固本求源樹育人情懷頂天立地展力學魅力

莊茁，清華大學航天航空學院教授，先進力學與材料中心主任，原國防“973”項目首席科學家。1995年獲愛爾蘭國立大學都柏林大學院博士學位，2017年獲英國斯旺西大學榮譽博士學位。在動態(tài)斷裂力學、非線性有限元和亞微米尺度晶體塑性的理論和計算等方面做出國際領(lǐng)先的科學成果；在飛機穿蓋彈射救生系統(tǒng)、西氣東輸管線韌性止裂和頁巖水力壓裂體積改造等國家重大工程中做出重要的技術(shù)成果。培養(yǎng)博士研究生34名和碩士研究生36名。發(fā)表學術(shù)論文280余篇，含SCI期刊130余篇；出版圖書17部，含專著3部（英文1部）、編著9部和譯著5部。論文和著作他引6000余次。獲得國家級和省部級的科技和教育成果獎勵10余項，全國優(yōu)秀科技工作者，享受國務院政府特殊津貼。北京市科協(xié)委員，北京力學會理事長。中國力學學會常務理事、計算力學專業(yè)委員會主任委員。國際計算力學學會理事。教育部高等學校力學類專業(yè)教學指導委員會副主任委員。

2014年9月，在清華大學禮堂舉行的學校第十四屆研究生“良師益友”的頒獎晚會現(xiàn)場，主持人邀請“良師益友特別獎”獲得者莊茁登上頒獎臺，接著邀請頒獎嘉賓黃克智院士上臺。87歲高齡的黃院士拿出了中國科學院給他配發(fā)的高齡院士專用手機，說這部手機只要按一個特定按鈕，就會給緊急聯(lián)系人撥通帶有定位信息的電話，“手機上僅有兩位緊急聯(lián)系人，第一位是我的夫人，另一位就是我的學生——莊茁。他學問做得好，為人好，在我所帶過的學生中管理工作也是做得最好的……”黃先生的特殊頒獎詞博得了全場師生的熱烈掌聲。

莊茁早年在土木工程和結(jié)構(gòu)力學領(lǐng)域研究深造，1995年在愛爾蘭國立都柏林大學博士畢業(yè)學成回國，成為巍巍學府、水木清華中的清華人。他全身心投入到固體力學、斷裂力學和非線性有限元的科研和教學工作，2005-2012年擔任航天航空學院黨委書記，歷經(jīng)幾十年崢嶸建樹，起于力學，又向“天”“地”拓展，融入在清華工程力學和航空航天學科的深厚底蘊和飛速發(fā)展潮流中，注定了他要與時代同行，擔當責任。

從不言棄砥礪前行——由淺入深感悟力學之美

“給我一個支點，我將撬起整個地球。”2000多年以前，阿基米德一句名言盡顯了力學的神奇魅力。

力學之美在哪里？在莊茁看來，力學是一門技術(shù)基礎科學，有它作為基點，其他工科都可以實現(xiàn)觸類旁通。力無形，迫萬物以動，力學應用于研究大尺度的各種建筑結(jié)構(gòu)或者機械設備；也應用于研究小尺度的各種材料和電子器件，研究它們的強度、剛度和穩(wěn)定等基本力學性能。力學在空天、土木、能源、交通、環(huán)境、海洋等領(lǐng)域的應用中大放異彩。

雖然對如今研究的學科愛之深切，但莊茁坦言并非早有立志學習力學。他成長在“文革”動亂的年代，經(jīng)歷過1968-1974年的“上山下鄉(xiāng)”洗禮，他對每一次學習的機會都倍感珍惜。所以，當他有機會到沈陽建筑大學學習土木工程的時候，雖然與兒時的清華夢有一定的距離，但他依然欣然前往。在專業(yè)學習的過程中，他漸漸領(lǐng)略到力學的神奇魅力，篤定選擇了繼續(xù)攀爬象牙塔，到重慶大學攻讀結(jié)構(gòu)力學碩士學位，從此開啟他與力學30多年的情緣。

莊茁始終是一個積極進取的人。在其內(nèi)心深處，有一顆不屈向上的心鞭策著他一路向前求索。在重慶大學讀研的時候，一次導師帶他到清華找力學大師黃克智教授和徐秉業(yè)教授咨詢問題。因為他是學生，導師以他沒有資格直接面見大師為由把他留在了賓館里。內(nèi)心倔強的莊茁當時就暗下決心：早晚會有資格，但我一定要努力。

20世紀80年代末，在出國潮尚未涌動之前，莊茁就已經(jīng)計劃遠跨重洋去追尋可以攻玉的他山之石。1991年，他被公派前往愛爾蘭國立都柏林大學攻讀博士學位，與許多出國留學生不同，他是一開始就抱著要學成回國的心態(tài)出去的，“總想這一生應該給祖國做些貢獻”。

但這一路“洋插隊”并不容易，世上沒有免費的午餐。在西方，人們形容做博士論文的過程是走入幾乎看不見盡頭的長長隧道，唯有克服困難，堅忍不拔者才能成功。除了專業(yè)上的學習，他還面臨著語言關(guān)，為早日將這一難關(guān)攻克，他白天與學校師生交流，晚上堅持面對電視節(jié)目跟著播音員練口語，而這些也只是他出國生活的一點花絮。聰明加之勤奮，功夫不負有心人，1995年9月他終于完成了博士論文的研究工作，寫出了270頁的論文，編寫了近萬條的計算機程序，通過了由英國帝國理工學院和愛爾蘭國立大學兩國教授組成的答辯委員會的答辯，獲得了愛爾蘭國立大學博士學位。

4年的留學生活使他認識到，祖國太需要學有所成的人回來建設，在國外能夠得到的在國內(nèi)暫時得不到，而在國內(nèi)能夠得到的在國外永遠得不到。回國前的一個月，莊茁完成了一件埋藏在他心底多年的心愿：給清華黃克智院士寫了一封求職信，介紹了自己的基本情況，并表達了能夠直接聆聽黃先生教誨的愿望。沒想到很快就收到了黃先生的熱情回信。這封回信更激發(fā)了莊茁回國工作的熱情，他毅然踏上了歸國之路，圓夢清華。

彼時的清華園內(nèi)，在錢學森、錢偉長、張維、杜慶華、黃克智、王永志院士和楊衛(wèi)院士等幾代清華人的辛勤耕耘下，工程力學系已經(jīng)成為中國力學界、工程熱物理界的翹楚，在”兩彈一星”“載人航天”等重大科技工程中發(fā)揮了重要作用，為推動我國經(jīng)濟和國防建設做出了重大貢獻。沐浴在清華得天獨厚的優(yōu)良環(huán)境下，立足自身積累和優(yōu)勢，莊茁在清華開啟了新的征程——

固本求源頂天立地——聚焦科研結(jié)碩果

20世紀力學家對世界科學最主要的貢獻，包括斷裂力學和有限元。而莊茁科研的關(guān)注點也正是聚焦在這兩個領(lǐng)域。

斷裂力學主要是研究含裂紋材料和工程結(jié)構(gòu)中的裂紋擴展規(guī)律，從而提出抗斷裂設計方法，以保證材料和結(jié)構(gòu)的安全工作；或者利用裂紋擴展，形成更多的自由表面。早在留學期間，莊茁就立足國際前沿，將斷裂力學與有限元結(jié)合進行動態(tài)斷裂力學的研究。這些研究當時在國內(nèi)還是空白。回國后，他把在國外的研究成果帶回來，在國內(nèi)開展動態(tài)斷裂力學方面的基礎和工程應用研究，取得了顯著成績。

西氣東輸工程是我國在20世紀90年代啟動的4個重大工程項目之一，是西部大開發(fā)的標志性工程。4000多公里的天然氣高壓管線西起新疆，東抵上海，一路穿過沙漠、戈壁、山區(qū)、河網(wǎng)等復雜地形、地質(zhì)條件，其高壓超過100個大氣壓和直徑大于1米的特點增加了管道斷裂控制的難度。立足國家重大需求，莊茁帶領(lǐng)清華團隊與中石油管材所合作，結(jié)合材料實驗，提出了動態(tài)裂紋韌性減速擴展機制，建立了流固耦合理論模型并發(fā)展了非線性有限元計算程序，解決了西氣東輸管道斷裂可靠性評估的關(guān)鍵技術(shù)。他們具有自主知識產(chǎn)權(quán)的天然氣管道動態(tài)斷裂程序被國際上公認為兩套成功的程序之一。該成果獲得2015年北京市科技成果獎三等獎。

天然氣管道需要安全止裂，而飛機穿蓋彈射救生系統(tǒng)則需要座艙蓋裂紋擴展，把飛行員彈出即將墜毀的飛機，安全救生。立足國防的重大需要，莊茁帶領(lǐng)團隊提出了基于連續(xù)體殼的曲面殼體上裂紋任意擴展的斷裂力學理論模型，發(fā)展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三維殼體和實體擴展有限元程序，將其應用于模擬座艙蓋穿蓋彈射系統(tǒng)，實現(xiàn)了對航空有機玻璃微觀斷裂機制的精細化描述，揭示了座艙蓋透明件多裂紋擴展及相互作用的機理，解決了國內(nèi)長期單純依靠實驗進行穿蓋系統(tǒng)設計的瓶頸問題。上述理論與方法指導了多項工程項目的成功實施，突破了穿蓋彈射救生系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)，對彈射救生專業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動作用。在定性狀態(tài)下，飛行員彈射出艙時頭部、肩部、膝部的平均載荷僅為國軍標要求的十分之一。在軍、地數(shù)百架高級教練機上推廣應用，截止目前，已成功幫助10余名飛行員在緊急情況下彈射出艙，成功救生，軍事和社會效益顯著。該成果獲2017年軍隊科技進步獎（公示）。

近年來，微納米科技方興未艾，成為國際研究的前沿熱點。在各種金屬微器件中，材料的力學行為呈現(xiàn)強烈的尺寸效應。研究微納米尺度下的晶體材料塑性行為及其尺寸效應，具有重要的理論意義和應用前景。莊茁指導研究生提出了基于離散位錯機制的晶體塑性理論模型，建立了考慮單臂位錯源長度和背應力的流動應力公式，準確預測了亞微米尺度（100納米～10微米）晶體材料強度和變形的尺寸效應；建立了耦合離散位錯動力學與連續(xù)介質(zhì)有限元的計算方法，揭示了在微金屬柱壓縮中由于位錯匱乏形成完美晶體、應變軟化和熱激活退火硬化的反常規(guī)本構(gòu)行為。該成果在國際力學重要期刊發(fā)表論文50余篇，文章他引700余次。其中1篇博士論文在2011年（柳占立，導師莊茁）獲得全國優(yōu)秀博士學位論文。他負責的國家自然科學基金重點項目在2016年的結(jié)題評審中評為A（優(yōu)秀），專家組評價“取得了一系列具有國際領(lǐng)先和先進水平的研究成果。成果建立的亞微米尺度塑性理論和計算模型得到了國內(nèi)外同行的驗證和廣泛使用，成功地揭示了位錯機制主導的晶體材料塑性變形新特點，具有重要的科學意義”。2018年，他們以該成果撰寫了一本英文專著，將在國際著名出版公司愛思維爾和清華大學出版社聯(lián)合出版。

莊茁及其團隊的科研成果還被應用到多個國防重點型號研制中，相關(guān)成果在2007年獲得國防科學技術(shù)進步獎一等獎。2015年，他作為原國防“973”項目首席科學家，帶領(lǐng)團隊，承擔了設計新型材料防護沖擊波的任務。情系國防鑄利器，帶著清華人特有的榮耀和使命感，莊茁和他的團隊責無旁貸、奮力前行。

“固本求源創(chuàng)新，頂天立地樹人”，莊茁跨出的每一步都遵循著清華前輩們多年凝聚的理念和實踐，他還有更深刻的領(lǐng)悟：“‘固本’謂之注重理論基礎，廣其基方能增其厚；‘求源’謂之追溯知識源泉，傳承發(fā)展。這‘固’和‘源’又隱喻著工程力學系的固體力學、流體力學和熱物理等主要專業(yè)，‘頂天’意指學科建設和科學探索的國際前沿性，‘立地’意指解決國民經(jīng)濟和國防建設的重大工程和科學問題……”

繼承的同時致力創(chuàng)新，莊茁在力學領(lǐng)域的多年耕耘和學術(shù)貢獻，取得了國內(nèi)外同行的廣泛認可。他先后被選為北京市科協(xié)委員，北京力學會理事長、中國宇航學會航天運載系統(tǒng)專業(yè)委員會委員，中國力學學會常務理事，計算力學專業(yè)委員會主任委員，國際計算力學學會理事等。他在計算力學領(lǐng)域具有廣泛的國際影響，在國際重要學術(shù)會議上作大會主旨報告5次，邀請報告30余次，擔任國際會議共同主席1次。2017年獲得英國斯旺西大學榮譽博士學位，該大學曾被譽為歐洲計算力學中心，這是英國一所大學所能給予的最高榮譽。

水木清華山高水長——音風化雨潤芳華

“學在清華是福氣。水木清華、清芳挺秀的環(huán)境，校園中蓬勃昂揚、奮發(fā)向上的青春理想，書聲瑯瑯、生動活潑的學習氛圍深深感染了每一位清華人……”“學在清華是享受。清華這本書很厚，百年文化傳承底蘊深遠……”“學在清華是挑戰(zhàn)……站在群山萬壑之中，每一位新同學都會思考：如何找到自己？我的位置在哪里？”

在2014級研究生新生入學教育活動中，莊茁以“春風化雨育人，自強不息創(chuàng)新”為題，分別從“學生為本，學者為先”“學術(shù)為是，學風為要”“創(chuàng)新意識，學術(shù)環(huán)境”“立足中國，面向世界”4個方面分享了他對“學在清華”的理解。水木清華，山高水長。雖不是土生土長的清華人，但多年在實踐中潛移默化，莊茁對清華的理解早已有了自己獨特的感悟。沐浴在清華深厚的歷史文化底蘊中，莊茁對傳承一直都懷有敬意。在清華園中，從來不乏幾代師生同心劾力，向著科研的高峰接力攀登的故事。莊茁所在的團隊，同樣如此。

黃克智院士是國際著名力學家、我國固體宏細微觀本構(gòu)理論及斷裂力學的奠基人與開拓者，也是清華工程力學系的創(chuàng)始人之一。他從1948年至今為祖國健康工作了70年，帶領(lǐng)不同時期的中青年研究團隊攻堅克難，在薄殼理論、斷裂力學、多場耦合與相變力學和微納米力學等方面成果豐碩。他幾乎每10年就拓展一個新的方向，而且都能夠做到國際領(lǐng)先水平。

在黃克智院士身邊學習、工作20多年，莊茁受益匪淺，而在他看來最重要的就是懂得怎樣不斷創(chuàng)新、不息自強。他早年是以土木工程為主線的研究背景，剛到清華，黃院士就勸他趕緊補上塑性力學這一課；之后接觸到國際著名商用軟件ABAQUS，為其中計算大變形的核心理論和計算程序所困時，黃院士又勸他趕緊補上非線性大變形本構(gòu)理論，而且還和他“一起學習應力的率本構(gòu)關(guān)系”。頁巖氣高效開采是國家重大需求，當莊茁關(guān)注其中的水力壓裂、體積改造等關(guān)鍵力學問題時，耄耋之年的黃先生組織他們學習巖土力學的本構(gòu)模型，推導理論公式，建立頁巖氣水平井和水力壓裂力學模型，編寫計算程序……

“在他身邊，感受最深的是嚴師誨人不倦，是慈父春風化雨，是同事協(xié)同創(chuàng)新。”莊茁說。因為受益匪淺，感受深刻，在黃先生關(guān)懷下成長起來的莊茁如今也努力給下一代師生帶來這樣的感受。

他指導的柳占立的博士論文入選全國優(yōu)秀博士學位論文。為拓寬柳占立的國際視野，莊茁推薦他到美國西北大學從事博士后研究，師從國際著名力學大師、美國三院院士彼利契柯教授學習計算力學。“出去是為了更好地回來”，出國前的叮嚀記在了柳占立的心里，與當年自己的恩師一樣，學成的柳占立亳不猶豫地選擇回國。如今已經(jīng)成為清華航院的副教授，集“青千”和“優(yōu)青”榮譽于一身。他承擔本科生國家級精品課、研究生校級精品課的教學工作和課程建設，獲得多項基金資助。師生合作出版了1部英文專著和即將出版第2本英文專著，發(fā)表了幾十篇高水平文章。如今，由柳占立指導的博士生也茁壯成長起來。

從黃克智院士、莊茁教授、柳占立副教授到新一代研究生，四世同堂，這是血脈的延續(xù)，更是精神的傳承。水木清華幾代人，亦師亦友亦同事，在不同的時代將科研成果做到世界領(lǐng)先水平，用言傳身教培育更多的優(yōu)秀學子。幾十年持續(xù)的奉獻與求索，才有了今天世界矚目的成就和更可期待的未來。

百年清華，立德樹人。德高為師，身正為范。在清華教書育人，莊茁和他的前輩一樣，力求以身作則。教書育人35年，他先后培養(yǎng)了博士生34名（3人校優(yōu)博，1人全國優(yōu)博），碩士生35名（含航天員翟志剛和劉伯明，3人校優(yōu)碩），博士后10名。他曾是清華大學國家級力學實驗教學示范中心主任，校級精品課“計算固體力學”負責人，主講國家級精品課“材料力學”。他被稱為我國非線性有限元理論和力學計算的首席專家，舉辦了13屆全國非線性有限元高級講習班，擔任主講，培訓了1000余人。

勤奮耕耘結(jié)碩果，桃李芬芳正芳華。多年來，莊茁先后發(fā)表了280余篇學術(shù)期刊文章，出版專著4部、編著9部，譯著4部，文章和著作被引用6000余次。6次獲清華大學教學成果獎，3次獲清華大學研究生“良師益友”獎，其中2014年獲校研究生“良師益友特別獎”。還先后榮獲2006年北京市教育創(chuàng)新標兵、2008年北京市教育教學成果獎一等獎和2009年高等教育國家級教學成果獎一等獎，2012年錢令希計算力學成就獎，2016年全國優(yōu)秀科技工作者榮譽等。

在莊茁身上，體現(xiàn)著清華對教師、干部“雙肩挑”的要求。2005年，他被任命為清華大學航天航空學院黨委書記。學校對新航院的發(fā)展寄予了厚望，提出了“入主流，有特色，上水平”的要求。如何將航院在短時間內(nèi)推向新的高度？是莊茁等面臨的首要難題。從原來的教學、科研，到管理角色的轉(zhuǎn)變，憑借一貫的果敢和創(chuàng)新，莊茁和其他院領(lǐng)導成員一起，開天辟地，叩問寰宇。

他們提出“人才費樓、班評點室”的建設目標，著力人才培養(yǎng)、教師隊伍建設、科研經(jīng)費和學院科研樓建設，通過成立錢學森力學班，接受國內(nèi)外學科評估，創(chuàng)立航空宇航學科博士點和申報力學國家重點實驗室，依靠原工程力學系的基礎優(yōu)勢，推動航空宇航學科的發(fā)展，形成今日的“力學引航，神舟競渡”的可喜局面。

莊茁在任院黨委書記的8年時間里，航院的發(fā)展令人矚目、歡欣鼓舞。他的努力獲得了師生的認可：2008年航院黨委獲“北京高校先進基層黨組織”榮譽，2009年莊茁獲校優(yōu)秀黨建與思想政治工作者的稱號，2010年校黨委安排他向李源潮匯報航院黨委創(chuàng)先爭優(yōu)活動……在學院師生的印象中，他有著率領(lǐng)眾人攻堅克難的魄力和勇氣，也有著對他們噓寒問暖的細心親和。帷幄整體，關(guān)注個體。執(zhí)教教研相長，從政政績斐然。他的潛力在清華園里得到了盡情的發(fā)揮。

2018年，莊茁剛好“為祖國健康工作50年”。但是他的腳步并未停歇，為了保持身心健康，他堅持每周半天的體育鍛煉，遵守良好的生活習慣。他的工作重心是所熱愛的教書育人和科研創(chuàng)新，時而也將多年的經(jīng)歷和感悟留下筆墨，為年輕一代積累精神財富。他總結(jié)自己的成長道路，概括為：向無凌人志，自強不息；常存濟世心，厚德載物；敢于迎困苦，玉汝于成。作為一名中國人，他的核心價值觀是忠于祖國和人民，將自己畢生的智慧和力量奉獻給祖國。“祖國終將選擇那些選擇了祖國的人。”這是黃克智等清華前輩傳給他的信念，帶著這樣的信念，莊茁的腳步還在前行。