大国重器自主研发背后的一枚“螺丝钉”——记天津大学机械工程学院力学系教授张茜

农业是立国之基，工业乃强国之本。当前阶段，重型基础装备的科技含量已上升为大国博弈的焦点，“智”造转型势在必行。在智能制造引领全球产业转型升级的背景下，向“智造”转型，向“高端”升级，中国工业深谙顺其自然的道理，更深知这其中创新驱动是关键。如今，随着越来越多关键核心技术的攻克与突破，中国正在实现由中国制造向中国创造的转变。如果说中国正在用自己的方式，谱写着一部工业崛起的乐章，那全断面隧道掘进机（简称“盾构”）的发展就如同一曲从民族工业血脉中迸发出的“强音”，在数年之间，持续向全球昭示着我国重器的飞跃式进展。

“曾几何时，我们的盾构机只能从国外进口，价格昂贵不说，关键是技术受限。还好国家大力推动盾构机的自主研发，让我们不仅有了自主知识产权的盾构机，还逐步占领了国内市场，并开始对外出口，成为真正意义上的‘盾构大国’。”作为最早一批加入天津大学力学盾构团队的骨干成员，机械学院力学系教授张茜谈及自己所经历的产业发展过往，仍难掩振奋与自豪。

力学是大工程领域的科学基础，工程装备设计制造中很多瓶颈技术的突破往往都离不开对其中关键力学问题的攻坚克难。盾构机的自主研发是国家在先进制造领域的重大需求，在一批重大科研项目支撑下，业内已逐步形成由多家国内知名高校和装备制造企业组成的产业联盟，力学工作者积极加入其中。近年来天津大学力学盾构团队在掘进载荷力学分析、核心部件服役状态监测、工程仿真数字化实验等方面取得了系列创新性成果，在国产盾构“依赖进口—合资加工—自主创新—占据市场”的跨越式发展中作出了力学人的重要贡献。盾构与力学关系很大，力学家与机械工程师协同合作，挖起洞来便事半功倍，他们共同导引出了一条地下的“力之大道”。而今，张茜身在其列，躬身力行于这条道路之上，着力解决着装备设计制造背后的基础力学问题。

张茜

勉力耕耘者

与手捧芭比娃娃的小女孩不同，幼年时张茜与工程类学科的缘分便已经“初现端倪”——家中大大小小的机械设备几乎都被她拆装过不止一遍，录音机、闹钟、电话……无一幸免。“我对这些东西的构造和原理充满了好奇，从小就想弄明白录音机为什么能出声、电话为什么能接通。”带着这颗童年时种下的求知种子，当张茜在高考填报志愿手册上见到“工程力学”这一专业时，她直觉这就是自己的理想所在。“虽然当时并不十分清楚这个专业的具体内容究竟是什么，但可以肯定的是一定与工程科学有紧密关联。”再加上自己对天津大学的独特情感，一张用整个少年时代的埋首苦读换来的录取通知书足以让她欣喜良久。

身为一名地道的天津人，张茜对母校的历史沿革可谓如数家珍，对其的崇敬与向往之情也由来已久。作为我国近代高等教育史上建校最早的高等学府，天津大学自名为“北洋大学”的时代起，便奠定了“兴学强国”的使命与“爱国奉献”的传统。而后，岁月的车辙前行不息，我国科技事业的面貌日新月异，这所高校也在新时代的洪流之中逐渐形成了“实事求是”的校训、“严谨治学”的校风及“矢志创新”的追求。直至今日，这些精神财富仍在代代相传。在良好环境的熏陶之下，张茜奋发图强，大学三年级便开始参与科研项目实践，正是这段经历，让她邂逅了极为重要的“引路之人”——亢一澜教授，“她的很多理念，将会影响我一生”。

“我的学生都要勉力做好三件事：诚恳做人、勤谨做事、踏实做学问。”至今，张茜初见亢一澜教授时所受的教诲仍回响于耳畔。

就在张茜成功获得博士学位留校任教期间，我国制造业的智能化发展雏形初具，学科交叉研究开展得如火如荼。作为较早一批投身相关领域的科研人员，张茜在承担首个国家自然科学基金青年基金项目之时一度压力巨大，“因为那时像盾构这类重器的力学参量智能化建模等新问题，是缺乏足够的数据和行业经验来支撑的，所以项目推进过程十分艰难。”于是，在项目开展期间，醒了就开始研究分析，睡前还在思考遗留问题，成了张茜生活的常态。甚至在瓶颈期，她的梦境都被各类数据分析与力学模型占据。这种大脑“连轴转”的生活一开始令她很是焦虑，但恩师的教诲连同家人的鼓励，都化为了不竭的动力，促使她迅速调整心态。“从打辅助到独立上手，肯定是需要适应过程的嘛。”那些挑灯夜战、冥思苦想的夜晚在如今的张茜口中，只剩下寥寥几句轻快的调侃。“不过，再难也从没想过放弃。”这是她的底线，也是科研人员的骨气。

灵感的迸发总在一瞬之间，就如同上帝在脑海里打了个响指。数年前的某天清晨，张茜连衣帽都来不及穿戴整齐，就匆匆忙忙往实验室赶，生怕脑内的灵感火花突然熄灭……几个月后，一篇基于她想法的学术论文便成形并得到发表，这也正是近年来她所取得核心成果的初代雏形。张茜说新想法的萌发是源于她的运气，但其实，这是“勉力耕耘者，终有丰收时”的必然。

匠心追梦人

盾构机这类重型巨载装备，听起来与日常生活相距甚远，但实际却广泛存在于你我身边——它常常被用于城市地铁、高速公路铁路、水利工程及国防所需的各类地下隧道建设。深入这只“钢铁巨兽”，掘进载荷是装备的核心设计参量之一，如果预估不准或调控不当，将可能导致装备损坏、地表变形超限甚至地面建筑损毁。我国幅员辽阔、地质复杂多变，对装备掘进载荷的地质适应性调控提出了很高的要求。“如何准确预估掘进载荷”，这是业内需通力解决的关卡之一。以往，工程中常使用的载荷预估方式主要是通过工程实践数据统计给出经验公式，或是基于结构加均布静载再加安全阈值方式估算。由于缺少对刀盘与岩土相互作用、掘进速度响应等关键力学要素的深入研究，原有掘进载荷预估方法难以具体反映地质与操作变化对载荷的影响。掘进载荷预估不准是国产盾构自主研发面临的突出问题之一，其背后是对基础力学研究提出的需求和挑战。为此，张茜先后作为技术骨干参与了国家“973”计划、“863”计划等多个重大科研项目，给出了盾构刀盘载荷沿径向非线性分布的新规律，引入了掘进速度响应等核心力学要素的影响，建立了掘进载荷力学预估新模型，并服务于国产盾构自主设计及多个隧道工程的载荷预估。

此外，近年来智能制造等领域发展迅速并与力学深度交叉，对力学数据分析与智能建模不断提出新的需求。在国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划等科研项目的持续支持下，张茜针对大型工程装备关键控制量的力学建模问题，建立了将力学知识与信息技术相互融合的实验力学检测数据分析新方法，并将其应用于隧道工程实测数据分析，建立了具有力学内涵并贴近工程的掘进控制参数力学反演模型，旨在实现可溯源的工程检测数据力学建模，突破目前工程检测数据分析的可解释性瓶颈。

“我还没想过未来，也无需我多想。”张茜说，对她而言，扎实走好脚下的每一步是更令她有成就感的事情，至于中国重装智造工业的鹏程，她相信在无数匠心追梦者的合作努力之下必定会到来。“在此期间，我就扮演好‘螺丝钉’的角色就好了。”她笑着说道。（供稿：科学中国人杂志 孙雅琴）