大國重器自主研發背后的一枚“螺絲釘”
——記天津大學機械學院力學系教授張茜

孫雅琴

“農業是立國之基，工業乃強國之本。”當前階段，重型基礎裝備的科技含量已上升為大國博弈中不可或缺的利器，“智”造轉型勢在必行。在智能制造引領全球產業轉型升級的背景下，向“智造”轉型，向“高端”升級，中國工業深諳順其“自然”的道理，更深知這其中創新驅動是關鍵。如今，隨著越來越多關鍵核心技術的攻克與突破，中國正在實現由中國制造向中國創造的轉變。如果說中國正在用自己的方式，譜寫著一部工業崛起的樂章，那隧道掘進裝備（簡稱“盾構”）的發展就如同一曲從民族工業血脈中迸發出的“強音”，在數年之間，持續向全球昭示著我國重器的飛躍式進展。

“曾幾何時，我們的盾構機只能從國外進口，價格昂貴不說，關鍵是技術受限。還好國家大力推動盾構機的自主研發，讓我們不僅有了自主知識產權的盾構機，還逐步占領了國內市場，并開始對外出口，成為真正意義上的‘盾構大國’。”作為最早一批加入天津大學力學盾構團隊的骨干成員，機械學院力學系教授張茜談及自己所經歷的產業發展過往，仍難掩振奮與自豪。

這是一支在先進制造領域中拼搏多年的科技強軍。成軍數年，天津大學力學盾構團隊一直與中國中鐵工程裝備集團有限公司、中國鐵建重工集團股份有限公司等企業積極開展產學研合作，在掘進載荷力學分析、核心部件服役狀態監測技術、工程仿真數字化實驗方面已取得系列創新性成果：他們助力產業完成了“依賴進口—合資加工—自主創新—占據市場”的突破鏈條，在由“0”到“1”的跨越式發展中作出了力學人的重要貢獻。而今，張茜仍躬體力行于實驗力學領域的研究道路之上，著力解決工程裝備自主研發瓶頸背后的關鍵力學問題。

勉力耕耘者

與手捧芭比娃娃的小女孩不同，幼年時張茜與工程類科學的緣分便已經“初現端倪”——家中大大小小的機械設備幾乎都被她拆裝過一遍，錄音機、鬧鐘、電話……無一幸免。“我對這些東西的構造原理充滿了好奇，從小就想弄明白錄音機為什么能出聲、電話為什么能接通。”帶著這一童年時種下的求知夢想，當張茜在高考填報志愿手冊上見到“工程力學”這一專業時，她直覺這就是自己的理想所在，“雖然當時并不十分清楚這個專業的具體內容究竟是什么，但可以肯定的是一定與工程科學有緊密關聯”，再加上自己對天津大學的獨特情感，一張用整個少年時代的埋首苦讀換來的錄取通知書足以讓她欣喜良久。

身為一名地道的天津人，張茜對母校的歷史沿革可謂如數家珍，對其的崇敬與向往之情也由來已久。作為我國近代高等教育史上建校最早的高等學府，天津大學自名為“北洋大學”的時代起，便奠定下了“興學強國”的使命與“愛國奉獻”的傳統。而后，歲月的車轍前行不息，我國科技事業的面貌日新月異，這所高校也在新時代的洪流之中逐漸形成了“實事求是”的校訓、“嚴謹治學”的校風及“矢志創新”的追求，直至今日，這些精神財富仍在代代相傳。在良好環境的熏陶之下，張茜奮發圖強，大學三年級便開始參與科研項目實踐，正是這段經歷，讓她邂逅了極為重要的“引路之人”——亢一瀾教授。張茜說：“她的很多理念，影響我一生。”

“我的學生都要勉力做好3件事：誠懇做人、勤謹做事、踏實做學問。”至今，張茜初見亢一瀾教授時所受的教誨仍回響于耳畔。

就在張茜成功獲得碩士博士學位順利留校任教期間，我國制造業的智能化發展雛形初具，學科交叉研究開展得如火如荼。作為較早一批投身相關研究的從業人員，張茜在承擔首個國家自然科學基金青年基金項目之時一度壓力巨大，“因為那時像盾構這類重器的力學參量智能化建模問題，是沒有足夠的數據和行業經驗來支撐的，所以項目一度很難推進”。于是，在相關項目開展期間，醒了就開始研究分析，睡前還在思考實驗的遺留問題，成了張茜生活的常態。甚至在瓶頸期，她的夢境都被各類數據、力學分析與模型占據。這種大腦“連軸轉”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，都化為了不竭的動力，促使她迅速調整心態。“從打輔助到獨立上手，肯定是需要適應過程的嘛。”那些挑燈夜戰、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侃。“不過，再難也從沒想過放棄。”這是她的底線，也是科研人員的骨氣。

靈感的迸發總在一瞬之間，就如同上帝在腦海里打了個響指。數年前的某天清晨，張茜連衣帽都來不及穿戴整齊，就匆匆忙忙往團隊實驗室趕，生怕腦內的靈感火花突然熄滅……再幾個月后，一篇基于她想法的學術論文便得到了發表，這也正是近年來她取得核心成果的初代雛形。張茜說理論的發現是源于她的運氣，但其實，這是“勉力耕耘者，終有豐收時”的必然。

匠心追夢人

盾構機這類重型巨載裝備，聽起來與日常生活相距甚遠，但實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、國防所需的地下隧道工程建設。而深入這只“鋼鐵巨獸”，其中掘進載荷包括總推力與總扭矩是裝備的核心設計參量，一旦預估不準或設定不當，將可能導致裝備損壞、地表變形超限、地面建筑損毀等危害。我國是典型的地質多樣性國家，施工過程很可能經歷顯著的地質變化，甚至穿過活動斷裂帶等特殊地質段，以及經歷高埋深、高地應力等惡劣地質環境，這些都對掘進裝備的載荷地質適應性調控提出了很高的要求。“如何準確預估掘進載荷”，這是業內需通力解決的關卡之一。

以往，普遍使用的載荷預估方式主要是通過工程實踐數據統計給出經驗公式，或是基于結構加均布靜載再加安全閾值。但由于缺少對刀盤與巖土相互作用、掘進速度響應等關鍵力學要素的深入研究，掘進載荷預估原有模型并不能具體反映地質與操作變化對載荷的影響。簡而言之，載荷參數預估不準仍是亟待解決的突出問題。為此，張茜先后作為技術骨干參與了國家“973”計劃、“863”計劃等多個重大科研項目，基于實驗分析給出了盾構刀盤載荷沿徑向非線性分布的新規律，引入了掘進速度響應等核心力學要素，建立了掘進載荷力學預估新模型，并服務于國產盾構裝備自主研發及多個隧道工程的載荷正向設計中。

此外，近年來先進制造、航天航空等領域發展迅速并與力學深度交叉，其中大工程系統的智能控制、大型結構的安全監測等對力學傳感檢測、數據分析、智能建模提出了許多新的需求。如何順應時代發展，推動力學測量和相關領域科技進步是實驗力學交叉發展的新空間和新機遇。在國家自然科學基金優青項目“實驗固體力學”、國家重點研發計劃“全斷面隧道掘進裝備運行服務平臺及智能終端研制”等項目的支撐下，張茜針對大型工程裝備控制參數智能建模問題，提出了將力學分析融入信息技術并作為檢測數據分析的底層邏輯，以及取兩者之長、使兩者融合的實驗力學檢測信息分析的新路徑，并將方法應用于多個隧道工程的現場實測數據分析，建立了具有力學內涵并貼近工程的掘進載荷數據分析模型，具體給出了隨地質和掘進速度改變時不同主控模塊的占比變化，實現了可溯源的工程檢測大數據力學建模，突破了目前工程檢測數據可解釋性瓶頸。

“我還沒想過未來，也無需我多想。”張茜說，對她而言，扎實走好腳下的每一步是更令她有成就感的事情，至于中國重裝智造工業的鵬程，她相信在無數匠心追夢者的合作努力之下必定會到來。“在此期間，我扮演好‘螺絲釘’的角色就好了。”她笑著說道。