大国重器自主研发背后的一枚“螺丝钉”——记天津大学机械学院力学系教授张茜

孙雅琴

“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中不可或缺的利器，“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，那隧道掘进装备（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。

这是一支在先进制造领域中拼搏多年的科技强军。成军数年，天津大学力学盾构团队一直与中国中铁工程装备集团有限公司、中国铁建重工集团股份有限公司等企业积极开展产学研合作，在掘进载荷力学分析、核心部件服役状态监测技术、工程仿真数字化实验方面已取得系列创新性成果：他们助力产业完成了“依赖进口—合资加工—自主创新—占据市场”的突破链条，在由“0”到“1”的跨越式发展中作出了力学人的重要贡献。而今，张茜仍躬体力行于实验力学领域的研究道路之上，着力解决工程装备自主研发瓶颈背后的关键力学问题。

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科学的缘分便已经“初现端倪”——家中大大小小的机械设备几乎都被她拆装过一遍，录音机、闹钟、电话……无一幸免。“我对这些东西的构造原理充满了好奇，从小就想弄明白录音机为什么能出声、电话为什么能接通。”带着这一童年时种下的求知梦想，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，便奠定下了“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。张茜说：“她的很多理念，影响我一生。”

“我的学生都要勉力做好3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。

就在张茜成功获得硕士博士学位顺利留校任教期间，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研究的从业人员，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问题，是没有足够的数据和行业经验来支撑的，所以项目一度很难推进”。于是，在相关项目开展期间，醒了就开始研究分析，睡前还在思考实验的遗留问题，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、力学分析与模型占据。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，就匆匆忙忙往团队实验室赶，生怕脑内的灵感火花突然熄灭……再几个月后，一篇基于她想法的学术论文便得到了发表，这也正是近年来她取得核心成果的初代雏形。张茜说理论的发现是源于她的运气，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——常常被用于城市地铁、高速公路和高铁、水利、国防所需的地下隧道工程建设。而深入这只“钢铁巨兽”，其中掘进载荷包括总推力与总扭矩是装备的核心设计参量，一旦预估不准或设定不当，将可能导致装备损坏、地表变形超限、地面建筑损毁等危害。我国是典型的地质多样性国家，施工过程很可能经历显著的地质变化，甚至穿过活动断裂带等特殊地质段，以及经历高埋深、高地应力等恶劣地质环境，这些都对掘进装备的载荷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，普遍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。但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，掘进载荷预估原有模型并不能具体反映地质与操作变化对载荷的影响。简而言之，载荷参数预估不准仍是亟待解决的突出问题。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，基于实验分析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，建立了掘进载荷力学预估新模型，并服务于国产盾构装备自主研发及多个隧道工程的载荷正向设计中。

此外，近年来先进制造、航天航空等领域发展迅速并与力学深度交叉，其中大工程系统的智能控制、大型结构的安全监测等对力学传感检测、数据分析、智能建模提出了许多新的需求。如何顺应时代发展，推动力学测量和相关领域科技进步是实验力学交叉发展的新空间和新机遇。在国家自然科学基金优青项目“实验固体力学”、国家重点研发计划“全断面隧道掘进装备运行服务平台及智能终端研制”等项目的支撑下，张茜针对大型工程装备控制参数智能建模问题，提出了将力学分析融入信息技术并作为检测数据分析的底层逻辑，以及取两者之长、使两者融合的实验力学检测信息分析的新路径，并将方法应用于多个隧道工程的现场实测数据分析，建立了具有力学内涵并贴近工程的掘进载荷数据分析模型，具体给出了随地质和掘进速度改变时不同主控模块的占比变化，实现了可溯源的工程检测大数据力学建模，突破了目前工程检测数据可解释性瓶颈。

“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，我扮演好‘螺丝钉’的角色就好了。”她笑着说道。