ephraim Chambers，1680-1740）主编的较小规模的百科全书。

从科学的严格观点看，德国人才是出版此类巨作的专家。其中最为突出的成就当属德国数学百科全书（Encyklop？die der mathematischen Wissenschaften mit Einschluss ihrer Anwendungen，简称Enz. Math. Wiss.或者EmW），由莱比锡的B. G. Teubner于1907－1914年间出版，主编为克莱因（Felix Klein，1849-1925）和穆勒（Conrad H. M ller）。其中的许多长篇论述质量非凡，包括第四卷力学中的许多优美论文，尤其是由海林格（Ernst Hellinger，1883-1950）撰写的关于连续介质力学的文章。物理学方面，由盖革（Hans Geiger，1882-1945）和谢尔（Karl Scheel，1866-1936）作主编的物理学手册（Handbuch der Physik）于1926-1933年间由Julius Springer出版。

德国人发扬了这一传统：Springer于1955-1988年间出版了由弗吕格（Siegfried Fl gge，1912-1997）为主编的新系列的物理学手册。力学方面的文章特别璀璨夺目和广博全面，衬托出特鲁斯德尔、托宾（Richard Toupin, 1926-）、诺尔（Walter Noll，1925-）等撰写者的鲜明大师气质。这些论文都比较长，甚至可以说是巨大——特鲁斯德尔和托宾的论文大约有630页，而贝尔（J. F. Bell）关于实验力学的一文则有778页。看上去赫纳斯基在主编本热应力百科全书（简称为ETS）时采用了一个不同的策略。在29个分项编辑的帮助下，超过600个作者共贡献了700多个条目。作者可自由地确定条目的主题、题目和学术标准[5]，从教科书似的类型和较初等数学演示到方法上的详细阐述，直至领域中最前沿的发人深省的研究方案。这或许构成了这一皇皇巨著除了其广度之外的特殊品位。

3 此百科全书的内容

读者喜欢庞大和丰富的内容的关键在何处？让我们稍微偏离此主题，关注一下如下故事。在评阅人年轻的时候，他特别喜欢巴黎的一个巨大的百货商店莎马丽丹（Samaritaine），它拥有塞纳河和著名的里沃利街（Rue de Rivoli）之间的一个六层大楼。它比纽约市的梅西百货公司（Macy’s）大得多，尽管后者声称是世界上最大的商店。Samaritaine这一名称让人想起福音书（Gospel）中的人物[6]，但事实上其精确来源于如下事实，即早期该地区有一个水厂，将塞纳河中的水经过处理后，为巴黎人提供饮用水。

就像好心人（Good Samaritan）一样，莎马丽丹百货商店货物十分丰富，供给着家里或者花园中所需的任何物品，包括任一商标的所有器具，产品，备件，织品，饰物配料，男人、女人和小孩服装，所有年龄段的玩具，等等。对我这样的小孩来说，所有雇员看上去都很老。这不纯粹是一个基于视觉外表的判定。他们就是老。其原因是，该商店以类似于合作企业的方式运营，因此每一雇员都关注商店的良好运作，参与利润的分享，并一直工作至退休。

现在，就像巴黎的莎马丽丹百货一样，热应力百科全书为其读者和作者提供了他们专业上所需的所有知识和内容，以及有一份为学术共同体履行职责后的伟大感觉。真的，你可以从中发现有关热弹性理论，热非弹性理论和更为复杂的多场耦合（包括已被广泛研究的具有有限热传播速度的广义热弹性理论）方面的所有理论、实验和计算方面的知识。这是对读者的报答和对所有人的恩施。事实上，很难在本书中找不到令你感兴趣的东西。

全书包括基础的数学演示和改进的高等数学方法，热力学定律的简单表达和连续介质热力学[7]复杂而抽象的介绍，对应特定热弹性结构（杆、板、壳）问题的数量惊人的解答，对应不同尺度的材料和实用装置（微观的，纳观的）的各种现代应用，各种类型的实验设备，以及发展至最近几年的大量数值应用软件等。尽管百科全书涵盖了历史的发展、概括的综述性观点和现在已是经典的方法，但我们也注意到其中也包含了相关方面的最新发展，如智能结构的热弹性理论、包装工程中的问题，激光致热引起的热应力，以及热非弹性理论和损伤等。这些内容是极为有价值的。

但与莎马丽丹百货的雇员不同的是，本百科全书的作者代表了几乎所有年龄段。另外，我们从来没有见到来自世界上各个国家如此广泛参与的现象。与一些相似类型的巨作不同的是，该书的作者来自不同的学科和地理区域。怀着普世主义价值观，主编为这一巨作召集了不仅来自美国、加拿大、西欧和其对热弹性理论贡献巨大的祖国——波兰，而且来自巴尔干国家、东欧、前苏联各加盟共和国、中东、印度、日本、韩国和中国，以及来自非洲，南美和澳大利亚等国家的作者们。这是一项壮举，具有相当的示范效应。显然，没有东西可以十全十美，我们也没有必要隐藏我们的一些看法。例如，有些作者未能完全抓住百科全书的本质，而给出了非必要的数学求解细节，特别是在考虑各种结构构件的应用或者处理不同情形下的失稳和屈曲时。另外，一些作者以正式杂志论文的形式来撰写他们的条目，而且不少工作过分密切地依赖于发表在Journal of Thermal Stresses上的论文。但这些不足与整套百科全书带给学术共同体的好处相比应是可予以忽略的。

庞大的印刷版百科全书值得所有与应用物理和工程科学有关的图书馆收藏，为此需准备好坚固的书架！而个人和更现代的学生也许更喜欢电子查阅经慎重选择过的部分。该书适合于任何人——包括本科生和研究生、学者、工程师和其他专业技术人员都能发现其所需要的东西。这一百科全书具有无以伦比的充足信息，一定能够成为我们在热应力领域一个重要的参考工具。

参考文献[8]：

[1]？？ Hetnarski RB. Encyclopedia of Thermal Stresses. Dordrecht: Springer, 2014
[2]？？ Maugin G A. Book review. Journal of Thermal Stresses, 38: 271-275, 2015.
[3]？？ Melan E, Parkus H. W？rmespannungen: Infolge Station？rer Temperaturfelder. Wien: Springer, 1953.
[4]？？ Parkus H. Instation？re W？rmespannungen. Wien: Springer, 1959.
[5]？？ Boley BA, Weiner JH. Theory of Thermal Stresses. New York: Wiley. 1960.
[6]？？ Chadwick P. Thermoelasticity - the dynamic theory. In: Sneddon I N, Hill R. (eds) Progress in Solid Mechanics, Vol. I. Amsterdam: North-Holland, 1960. 263-328.
[7]？？ Nowacki W. Thermoelasticity. Massachusetts: Addison-Wesley, 1962.
[8]？？ Parkus H. Thermoelasticity. Wien: Springer, 1968.
[9]？？ Hetnarski RB. (eds) Thermal Stresses I. Amsterdam: North-Holland, 1986.
[10] Hetnarski RB. (eds) Ther