蔣詠秋的一生

蔣詠秋,固體力學家。長期從事力學教學工作,70年代末致力于復合材料力學的研究。他提出的纖維增強層合板殼的優化設計理論,已用于發電

 

  機復合材料護環上。對纖維增強層合復合材料的損傷、疲勞與壽命估算提出了細觀力學模型。

  

    蔣詠秋,1920年9月10日出生于江蘇 省常州 市武進縣。少年時期正值軍閥混戰,故而經常停學逃難。七七事變後,滬戰相繼爆發,家鄉淪陷,他自己流亡至四川 ,被收容在合川縣四川中學讀高中。國恥家仇,促使他刻苦學習,後以全班第一名的成績保送到西北工學院學習。他立志“航空救國”,就讀于航空工程系,後又轉入當時遷到四川樂山 縣的武漢 大學土木工程系學習。在艱苦的學習環境中,又以全系最優成績于1942年獲得工學士學位。

  

    抗日戰爭勝利後,他考取自費留學 。1947年到美國 明尼蘇達 大學攻讀碩士及博士學位,主修結構力學,副修工程數學,僅以一學年的時間獲得了碩士學位,並獲得凱文獎學金 。繼之,又用了兩年時間以優異成績獲得了博士學位。畢業後,在美國明尼阿波利斯市 哥爾多建築結構設計事務所任工程師,從事房屋結構應力分析和設計工作。他設計的t很多工廠、學校、教堂至今完好地聳立在美國明尼蘇 達州 的各地。

  

    中華人民共和國成立後,祖國號召在國外的留學生回國參加建設。伍修權在聯合國大會的發言,激蕩了他的心。這時,西北農學院向他發了聘書,他謝絕了美國師長、同學及同事們的挽留,拋棄了優厚的生活待遇和工作條件,毅然于1951年1月回國,並自願到環境較艱苦的西北地區工作,擔任西北農學院水利系主任及教授。他開設結構力學、鋼筋混凝土結構及鋼木結構設計、工程數學等課程。

  

    1957年院系調整,他調到西安 交通大學,先後任水利系、數理力學系副主任和工程力學系主任。他是該校工程力學專業的創始人之一。蔣詠秋為力學專業第一屆新生作專業報告;並與其他教師一起制訂專業教學計劃、師資培養計劃及籌建實驗室。他親自講授彈性力學、塑性力學等課,並自編教材、指導學生寫畢業論文和下廠進行生產實習。他所在的工程力學系已為祖國培養出一大批優秀的力學人才。該系在改革開放後,發展更快,已建立起機械結構強度和振動國家重點實驗室、博士點、博士後流動站和國家重點學科(固體力學)。這與蔣詠秋前期在力學系兢兢業業的工作是分不開的。

  

    在“文化大革命”期間,蔣詠秋雖然受到迫害,但他堅信中國共產黨和社會主義,堅信祖國的未來,堅信知識就是力量。“文化大革命”之後,他擔任了工程力學系主任,除了教學科研外,還帶頭做學生的思想政治工作,教書育人。他先後正式出版了《塑性力學基礎》、《彈性力學基礎》以及《復合材料力學》3本著作。

  

    1979年12月,國家派蔣詠秋組團到美國參加國際性的美國機械工程師冬季年會。在那次年會上,他被邀請在應用力學分組會上作了題為《中國高等學校力學專業的教學和科研》的報告,引起了與會者的興趣,也擴大了祖國的影響。會後,到美國明尼蘇達大學訪問,他回到了一別29年的母校,受到了熱烈的歡迎。

  

    通過這次年會,蔣詠秋發現國外對復合材料的研究和開發進展很快,這種新型材料被稱為21世紀最有發展前途的結構材料。蔣詠秋意識到,作為一項高技術,復合材料不僅可以滿足單一材料無法達到的性能要求,給人們在選擇和設計材料時提供更多的自由度,而且能夠從本身的發展中帶動其他產業和科研領域的發展。中國要實現四個現代化,不發展高科技,不發展復合材料是不行的。蔣詠秋決心探索這個新的領域,為復合材料科學在中國的發展灑下自己的汗水。

  

    從美國歸來,蔣詠秋立即向有關部門提供了這個信息和研究報告。然後在西安交通大學力學系開設了復合材料力學課,派教師出國進修。他自己也潛心進入復合材料的研究之中。10年時間裡,他完成的關于復合材料力學的論文達60餘篇。其中25篇被國內外權威刊物錄用或在國際會議上交流。

  

    他的論文和學術思想引起了國外學者的興趣和關注。近九年來,蔣詠秋共接受了國外70所大學和研究機構的邀請,前去講學、進行合作研究和參加國際學術會議。他在國外的學術活動,為祖國爭了光。美國辛辛那提 大學原工學院院長、著名力學家K.C.凡拉尼斯(Valanis)說:“蔣詠秋教授設的講座,對提高辛辛那提大學工學院的學術水平作出了巨大貢獻,他編著和講授的教材是一本優秀教材。”裡海大學工學院長、著名斷裂力學家F.歐度根(Erdogan)教授說:“蔣教授的講授能使我們工學院各系的80多位研究生產生濃厚興趣,富有啟發性。”辛辛那提大學材料系著名復合材料學家林瑞陽說:“蔣詠秋就塗層材料分析和設計所做的研究成果引起了我們6位研究生的興趣,有的已引入他們的論文,有的要進行深入研究。”

  

    他在佛羅裡達 講學時,座無虛席,甚至教室後牆下也站滿了人,當地的新聞記者也來採訪。這時,他深深感到“中國人”這三個字頂天立地,金光閃閃。中國知識分子只有在社會主義祖國的懷抱裡,才能求得光榮的歸宿。

  

    蔣詠秋曾任中國力學學會第一、第二屆理事,科普工作委員會副主任,陝西 省力學學會副理事長,陝西省科學技術協會委員。現為中國復合材料學會常務理事及教育與科普工作委員會主任委員,陝西省復合材料學會副理事長及學術委員會主任委員,《應用數學和力學》學報及《復合材料》學報編委。西安市政協副主席,九三學社陝西省委常委,九三學社西安市委主任委員。

  

  

  

  在結構力學研究上獲得多項成果

  

    蔣詠秋在美國明尼蘇達大學的博士論文是《鋼索吊橋的靜力及動力分析研究》。他用有限差分法進行鋼索吊橋的靜力分析,並在風載作用下對吊橋進行動力分析,其計算結果與在風洞中進行的模型試驗相吻合。論文的結論是:為了有效地抗擊風載,鋼索吊橋的橋面結構採用桁架遠比板梁為好。這也為風洞試驗所證實。美國西雅圖 附近的鋼索吊橋是板梁橋面,後被風載摧毀,實踐也證明了論文的結論是正確的。這個建議已被鋼索吊橋結構人員採納,並應用在設計中。

  

    70年代末,蔣詠秋從事纖維增強復合材料層合板殼優化設計的研究。他首先提出,對這種結構的設計必須考慮設計準則,其中包括剛度、穩定性及振動。因此要求估算這些板殼的撓度、屈曲載荷(承受軸向壓力及剪切力)及固有頻率。由于復合材料層合板殼的這些特性主要取決于纖維的鋪設方向,因而進行優化設計的實質就是尋求最合適的層合板殼的纖維方向,以達到最小撓度、最大屈曲載荷及最高的固有頻率(最低階)。他把此命題歸結為沒有約束的優化問題。目標函數是撓度、屈曲載荷及固有頻率。設計變量是纖維方向。已知參數為材料性質、各個單層板(殼)的厚度、層數及層合板(殼)的長寬比。由于目標函數是設計變量的復雜函數,蔣詠秋提出求解這類問題必須借助于優化技術。層合板(殼)的撓度、承受軸壓的屈曲載荷及固有頻率都是設計變量的顯函數,優化法採用變尺度法(DFP法),並且求解一維最小值時採用黃金分割法;而承受剪切的屈曲載荷是纖維鋪設角的隱函數,因此,選用鮑威爾(Powell)法。

  

    他和他的同事們應用了上述復合材料層合殼的優化理論設計了2.5萬千瓦發電機復合材料護環,安裝在南昌 中心變電站的電機上,運轉一直正常。這項成果可以不再從國外進口抗磁合金鋼來制造電機護環,從而為國家節省了外匯,並為復合材料應用在機械工業邁出了可喜的一步。這一課題是機械工業部六五攻關項目,經國家鑑定,達到國內先進水平,獲得國家科委、國家計委及財政部的優秀成果獎。

  

    為了使導彈殼體軸向位移約束到野i範圍內,他指導的研究生利用上述優化設計理論提出了採用混雜復合材料的新設計方案,受到航天部門有關單位的高度重視。

  

    1986年初,我國為了籌辦第十一屆亞運會,擬建造容納5萬人以上大跨度的復合材料薄膜結構。所用的材料基體是聚四氟乙烯(又稱Teflon),增強材料是玻璃纖維織物。但這種材料是美國杜邦公司(DuponCO.)的專利,美國誘遄苳畬璊膝q(Geiger-BergerGroup)索要高價。蔣詠秋聞訊後,趁在日本 參加國際殼體結構會議的機會,到上述美國公司在東京 後樂園建造的棒球館參觀,考察這個空氣支承薄膜結構。回國後,他帶領研究生到四川富順化 工廠調查,將該廠生產的薄膜材料帶回學校進行力學性能、耐天候性能等項試驗,寫成報告向該廠提出改進產品的意見。與此同時,他們還對上述充氣薄膜結構進行了靜力與動力分析,並將此項研究成果編入《復合材料力學》專著中。由于該書首次發表了薄膜結構的研究成果,引起了國內建築結構、材料科學方面的研究和設計人員的重視。

  

  對復合材料的損傷提出了細觀力學模型

  

    一般而言,結構構件或機械零件的撓度及動態特性由剛度所控制,承載能力和抗損傷阻力由強度控制,而可靠性及安全度則由壽命控制。在復合材料的損傷研究中,蔣詠秋認為要解決這一問題必須著手尋求復合材科殘餘剛度和殘餘壽命間的關系。他還認為殘餘剛度的試驗數據比殘餘強度要密集,容易找出它隨循環載荷次數變化的規律。

  

    他考慮到導致復合材料損傷的因素很多,而且它們交織在一起,相互影響,十分復雜,因此,他採用了建立單一損傷因素導致復合材料的剛度下降與殘餘壽命間的關系的分析方案。他從每一種損傷因素導致的損傷機理出發,根據電子掃描顯微鏡觀測所得到的微觀結構,建立數學模型,用宏觀力學原理進行分析,然後再用實驗進行驗證。這種根據斷裂機理建立細觀力學模型,應用宏觀力學及斷裂力學原理分析復合材料的損傷,從而尋求微裂紋的傳播及其歷史間的函數關系的方法,目前正推廣到多相材料中去。

  

    幾年來,蔣詠秋和他的同事們已應用上述細觀力學模型的損傷力學方法成它a分析了層合復合材料的橫向裂紋、纖維斷裂、纖維與基體間的界面脫膠和層間分層對剛度的影響,並用線彈性斷裂力學原理,建立了剛度下降與殘餘載荷循環次數之間的關系,基本上解決了復合材料疲勞壽命問題。這些成果已在國內外重要的復合材料學術會議上發表。

  

    蔣詠秋深有感觸地說:“力學工作者必須與工程實際相聯系,要深入到材料科學與工程中去,和材料工作者、工程技術工作者相結合,才富有生命力。”

  

  向復合材料界面問題進軍

  

    蔣詠秋從復合材料疲勞與損傷的研究中,逐步認識到復合材料界面的重要性,現正從事界面理論及測試的研究。在用聲發射技術測試聚合物基復合材料的纖維與基體間的界面剪切強度已取得成果。

  

    他在研究層合復合材料界面脫膠對剛度下降的影響時,從損傷顯微結構圖中觀察到,纖維的斷裂導致了靠近斷裂處的纖維基體界面產生很高的剪切應力。如果這個應力超過了界面的剪切強度,斷裂處附著的纖維將會與基體產生脫粘。因此,他認為這個界面的剪切強度是復合材料的重要力學參數,而這些數據在現有文獻上寥若晨星。因此,他申請了一項國家自然科學基金,進行聚合物基復合材料界面剪切強度的測試研究。經過與國防科技大學的協作,已成它a用聲發射技術確定纖維斷裂的位置,從而決定了纖維斷裂段的長度分布。他採用了含有單纖維絲的聚合物基復合材料試件,並建立了細觀力學的模型。這樣,根據纖維斷裂段的長度,可確定纖維和基體之間的界面剪切強度。

  

  

    這種測試方法特別適用于不透明的復合材料基體,因而有可能用它來測定金屬基和陶瓷基復合材料的界面剪切強度。蔣詠秋正從事這兩種基體復合材料界面剪切測試的研究。但是他又面臨著兩個難題:其一是要制備這種基體的單纖維絲試件,並要保證單絲筆直。為解決這一難題,他深入研究了化學氣相沉積法(CVD)、化學氣相滲透法(CVI)、物理氣相沉積法(PVD)、熱壓法和溶液-凝膠法等工藝方法。另一難題是用聲發射儀測試陶瓷基復合材料單絲試件時,由于陶瓷和纖維都很脆,斷裂應變都很小,有可能陶瓷基的裂紋信號與纖維斷裂信號混合在一起,則儀器發出的聲發射信號就難以辨別。于是他在考慮用頻譜分析法分離信號。此外,他還在探索用顯微硬度壓痕儀測試金屬基和陶瓷基復合材料的界面剪切強度。

  

    所謂復合材料的界面實質上是納米級以上厚度的界面相(interphase)或稱層面層(interlayer)。作為結構復合材料中的界面層的作用,首先是施加在整體上的力,由基體通過界面層傳遞到增強纖維。這就需要有足夠的界面粘接強度。但是蔣詠秋認為界面粘接強度並不是愈大愈好,而是界面層的粘接要適度,要能使界面在一定的應力條件下脫粘,並使增強纖維從基體中拔出且發生摩擦,從而藉助脫粘增大表面能、拔出巧M摩擦扔尼峖“l收外加載荷的能量,以達到提高復合材料的斷裂韌性。

  

    陶瓷基復合材料用于固體火箭發動機具有熔點高、能承受高溫,耐磨損、耐氧化、耐腐蝕等優點。但是它塑性變形能力差,易發生脆性破壞。因此增強陶瓷基復合材料的斷裂韌性十分重要。蔣詠秋結合陶瓷基界面剪切強度測試工作,對這種復合材料的界面層的控制與設計進行研究。

  

    蔣詠秋不久前訪問美國時,曾在辛辛那提大學材料系進行塗層材料的力學分析和優化設計研究。在那裡,塗層材料很薄,與基體之間同樣存在著溫度殘餘應力的問題。他根據塗層材料的厚度很小,把基體作為半無限材料建立細觀力學模型,根據界面上兩相材料的變形要一致才能不發生脫粘的條件,導出了溫度殘餘應力的計算公式。然後根據塗層材料的斷裂分別發生在塗層、基體及界面這三種情況,以及線彈性斷裂力學的斷裂準則,建立了不致斷裂的最大允雀蹓h材料厚度。但塗層材料厚度並不是愈小愈好,太薄了會起不了抗氧化、抗磨損等作用,因此,對厚度的設計也有一個優化問題。這項合作研究成果引起了辛辛那提大學材料系師生的濃厚興趣。

  

    蔣詠秋認為這項合作研究實際上屬于界面斷裂力學的範疇,推導的殘餘應力公式也可以應用到陶瓷基復合材料的界面設計問題上。但是,他強調這種復合材料的界面層十分復雜。界面層是一種新的化合物,如何對它進行化學表征,它的厚度形貌如何,它的力學性能和基體、增強纖維的關系如何,會涉及到化學熱力學、動力學的問題。因此,他在思考如何控制和設計陶瓷基的界面,以使這種材料的斷裂韌性最小。蔣詠秋深深認識到自己的知識遠遠不能滿足課題要求,要和材料、化學、物理、機械等方面的研究人員合作,才有可能通過界面問題的研究來改進工藝,從而生產出達到預期斷裂韌性的陶瓷基復合材料。

  

    蔣詠秋常常強調:材料科學發展到今天,已從被動轉為主動,要求科學家能設計出達到預期力學性能的結構材料來。這就必須要力學工作者真正深入到材料科學中去,與材料、化學、物理和工程部門通力協作,才能適應國際上高科技劇烈競爭的今天。

  

 

  簡歷

  

    1920年9月10日 生于江蘇省常州市武進縣。

  

    1938─1939年 西北工學院航空工程系學習。

  

    1939─1942年 武漢大學土木工程系學習,1942年畢業,獲工學士學位。

  

    1942年 任資源委員會岷江電廠大渡河水力發電勘察處技術員。

  

    1947─1948年 美國明尼蘇達大學學習,1948年獲結構工程碩士學位,

  

    1950年 獲結構力學博士學位。

  

    1949─1950年 任美國明尼阿波利斯市哥爾多建築結構設計事務所工程師。

  

    1951─1957年 任西北農學院水利系教授、主任。

  

    1957─1966年 先後任西安交通大學水利系、數理力學系教授、副主任。

  

    1959─1978年 任西安交通大學應用力學教研室教授。

  

    1964年 任陝西省力學學會副理事長。

  

    1979─1983年 任西安交通大學工程力學系教授、主任。

  

    1957─1986年 任中國力學學會第一、第二屆理事。

  

    1989年 任中國復合材料學會常務理事。

  

    1990年 任陝西省復合材料學會副理事長。

  

    1991年 任陝西省復合材料學會學術委員會主任委員。

  

  主要論著

  

    1 Yeong-Chou Chiang.The static and dynamic analysis of suspension bridge.Ph.D ThesiS,University of Minnesota,U.S.A.1950.

  

    2 蔣詠秋,穆霞英.塑性力學基礎.北京 :機械工業出版社,1981.

  

    3 蔣詠秋.纖維增強復合材料層合板的優化設計.計算結構力學及其應用,1984,1(1).

  

    

    4 蔣詠秋主編,李建勳,張治強.彈性力學基礎.西安:陝西科學技術出版社,1984.

  

    5 Yong-qiu Jiang.Optimum design of laminated circular cylindrical shells.Proceedings of ICCM/5,San Diego,1985:12111219.

  

    6 Yong-qiu Jiang.Optimum design of fiber reinforced plate and Shells.Proceedings IASS Symposium,Osaka:1986,1:201-208

  

    7 Yong-qiu Jiang,Yuan-ruo Wang,Yuan-chong zhang.Finite element analysis and design of glass/epoxy Composite rings for 25MW genera-tors.Proceedings of ICCM/6,LOndon:1987:183-191.

  

    8 蔣詠秋,陸逢升,顧志建.復合材料力學.西安:西安交通大學出版社,1990.

  

    9 Yong-qiu Jiang.The stiffness reduction of composite laminates due To fatigued damage.Proceedings of the Eighth International Conference on COmposite Materials(ICCM/8),HOnolula:1991,38c:1─8.

  

    10 Yong-qiu Jiang,R Y.Lin.Analysis and design of prote ctive coatings on metals ceramics and polymers.Research Report,Department of Materials Science and Engineering,University Of Cincinnati,U.S.A.:1991

  

    11 Yong-qiu Jiang.A measure of the interfacial shear strength betweenthe fiber and polyner matrix composites by acoustic enission.Pro-ceedings of SecondInternational Symposium on Composite Materials and Structures,Beijing:1992.

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