同济大学航空航天与力学学院教授孙秀婷聚力隔振理论与技术研究 解决实践中的技术难题

■ 文/谭云川

随着生产技术的发展和生活水平的提高，人们对于振动控制也提出了更高的要求。隔振理论与技术实现的创新研究一直都是学术界和工程界关注的热点，其面临的挑战性问题是如何获得宽频隔振带和实现多方向的隔振。

同济大学航空航天与力学学院教授孙秀婷，多年来一直致力于时滞控制低频非线性隔振器结构设计、动力学分析和实验平台的研发。除此之外，在动力学与控制学科领域，孙秀婷还获得国家自然科学基金优秀青年项目资助，主持国家自然科学基金面上项目1项，青年项目1项，省部级面上项目1项，参与国家自然科学基金重点项目等多项科研项目，并入选2018年第四届中国科协青年托举人才项目和2016年上海市青年科技英才扬帆计划项目。

潜心笃志 求学路上的追梦者

孙秀婷出生于上海的一个传统大家庭中。孙秀婷回忆道，她的父辈因为时代原因没有受过高等教育，在她儿时印象中，父辈们由于没有学历的加持，每天只能从事简单重复性的工作，家中时常能听到他们对于未来生活的担心以及工作发展的无奈。为此，孙秀婷便暗下决心要发奋读书，用知识改变自己的命运。2005年，她顺利考入了同济大学工程力学系，本科学习期间孙秀婷就对理论力学、振动力学等课程产生了浓厚的兴趣。之后，孙秀婷又以优异的成绩获得直博资格，毅然决然报考了导师徐鉴教授开展的非线性振动抑制的研究，加入了动力学与控制研究团队。

孙秀婷回忆道，徐鉴教授并没有因为孙秀婷是女生而区别对待，反而对男女学生的培养一视同仁，同样严格。无论是课题选取、各类考核，还是未来规划上，徐鉴教授对他们都给予了最大的支持与鼓励。读博期间，徐鉴教授给了孙秀婷联合培养双博士的机会，让她有幸进入香港理工大学攻读博士学位。2015年，孙秀婷获得两校双博士学位后进入上海理工大学力学教研室任职。2019年，孙秀婷通过全球招聘进入同济大学航空航天与力学学院任教授。

满怀着对高学历的憧憬与向往，孙秀婷如愿进入了更高的学府，学习了更深层次的知识。同时，孙秀婷也逐渐从科学探索中找到了乐趣，并激发了她对科研工作的热情。孙秀婷说，那时她接触到了一大批优秀的女性，从师母到师姐，看到她们对自己事业的辛勤耕耘、对于科研探索的热爱与执着，对孙秀婷触动很大，并受到了潜移默化的影响。在孙秀婷看来，女性在科学研究上更具有细心、认真、耐心等品质，这也正是科研之路上必不可少的优秀特质。

心怀使命 科研路上的坚持者

孙秀婷坦言，多年来能让她始终坚持在一线做科研工作，源于3个动力。

第一，国家对于科研人员的迫切渴求。“实践告诉我们，国际先进技术、关键技术越来越难以获得，必须把创新主动权、发展权和关键核心技术掌握在自己手中。为此，更需要科研人员能够沉下心来，潜心研究。”近年来，上海科委对于航空航天、光刻机、芯片、自动化等多个领域的投入，对于“卡脖子”技术的强烈关注，不但给了孙秀婷他们技术成果应用的平台，而且有效地提升了科研人员的自信。

第二，自己的科研楷模徐鉴教授。徐鉴教授作为国家杰青、动力学与控制领域学术带头人，其学风严谨、勇于创新，至今仍保持一线科研工作状态，积极参加各种学术会议，还会抽时间定期指导孙秀婷团队的发展。徐鉴教授对于前沿和关键问题的把握，更是极具敏感性和准确性，让孙秀婷敬佩不已。

第三，身边人的影响。孙秀婷记得，她第一次走进香港理工大学的声学实验室。当时实验室有一个为隔声降噪实验搭建的隔音间，在隔音间内任何声音都会被厚厚的波浪型海绵吸收。当时她在隔音间里待了10来分钟就觉得非常难受，她却发现一个本科交流生在隔音间里做实验，一做就是两个多小时，让她看到了身为科研人员最基本的素质，这件小事也让她至今记忆犹新。

苦心孤诣 勇攀高峰的奋斗者

每一项科研成果的取得，都离不开背后辛勤汗水的浇灌。历经近10年持续不断的科研攻关，孙秀婷的创新成果丰富并拓展了非线性动力学与控制相关的基础理论和应用范围，为进一步实现对结构振动抑制的智能调控奠定了基础。此外，孙秀婷在动力学与控制学科领域的国际著名权威期刊发表多篇论文，这些创新性成果还得到了同行的高度评价。

其学术成果的创新性主要是基于仿生的思想，实现了一种新型可推广于多方向的非线性被动隔振结构，通过几何非线性实现高静低动特性，在一定条件下其隔振效果优于准零刚度隔振结构；提出了一类时滞控制低频非线性隔振系统，揭示了时滞和非线性共同作用下的隔振系统动力学转迁过程，明确了时滞、非线性等因素的控制机理；基于动力学分类分析和转迁过程，建立结构参数与多个低频隔振指标之间的关系，提出结构和控制的优化准则。同时，孙秀婷的学术贡献也获得了动力学与控制领域国内外专家学者的一致认可。

孙秀婷介绍，随着工程结构的大型化和复杂化，低频振动甚至是超低频振动出现在各种实际工程结构中。例如，航天结构大尺寸太阳帆板和天线的基频出现在10E-2Hz量级，在姿态切换时所施加的驱动会引起结构低频或超低频振动；大跨度桥梁结构在外部环境激励下会产生基频在10E-1Hz量级的振动。在载运装备的研究中发现，小于1Hz的极超低频或低频率晃动会引起晕船，而在4~8Hz横向振动中晕车反应时常出现。抑制这种类型的振动手段之一是进行振动隔离。然而，在经典的线性隔振理论分析下的隔振结构已经不能满足对振动隔离的需求。首先，与中高频基频结构不同，在超低频或低频诱发的振动中，结构更容易出现超大幅值响应从而形成非线性振动；其次，线性隔振结构的有效隔振频带起始于结构固有频率，如果要降低隔振频带，就必须降低隔振结构的刚度，导致隔振结构承载能力下降，这与工程结构对承载力的需求相悖。因此，创新振动隔离结构设计是解决问题的关键，也是一项具有挑战性的工作。

此外，孙秀婷通过观察发现自然界中哺乳动物、鸟禽类、人类的腿部在强冲击和大振幅环境时变激励下能实现瞬时稳定和振动隔离，其骨骼构型、关节和肌肉的协调动作不但能够在静态环境下提供静态承载能力，而且可以提供大范围频带内的振动隔离。究其原因是关节的柔性和角度的调节给垂直方向提供了可调节的负刚度和非线性刚度，受此启发，设计了新的振动隔离结构，该结构有别于静态的“准零刚度”结构，形成了“结构具备可调节性”为特色的学术贡献，为结构进一步智能化提供了结构设计基础。提出并设计了以负刚度和非线性刚度可调性为特征的单/多方向新型仿生低宽频隔振构型，建立了仿鸟腿隔振结构动力学模型，突破了线性隔振器有效隔振带宽的限制瓶颈，不但可以在多方向实现对确定的低频和超低频振动隔离，也可以在主要方向上实现在一定带宽上低频和超低频的振动隔离，体现出仿生-力学结构-功能实现一体化的结构设计特色。

孙秀婷构建的新型仿生振动隔离的结构，突破了线性隔振器振动隔离有效频带的限制，其理论机理需要得到明确，特别是这种新型结构以调节负刚度和非线性刚度为特征，为新型隔振结构工作机理的认知和解析带来很大挑战。其难点是需要避免大振幅振动和几何非线性诱发的多稳态、分岔等非线性失稳，突破的关键在于在低宽频环境下，协同和创新多种解析分析方法，认识主结构参数、仿生结构参数和激励参数对非线性动力学行为的转迁及多种动态行为共存的影响规律，并对隔振性能指标进行综合优化。因此，孙秀婷首先建立被隔振主体结构与仿生结构可调性参数之间的关联性，从理论上综合解析结构参数和激励参数对低频带宽振动隔离有效性的影响机理；其次，从结构稳定性和Lyapunov稳定性两个方面，提供仿生非线性隔振结构可以稳定工作的参数判据；最后，针对工程结构对振动抑制速度和精度的需求，需要建立对干扰和误差进行分析和补偿的优化判据。

这些研究初步形成了新型仿生低宽频隔振结构参数设计准则，丰富并深化了以非线性动力学理论为基础的动力学设计内涵，基于力学原理为工程应用提供了设计基础并对自然规律提出了见解和认知。

长相清秀的孙秀婷，让你很难把她与科学家三个字联系起来。一个女人事业上的成功，除了自身努力之外，更离不开家人的支持，这才让孙秀婷可以心无旁骛地投入到科研和教学工作中。孙秀婷坦言，她的家庭生活与工作之间没有出现过特别严重的矛盾，但家庭琐事与工作时间发生冲突在所难免。每当这时，孙秀婷的处理方式很简单。她说：“如果能够事先预判到这样的冲突存在，那我会提前做好准备；但如果是临时安排，我会优先选择把工作上的问题处理好。”

谈及未来发展，孙秀婷说以她的一家之言，对于动力学与控制领域未来的发展具有局限性。总的来说，动力学与控制领域的研究对象会更复杂更广，基于现阶段发展迅猛的数据驱动算法，动力学与控制领域的发展将为复杂系统动力学分析、人机交互的动力学协同问题、机器人与环境共融问题提供基础和指导。而她个人重点方向主要放在仿生智能结构的动力学与控制问题上。研究重点将放在仿生柔性变刚度结构的强非线性动力学分析方法和多自由度智能变刚度柔性结构的智能调控控制方法上。

如果说新时代是奋斗者的时代，那么孙秀婷就是科研路上的奋斗者。孙秀婷深知，选择了科研就意味着还有很多未知需要探索，还有哪些不可能将会变为可能呢？她相信不久的将来，科技创新会给出一个个满意的答案。