大國(guó)重器自主研發(fā)背后的一枚“螺絲釘”
——記天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院力學(xué)系教授張茜

孫雅琴

“農(nóng)業(yè)是立國(guó)之基，工業(yè)乃強(qiáng)國(guó)之本。”當(dāng)前階段，重型基礎(chǔ)裝備的科技含量已上升為大國(guó)博弈中不可或缺的利器，“智”造轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。在智能制造引領(lǐng)全球產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的背景下，向“智造”轉(zhuǎn)型，向“高端”升級(jí)，中國(guó)工業(yè)深諳順其“自然”的道理，更深知這其中創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)是關(guān)鍵。如今，隨著越來(lái)越多關(guān)鍵核心技術(shù)的攻克與突破，中國(guó)正在實(shí)現(xiàn)由中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變。如果說(shuō)中國(guó)正在用自己的方式，譜寫著一部工業(yè)崛起的樂(lè)章，那隧道掘進(jìn)裝備（簡(jiǎn)稱“盾構(gòu)”）的發(fā)展就如同一曲從民族工業(yè)血脈中迸發(fā)出的“強(qiáng)音”，在數(shù)年之間，持續(xù)向全球昭示著我國(guó)重器的飛躍式進(jìn)展。

“曾幾何時(shí)，我們的盾構(gòu)機(jī)只能從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴不說(shuō)，關(guān)鍵是技術(shù)受限。還好國(guó)家大力推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)的自主研發(fā)，讓我們不僅有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)機(jī)，還逐步占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并開始對(duì)外出口，成為真正意義上的‘盾構(gòu)大國(guó)’。”作為最早一批加入天津大學(xué)力學(xué)盾構(gòu)團(tuán)隊(duì)的骨干成員，機(jī)械學(xué)院力學(xué)系教授張茜談及自己所經(jīng)歷的產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)往，仍難掩振奮與自豪。

這是一支在先進(jìn)制造領(lǐng)域中拼搏多年的科技強(qiáng)軍。成軍數(shù)年，天津大學(xué)力學(xué)盾構(gòu)團(tuán)隊(duì)一直與中國(guó)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司等企業(yè)積極開展產(chǎn)學(xué)研合作，在掘進(jìn)載荷力學(xué)分析、核心部件服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、工程仿真數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方面已取得系列創(chuàng)新性成果：他們助力產(chǎn)業(yè)完成了“依賴進(jìn)口—合資加工—自主創(chuàng)新—占據(jù)市場(chǎng)”的突破鏈條，在由“0”到“1”的跨越式發(fā)展中作出了力學(xué)人的重要貢獻(xiàn)。而今，張茜仍躬體力行于實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域的研究道路之上，著力解決工程裝備自主研發(fā)瓶頸背后的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題。

勉力耕耘者

與手捧芭比娃娃的小女孩不同，幼年時(shí)張茜與工程類科學(xué)的緣分便已經(jīng)“初現(xiàn)端倪”——家中大大小小的機(jī)械設(shè)備幾乎都被她拆裝過(guò)一遍，錄音機(jī)、鬧鐘、電話……無(wú)一幸免。“我對(duì)這些東西的構(gòu)造原理充滿了好奇，從小就想弄明白錄音機(jī)為什么能出聲、電話為什么能接通。”帶著這一童年時(shí)種下的求知夢(mèng)想，當(dāng)張茜在高考填報(bào)志愿手冊(cè)上見(jiàn)到“工程力學(xué)”這一專業(yè)時(shí)，她直覺(jué)這就是自己的理想所在，“雖然當(dāng)時(shí)并不十分清楚這個(gè)專業(yè)的具體內(nèi)容究竟是什么，但可以肯定的是一定與工程科學(xué)有緊密關(guān)聯(lián)”，再加上自己對(duì)天津大學(xué)的獨(dú)特情感，一張用整個(gè)少年時(shí)代的埋首苦讀換來(lái)的錄取通知書足以讓她欣喜良久。

身為一名地道的天津人，張茜對(duì)母校的歷史沿革可謂如數(shù)家珍，對(duì)其的崇敬與向往之情也由來(lái)已久。作為我國(guó)近代高等教育史上建校最早的高等學(xué)府，天津大學(xué)自名為“北洋大學(xué)”的時(shí)代起，便奠定下了“興學(xué)強(qiáng)國(guó)”的使命與“愛(ài)國(guó)奉獻(xiàn)”的傳統(tǒng)。而后，歲月的車轍前行不息，我國(guó)科技事業(yè)的面貌日新月異，這所高校也在新時(shí)代的洪流之中逐漸形成了“實(shí)事求是”的校訓(xùn)、“嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)”的校風(fēng)及“矢志創(chuàng)新”的追求，直至今日，這些精神財(cái)富仍在代代相傳。在良好環(huán)境的熏陶之下，張茜奮發(fā)圖強(qiáng)，大學(xué)三年級(jí)便開始參與科研項(xiàng)目實(shí)踐，正是這段經(jīng)歷，讓她邂逅了極為重要的“引路之人”——亢一瀾教授。張茜說(shuō)：“她的很多理念，影響我一生。”

“我的學(xué)生都要勉力做好3件事：誠(chéng)懇做人、勤謹(jǐn)做事、踏實(shí)做學(xué)問(wèn)。”至今，張茜初見(jiàn)亢一瀾教授時(shí)所受的教誨仍回響于耳畔。

就在張茜成功獲得碩士博士學(xué)位順利留校任教期間，我國(guó)制造業(yè)的智能化發(fā)展雛形初具，學(xué)科交叉研究開展得如火如荼。作為較早一批投身相關(guān)研究的從業(yè)人員，張茜在承擔(dān)首個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目之時(shí)一度壓力巨大，“因?yàn)槟菚r(shí)像盾構(gòu)這類重器的力學(xué)參量智能化建模問(wèn)題，是沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)支撐的，所以項(xiàng)目一度很難推進(jìn)”。于是，在相關(guān)項(xiàng)目開展期間，醒了就開始研究分析，睡前還在思考實(shí)驗(yàn)的遺留問(wèn)題，成了張茜生活的常態(tài)。甚至在瓶頸期，她的夢(mèng)境都被各類數(shù)據(jù)、力學(xué)分析與模型占據(jù)。這種大腦“連軸轉(zhuǎn)”的生活一開始令她很是焦慮，但恩師的教誨連同家人的鼓勵(lì)，都化為了不竭的動(dòng)力，促使她迅速調(diào)整心態(tài)。“從打輔助到獨(dú)立上手，肯定是需要適應(yīng)過(guò)程的嘛。”那些挑燈夜戰(zhàn)、冥思苦想的夜晚在如今的張茜口中，只剩下寥寥幾句輕快的調(diào)侃。“不過(guò)，再難也從沒(méi)想過(guò)放棄。”這是她的底線，也是科研人員的骨氣。

靈感的迸發(fā)總在一瞬之間，就如同上帝在腦海里打了個(gè)響指。數(shù)年前的某天清晨，張茜連衣帽都來(lái)不及穿戴整齊，就匆匆忙忙往團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室趕，生怕腦內(nèi)的靈感火花突然熄滅……再幾個(gè)月后，一篇基于她想法的學(xué)術(shù)論文便得到了發(fā)表，這也正是近年來(lái)她取得核心成果的初代雛形。張茜說(shuō)理論的發(fā)現(xiàn)是源于她的運(yùn)氣，但其實(shí)，這是“勉力耕耘者，終有豐收時(shí)”的必然。

匠心追夢(mèng)人

盾構(gòu)機(jī)這類重型巨載裝備，聽(tīng)起來(lái)與日常生活相距甚遠(yuǎn)，但實(shí)際卻廣泛存在于你我身邊——常常被用于城市地鐵、高速公路和高鐵、水利、國(guó)防所需的地下隧道工程建設(shè)。而深入這只“鋼鐵巨獸”，其中掘進(jìn)載荷包括總推力與總扭矩是裝備的核心設(shè)計(jì)參量，一旦預(yù)估不準(zhǔn)或設(shè)定不當(dāng)，將可能導(dǎo)致裝備損壞、地表變形超限、地面建筑損毀等危害。我國(guó)是典型的地質(zhì)多樣性國(guó)家，施工過(guò)程很可能經(jīng)歷顯著的地質(zhì)變化，甚至穿過(guò)活動(dòng)斷裂帶等特殊地質(zhì)段，以及經(jīng)歷高埋深、高地應(yīng)力等惡劣地質(zhì)環(huán)境，這些都對(duì)掘進(jìn)裝備的載荷地質(zhì)適應(yīng)性調(diào)控提出了很高的要求。“如何準(zhǔn)確預(yù)估掘進(jìn)載荷”，這是業(yè)內(nèi)需通力解決的關(guān)卡之一。

以往，普遍使用的載荷預(yù)估方式主要是通過(guò)工程實(shí)踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)給出經(jīng)驗(yàn)公式，或是基于結(jié)構(gòu)加均布靜載再加安全閾值。但由于缺少對(duì)刀盤與巖土相互作用、掘進(jìn)速度響應(yīng)等關(guān)鍵力學(xué)要素的深入研究，掘進(jìn)載荷預(yù)估原有模型并不能具體反映地質(zhì)與操作變化對(duì)載荷的影響。簡(jiǎn)而言之，載荷參數(shù)預(yù)估不準(zhǔn)仍是亟待解決的突出問(wèn)題。為此，張茜先后作為技術(shù)骨干參與了國(guó)家“973”計(jì)劃、“863”計(jì)劃等多個(gè)重大科研項(xiàng)目，基于實(shí)驗(yàn)分析給出了盾構(gòu)刀盤載荷沿徑向非線性分布的新規(guī)律，引入了掘進(jìn)速度響應(yīng)等核心力學(xué)要素，建立了掘進(jìn)載荷力學(xué)預(yù)估新模型，并服務(wù)于國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)裝備自主研發(fā)及多個(gè)隧道工程的載荷正向設(shè)計(jì)中。

此外，近年來(lái)先進(jìn)制造、航天航空等領(lǐng)域發(fā)展迅速并與力學(xué)深度交叉，其中大工程系統(tǒng)的智能控制、大型結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)等對(duì)力學(xué)傳感檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析、智能建模提出了許多新的需求。如何順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，推動(dòng)力學(xué)測(cè)量和相關(guān)領(lǐng)域科技進(jìn)步是實(shí)驗(yàn)力學(xué)交叉發(fā)展的新空間和新機(jī)遇。在國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目“實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“全斷面隧道掘進(jìn)裝備運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)及智能終端研制”等項(xiàng)目的支撐下，張茜針對(duì)大型工程裝備控制參數(shù)智能建模問(wèn)題，提出了將力學(xué)分析融入信息技術(shù)并作為檢測(cè)數(shù)據(jù)分析的底層邏輯，以及取兩者之長(zhǎng)、使兩者融合的實(shí)驗(yàn)力學(xué)檢測(cè)信息分析的新路徑，并將方法應(yīng)用于多個(gè)隧道工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，建立了具有力學(xué)內(nèi)涵并貼近工程的掘進(jìn)載荷數(shù)據(jù)分析模型，具體給出了隨地質(zhì)和掘進(jìn)速度改變時(shí)不同主控模塊的占比變化，實(shí)現(xiàn)了可溯源的工程檢測(cè)大數(shù)據(jù)力學(xué)建模，突破了目前工程檢測(cè)數(shù)據(jù)可解釋性瓶頸。

“我還沒(méi)想過(guò)未來(lái)，也無(wú)需我多想。”張茜說(shuō)，對(duì)她而言，扎實(shí)走好腳下的每一步是更令她有成就感的事情，至于中國(guó)重裝智造工業(yè)的鵬程，她相信在無(wú)數(shù)匠心追夢(mèng)者的合作努力之下必定會(huì)到來(lái)。“在此期間，我扮演好‘螺絲釘’的角色就好了。”她笑著說(shuō)道。