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装备制造技术里的大国情怀

记2017年国家技术发明一等奖获得者大连理工大学贾振元和他的团队

作者:吕东光 来源:宣传部 新闻中心 时间:2018-01-08 15:10

作为团队领军人,贾振元对科研工作很有“主张”,而与同事交流起来、实施他的“主张”时,常用诙谐幽默、打比方的话,把枯燥、呆板的理论说得生动形象,让人容易接受;他还善于“聊天”,不管工作上的、还是生活上的,他都是“知心人”;多年来,贾振元以他特有的感染力和感召力,带领着团队往前走。

服务国家重大需求

贾振元是长江学者特聘教授,973计划首席科学家,国家万人计划入选者,教育部和科技部科研创新团队负责人,辽宁省和大连市首批领军人才,全国优秀教师,辽宁省教学名师。

谈及科研体会,贾振元说:“搞科研一定要服务国家重大需求,这点我们体会非常深。”这种国家意识是贾振元30多年坚持深入企业、服务生产一线的深切感悟,“我们工科教师单纯从学校角度搞研发,没有企业应用拉动,你的研究成果很难‘落地’,可能撂荒在实验室里,没有形成生产力。”

而与企业合作,选择研究目标很重要。“高校要加大原创性、基础性研究,去解决企业、行业‘卡脖子’的问题, 形成企业需求拉动,基础研究、应用基础研究、技术开发、产品研制一条链的创新体系”,贾振元说。

善举纲者万事遂,善谋事者机可期。

大连理工大学现代制造技术科研团队成立于上世纪末,在团队创始人、现为学校校长郭东明院士的带领下,坚持理论服务于实践的学校办学传统,同时将科研目标更加聚焦于服务国家重大需求;无论是创建国家级辽宁省重大装备制造协同创新中心,还是建设国家创新群体,团队都是以服务国家重大需求为科研方向,将产学研合作不断推向新高度,取得了令人瞩目的研究成果。

2008年,郭东明等的研究成果获国家技术发明一等奖。2014年,贾振元等的研究成果获国家技术发明二等奖。大连理工大学现代制造技术科研团队9年里获得两项国家技术发明一等奖,一项二等奖,成绩令人称羡。

《高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备》从源头上解决了航空、航天、交通领域高端装备所选用的新型材料——碳纤维增强树脂基复合材料(以下简称碳纤维复合材料)在构件加工中面临的保证构件高性能、低损伤高质高效加工的这一具有挑战性的世界性难题。

更令人钦佩的是,最初,团队是在与企业合作其他项目时发现了企业的急需。“郭东明院士敏锐地意识到低损伤加工对这种新型材料构件的性能保证及应用的重要性,为我们确立了研究方向,安排组织力量进行攻关”,贾振元说。

“国外大公司是靠大量经费与时间,耗时耗力,最后摸索出的经验是企业的核心机密,人家不告诉你”,贾振元说,“我们要在短时间内实现从跟跑、并跑到领跑,在并跑的时候,没有基础研究做支撑、你就超不过去。”

找对路子很重要

关于碳纤维复合材料研究,在网上搜索会有几十万篇文章。之所以该项研究成为国内外热点,团队知名教授高航介绍:碳纤维复合材料具有轻质、高强的优点,对于“一克重就是一克金”的航空、航天、交通等领域高端装备减重增效,具有非同寻常的意义。

然而由于碳纤维复合材料是由纤维和树脂经过赋形、固化而成,细观呈多相混合态、宏观层叠、各向异性,加工中在力、热的作用下,与金属等均质材料相比,碳纤维增强树脂基复合材料的失效行为及去除机理迥异,是典型的难加工材料。

传统加工只能采取手工方式,低质低效,加工构件出现毛刺、撕裂和分层等损伤,难以满足碳纤维复合材料构件的高性能要求,带来重大安全隐患,损失巨大。而且,碳纤维复合材料强度级别在不断提升,给加工带来更大难度。也正是因为这些问题,严重制约了这种高性能材料的推广应用,限制了装备性能的提升。

而国内外浩如烟海的研究中,又没有系统地从碳纤维复合材料构成机理上说清楚造成碳纤维复合材料加工损伤的缘由,更没有从工程实践中提炼出具有推广指导意义的、解决共性问题的基础理论。

贾振元团队恰恰就在碳纤维复合材料加工去除机理和加工损伤产生机制研究上取得了重大突破。

“运用我们建立的加工理论,就能在加工之前对损伤进行初步预测,通过开发工具和设计工艺进行有针对性调整,控制甚至抑制加工损伤,解决了碳纤维复合材料机械加工中损伤易发且随机不可控的难题,为加工损伤控制和构件性能可预测、可计算以及高性能制造奠定了基础,为碳纤维复合材料在高端装备中的应用,提升高端装备性能提供了前提和保证”,王福吉说。

“做科研要找对路子”,这是贾振元常说的一句话,“刻苦的人很多,关键在于找准方向,道走对了可能事半功倍,道走错了,你费大力气、绕大圈子也不一定能够成功。”

“整个研究我们用了十几年,跟别人几十年的研究相比,时间并不长,这得益于贾老师方向把得准,他分析问题敏锐,能够直指问题的症结,所以我们弯路走得少,或者不走弯路”,王福吉说。

作为团队领军人,贾振元敢于定调子,善于把方向。特别是在研究进行到关键期,也是困难期,他领军人的重要性尤为突显。

高航老师回忆:“从2005年到2009年,我们虽然也曾较好地解决了若干航空和航天企业复合材料构件加工中遇到的难题,但是加工质量提升到一定程度就受限,原因在于工程中沿用的是传统的金属等均质材料切削理论,而碳纤维复合材料为各向异性,材料特性和材料结构与金属等各向同性均质材料完全不同,易产生加工损伤,对高质加工提出了严峻的挑战。”

经过反复研讨,贾振元果断提出:“必须突破传统金属等均质材料切削理论体系的束缚,开辟和建立一个适应碳纤维复合材料加工新的理论体系,从工程问题和理论问题同时去解决的研究思路”。

要建立理论体系,必须在前人的基础上有所突破。实践上的难题倒逼贾振元团队在基础理论研究上开疆拓土,重新打造一番新天地。

团队加大材料、力学、机械等多学科交叉融合的研究力度。在“973计划”、国家自然科学基金、国家863重点课题、国家“04专项”课题等项目经费支持下,以基础理论研究为着眼点,重新搭建实践平台,开发新的实验装置,进行大量的材料分析、力学计算和机械加工实验,实现了理论和实验的充分结合。

啃硬骨头,打攻坚战。终于,贾振元团队在碳纤维复合材料切削理论和加工损伤抑制原理上取得突破:揭示出碳纤维复合材料去除机理和损伤形成机制,提出了针对碳纤维复合材料加工的切削理论,建立了切削力和切削过程动态仿真模型,实现了切削理论的源头创新。

理论成果要指导创新实践研究

由于贾振元团队在基础理论研究上取得了重大成果,再回过头来进行应用实践研究,就完全是“柳暗花明又一村”的景象。

在碳纤维复合材料加工损伤抑制原理上,实现多项原创性发明,并研制出制孔、铣削等系列加工工具。提出了微刃力小化抑制损伤原理,在一个个螺旋槽切削刃上开出分屑槽,形成微齿,实现加工过程的“微元去除”;通过巧妙设计工具以及切削运动的配合,发明了“反向剪切”原理,实现表层纤维有效切断。基于“微元去除”和“反向剪切”原理,先后发明三类9个系列的制孔、铣削等刀具,实现了这种难加工材料的低损伤高质量加工,寿命高于进口刀具的2-7倍,价格仅为1/6-1/4。“微元去除”“反向剪切”等系列技术获多项发明专利。

关于加工损伤抑制工艺,提出了适温切削加工损伤抑制原理,揭示出碳纤维复合材料切削质量随温度的变化规律。发明了负压逆向冷却和具有自风冷排屑功能的系列加工工艺。创建了典型构件加工工艺数据库。他们大胆尝试工艺创新,发明了在位随行加工方法、低应力柔性工装和随动除尘装置,研发出13台套数控加工工艺装备,填补了国内空白,成为我国航空航天多个重点型号复合材料关键构件加工的唯一装备。

自2010年起,新研制的技术装备和一批批新研制的刀具开始应用,使复合材料加工损伤由原来的厘米、毫米量级减至0.1毫米内,实现了从无法加工或手工加工到低损伤数字化加工的跨越,加工技术进入国际领先水平。

高航曾带着鲍永杰到一家航空企业推广他们的刀具,企业的人不相信刀具的性能,提出:高老师,我们大家瞅着,你这个刀具能连续加工100个孔,我们就承认。师徒俩就在现场,拿来块复材板,真的就钻了100个孔,每个孔都光滑利落,最终赢得了企业的信任。

基础理论和加工技术的新发展,让创新技术真正成为国际尖端,在解决一项项重大实际问题的考验中,续写着“中国创造”的传奇故事。

某新型航天装备舱段、某航天装备超长窄缝结构关键构件、某航天器舱段异型盲窗、某飞行器构件异型深腔,某航空装备机翼结构中的大厚板边缘轮廓及超大孔,某重型飞机调节板,某系列直升机旋翼及尾端,大型客机平尾钛合金/复材叠层验证件和机身筒段复材/铝叠层验证件,高铁复材车身试验件等;这些关键构件的加工难题都被贾振元团队一一攻破,为国家重大装备、重点型号研制、定型及批量生产作出重要贡献,对提升高端装备的性能和核心竞争力具有重要推动作用。航天一院、三院、中航工业和商飞等企业,都有他们的成果被应用。

力量来自于团队的凝聚力与战斗力

一项重大技术发明的背后,一定有着历尽千辛万苦的努力。

此项技术发明从理论到实践,在研究方式与研究方法上有着多个“首次”,不断创新是这个团队的思想主题,贯穿于团队每位成员的研究始终。

王福吉说:“贾老师桌上总是放着各种关于复合材料的书,他读的书比我们多得多。只要一有时间,贾老师就会找相关研究生和教师一起讨论项目的技术方案和存在的问题。”

年轻人非常佩服他们的领头人,但是也只有贾振元自己知道这其中的责任和压力有多大。“我甚至吃饭时、睡觉前都在琢磨我们的研究”,贾振元说。

“我们的难点在于弄清楚问题是怎么产生的。由于影响加工的因素非常复杂,加工产生损伤的形式多种多样,所以整个研究过程充满挑战”,王福吉说,“无论是创建理论研究模型还是发明新工具、设计新工艺,都要经过成百上千次的实验。”

年轻的高级工程师鲍永杰说得最多就是“压力”,“我们没有什么捷径可走,每走一步必然会被问题卡住,不卡才怪呢!有的实验,做了半年没一点进展,真熬人呢,每天都愁眉苦脸的,特别是我们这些年轻教师,面对的都是从来没遇到的问题”,鲍永杰说,“所以,搞科研得沉住气。”

而能让大家坚持下来、走到今天的是团队有个好氛围。大团队的成长不仅在于取得优异的科研成果,更重要的是树立起一种精神,带出一支队伍,培养一批人才。

“像贾老师、高老师这些大牌教授特别善于发现问题,而且还非常较真儿,非得解决不可。高老师因为一个问题没有解决,嘴上长满大泡,一个月后才下去。为了设计新装备,他比我们来得早、走得比我们晚,整天趴在桌子上画图,肩周炎严重的时候胳膊都抬不起来”,鲍永杰说。

年轻教师不仅折服于贾振元的高深学识,更敬重他的为人品格。王福吉说:“贾老师看淡名利,凡事先替别人着想,宁可牺牲个人利益。‘04专项’研究任务是在贾老师主持下完成的,但是项目成果报奖时,他把自己的名字拿掉,说成绩是大家共同努力的结果,年轻人更需要。”“作为学术前辈,他甘做人梯,多次把他选定的前景看好的科研方向、或者已经做到一定程度的科研工作让我们年轻人来做,不仅给了我们成长机会,而且更是一种鞭策和督促。”

经过十几年培养,一批青年人成长起来,他们成为万人计划创新人才、长江学者特聘教授、国家杰青、青年长江学者,国家优青等等。

“正是因为团队氛围好,尽管压力大,但现在想起来,收获蛮大的”,鲍永杰说。大家的感受就像青年教师刘巍所说:“跟贾老师一起干活,感觉挺爽。”

“贾老师很忙,但只要我们有问题,他甚至晚上十点后还会主动找我们讨论。”青年教师马建伟是贾振元的学生,从硕士到博士,“刚开始跟贾老师搞科研时,贾老师对我强调注重创新精神和实践能力,当我思路走偏时,他并不一下否定,而是循循善诱,一步步引导我发现研究中的错误,让我感受到主动研究的乐趣,激发了我的创新意识。”刚刚工作不久的他获得了“辽宁省百千万人才”荣誉。

不仅是教师,团队也非常重视研究生的创新能力和思维方式的培养,一批批优秀的研究生,已经在各自的工作岗位上发挥重要作用。

尤为值得一提的是,贾振元团队在精密测试方向上同样取得了令人瞩目的成绩。研究成果成功应用在“嫦娥落月”火箭发动机推力矢量测量上,开发了一系列火箭发动机推力测试的系列装置。

完成某型航空装备载荷投放风洞试验技术研究。克服了高速气流、空间狭小、照度灰暗、电磁干扰大等恶劣环境限制,实现了风洞试验载荷投放过程中,舱门打开、载荷投放、载荷初始位姿及空间运动过程的各种参数的测试,成功研发了测试装置,圆满完成任务。

2015年,贾振元担任大连理工大学副校长。从学院院长到学部部长再到副校长,一路走来,担子越压越重,对国家的责任意识、担当意识也越来越强烈。他经常跟团队成员讲:“我们不能等、不能靠”,“时刻以国家重大需求为导向,国家需要什么,我们就研究什么。”

国家使命,就是科技工作者的责任,超越,永远是贾振元团队的梦想,大国情怀、创新智慧,他们肩挑重任,继续前行。

责任编辑:姚璐

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