大國重器自主研發背後的一枚“螺絲釘”——記天津大學機械工程學院力學系教授張茜

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的焦點，“智”造轉型勢在必行。在智慧製造引領全球産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製造向中國創造的轉變。如果説中國正在用自己的方式，譜寫著一部工業崛起的樂章，那全斷面隧道掘進機（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，價格昂貴不説，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智慧財産權的盾構機，還逐步佔領了國內市場，並開始對外出口，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幹成員，機械學院力學系教授張茜談及自己所經歷的産業發展過往，仍難掩振奮與自豪。

力學是大工程領域的科學基礎，工程裝備設計製造中很多瓶頸技術的突破往往都離不開對其中關鍵力學問題的攻堅克難。盾構機的自主研發是國家在先進製造領域的重大需求，在一批重大科研項目支撐下，業內已逐步形成由多家國內知名高校和裝備製造企業組成的産業聯盟，力學工作者積極加入其中。近年來天津大學力學盾構團隊在掘進載荷力學分析、核心部件服役狀態監測、工程倣真數字化實驗等方面取得了系列創新性成果，在國産盾構“依賴進口—合資加工—自主創新—佔據市場”的跨越式發展中作出了力學人的重要貢獻。盾構與力學關係很大，力學家與機械工程師協同合作，挖起洞來便事半功倍，他們共同導引出了一條地下的“力之大道”。而今，張茜身在其列，躬身力行于這條道路之上，著力解決著裝備設計製造背後的基礎力學問題。

張茜

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學科的緣分便已經“初現端倪”——家中大大小小的機械設備幾乎都被她拆裝過不止一遍，錄音機、鬧鐘、電話……無一倖免。“我對這些東西的構造和原理充滿了好奇，從小就想弄明白錄音機為什麼能出聲、電話為什麼能接通。”帶著這顆童年時種下的求知種子，當張茜在高考填報志願手冊上見到“工程力學”這一專業時，她直覺這就是自己的理想所在。“雖然當時並不十分清楚這個專業的具體內容究竟是什麼，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，對其的崇敬與嚮往之情也由來已久。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，便奠定了“興學強國”的使命與“愛國奉獻”的傳統。而後，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，“她的很多理念，將會影響我一生”。

“我的學生都要勉力做好三件事：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迴響于耳畔。

就在張茜成功獲得博士學位留校任教期間，我國製造業的智慧化發展雛形初具，學科交叉研究開展得如火如荼。作為較早一批投身相關領域的科研人員，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慧化建模等新問題，是缺乏足夠的數據和行業經驗來支撐的，所以項目推進過程十分艱難。”於是，在項目開展期間，醒了就開始研究分析，睡前還在思考遺留問題，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分析與力學模型佔據。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，就如同上帝在腦海裏打了個響指。數年前的某天清晨，張茜連衣帽都來不及穿戴整齊，就匆匆忙忙往實驗室趕，生怕腦內的靈感火花突然熄滅……幾個月後，一篇基於她想法的學術論文便成形並得到發表，這也正是近年來她所取得核心成果的初代雛形。張茜説新想法的萌發是源於她的運氣，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，但實際卻廣泛存在於你我身邊——它常常被用於城市地鐵、高速公路鐵路、水利工程及國防所需的各類地下隧道建設。深入這只“鋼鐵巨獸”，掘進載荷是裝備的核心設計參量之一，如果預估不準或調控不當，將可能導致裝備損壞、地表變形超限甚至地面建築損毀。我國幅員遼闊、地質複雜多變，對裝備掘進載荷的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，工程中常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，或是基於結構加均布靜載再加安全閾值方式估算。由於缺少對刀盤與岩土相互作用、掘進速度響應等關鍵力學要素的深入研究，原有掘進載荷預估方法難以具體反映地質與操作變化對載荷的影響。掘進載荷預估不準是國産盾構自主研發面臨的突出問題之一，其背後是對基礎力學研究提出的需求和挑戰。為此，張茜先後作為技術骨幹參與了國家“973”計劃、“863”計劃等多個重大科研項目，給出了盾構刀盤載荷沿徑向非線性分佈的新規律，引入了掘進速度響應等核心力學要素的影響，建立了掘進載荷力學預估新模型，並服務於國産盾構自主設計及多個隧道工程的載荷預估。

此外，近年來智慧製造等領域發展迅速並與力學深度交叉，對力學數據分析與智慧建模不斷提出新的需求。在國家自然科學基金優秀青年基金、國家重點研發計劃等科研項目的持續支援下，張茜針對大型工程裝備關鍵控制量的力學建模問題，建立了將力學知識與資訊技術相互融合的實驗力學檢測數據分析新方法，並將其應用於隧道工程實測數據分析，建立了具有力學內涵並貼近工程的掘進控制參數力學反演模型，旨在實現可溯源的工程檢測數據力學建模，突破目前工程檢測數據分析的可解釋性瓶頸。

“我還沒想過未來，也無需我多想。”張茜説，對她而言，紮實走好腳下的每一步是更令她有成就感的事情，至於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，我就扮演好‘螺絲釘’的角色就好了。”她笑著説道。（供稿：科學中國人雜誌 孫雅琴）