工程非线性振动,谁接受了半潜运输船改装设计任务

 通讯产品     |      2020-03-18 19:44

  去年岁末的最后一天,对我校宗智教授负责、林哲副教授任总师的技术团队来说,是个特殊而又难忘的日子:由他们全面负责设计的第一艘大型高科技半潜运输船“发展之路”号在山海关缓缓驶出码头,顺利完成下潜试验,通过了山海关海事处的检验。 此次试航成功的“发展之路”船长215米,船宽38米,最大吃水12米,下沉后主甲板最大深度4米,是目前国内仅有的6艘半潜运输船之一,也是目前我国最早自主设计的半潜运输船三艘之一。 在试航现场,站在船上的设计方代表林哲总师更是心潮难平,过去一年半团队付出的知识、智慧和辛苦,历历在目。接受挑战源自信心和实力 2008年5月,芳草青青,暖人的春光遍洒校园,宗智教授、林哲副教授和团队的成员们,却没有丝毫的轻松和惬意,他们刚刚受命一项艰巨重任:为中交集团一航局改装设计一艘半潜运输船。 中国船级社将其定为一项重大装备改造工程。半潜运输船,是具有部分潜艇能力的船舶,是为重货运输,特别是海上海洋工程平台运输、安装而开发的船型,主要通过加卸压载水使船舶处于半潜的方式长途拖载工程船等大型设施。由于半潜运输船商业价值非常高,一些国家热衷研发建造,但因其耗资巨大,技术含量极高,设计建造技术异常复杂,目前世界上也只有三十多艘。此前只有荷兰拥有此类船舶并垄断国际市场。2002年前,中国没有一艘半潜运输船(只有中远有一艘1978年投入使用的马耳他籍旧船);2009年前,中国没有一艘自主设计的半潜运输船。2002年2月由荷兰人完成基本设计的“泰安口”号投入使用,使中国成为第二个拥有运输超大货物“半潜运输船”的国家。 国际航运市场竞争激烈,中交集团一航局要建造这艘半潜船是在西非和东南亚地区承揽工程所需,国内敢吃这块“大蛋糕”者并不多。谁接受了半潜运输船改装设计任务,就意味着风险和挑战。国内外缺少可供参考的资料,全部设计需要创新,从零开始。能不能按用户要求如期完成任务?设计能否达到标准,通过中国船级社的权威检验?都是未知数。 在前所未有的压力面前,为推动中国船舶与海洋工程事业发展提供技术支持的使命感和责任感;我校在船舶波浪载荷计算、船舶振动计算等方面在全国形成的明显实力,多年来,通过学科前沿基础研究为创新性应用技术研究提供支撑,在行业重要技术难题突破等方面积累的科研成果,都给了宗智教授等人接受挑战的勇气和信心。他们要凭借大连理工大学的科研优势,靠船舶工程学院声名远播的品牌,“啃”下这块硬骨头。征服困难中闪耀创新亮点 第一次承接“发展之路”这样高科技和高附加值半潜运输船的“大活儿”,总有预想和意想不到的重重阻力。在500多天的时间里,宗智、林哲率领技术团队,从方案设计、送审设计、详细设计到完工设计,在技术层面上环环相扣,精雕细刻,而每一次对困难的征服又无不闪耀着科技创新的亮点。

8月30日,我们访问了亚太地区学术研究方面颇有影响力的一所大学――香港科技大学。她位于香港西贡美丽的清水湾,座山面海,附近有零星岛屿,海水清澈,海面上不时有船只、游艇经过,激起美丽的浪花。学校广场中心平台上有一只展翅跃跃欲飞的红鸟雕塑,寓意为科技大学为每位学子提供一个良好的平台,所有经过科技大学教育的学子都将从这里展翅高飞。

  1987 年,在比利时布鲁塞尔国际发明博览会上,机械动力学和工程机械专家、东北大学教授闻邦椿因在惯性共振式概率筛研究上的杰出成就荣获“尤里卡金奖”,还获得了个人发明“骑士”勋章一枚。中科院院士闻邦椿与他的科研团队在振动机械和工程机械领域内矢志不渝地创新、实践,先后研制成10 多种新型机械装备,使振动这一现象变害为利、造福社会,创造了巨大的社会和经济效益。

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香港科技大学建校于1991年,下设理学院、工学院、工商管理学院和人文社会科学学院。虽然这所大学起步时间晚,但是发展迅速,在亚太地区深具学术影响力。其工商管理学院倍受国际认同,被英国金融时报杂志评为亚太第一水平。

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碰到的难题可谓“此起彼伏”。最大的问题就是该船属于对既有船舶的改装,原船是按照日本船级社设计的,改造船要按照中国船级社要求设计。倘若制造新船,完全可以没有羁绊地考虑问题。但现在不行,一方面要受制于已有的条件,在既有船舶“框架”下进行“不得已而为之”的发挥;另一方面,以满足远洋拥有无限航区船舶上浮与下潜双重功能要求为目标,他们必须大胆突破一些“禁区”,做前人没有做过的尝试,而所有的破规之举又必须以保证安全为前提! 为此,宗智、林哲率领技术团队,绞尽脑汁,用心良苦。扎实雄厚的理论基础,高水平的分析计算能力,让他们闯过了一道道难关。《中国船级社钢质海船建造规范》规定,船宽比型深应小于或等于2.5。根据“发展之路”要求,他们自主创新,突破规范,使半潜运输船的船宽主尺度大于2.5。在设计中,马骏副教授和年轻讲师钱昆博士采用直接法计算半潜运输船的波浪载荷和全船结构响应,为船舶设计模式的改变再添贡献。考虑到船舶上浮和下潜时可能遇到的复杂多变情况,为确保万无一失,他们使用概率法计算半潜运输船的破舱稳性,计算工况曾多达990个。采用最新的半潜船设计理念,利用压载舱内外水头差,既满足船级社规范的安全性要求,又满足了船东“苛刻”的要求。为达到2009年1月1日实行的新的SOLAS公约环保标准,通过燃油舱双层和概率稳性计算,满足了最新的防污染要求。 纵观整个研发设计过程,波浪载荷的计算、概率稳性计算、全船有限元的结构分析、振动分析等,可以称为该半潜运输船具有代表性的设计方法创新亮点。通过设计四道总舱壁,实现了总纵强度的加强;双层燃油舱放在甲板上、 船舶两侧设浮体、甲板宽度增加等等,则体现了产品的创新点。 500天“鏖战”靠一种精神 在500多天的时间里,团队成员犹如投入一场战斗,战略上藐视,战术上重视,一路抢关夺隘,勇往直前。 为了集中工作,也方便加班加点,从接到设计任务开始,他们就在学校科技园B座租下一套房间,在那里摆开“战场”。不计早晚,不分节假日。加班至深夜走出大楼时,常常已是月朗星稀。最紧张的时候,办公室的灯几乎彻夜不熄。林哲总是多次干到凌晨三四点,其爱人知道项目正叫劲儿,没有怨言,全力支持。一次,他后半夜回家时间太晚,小区的大门已经上锁,无奈,只好爬墙而入,做了一次“墙上君子”。 500多天里,项目组始终与中交集团一航局、中国船级社、广州审图中心、山海关船舶重工有限公司等方面保持电话和网上的热线沟通,咨询各方面专家,对设计方案进行反复修改,前后差不多有近百次。最后制出设计图纸四五十张,各种资料摞在一起有一米多高。宗智教授、林哲副教授等多次到北京、天津、上海、山海关等地参加设计方案讨论评审,征询意见。一次,从山海关回大连的火车、汽车票非常紧张,为节省时间赶回学校,他们只好取道秦皇岛辗转沈阳不惜一路辛苦。 特别是郭东明常务副校长,运载工程与力学学部黄一书记,当时学校科技处赵明山处长、郝海副处长等,在项目进展到关键时刻都给予了极大帮助。如果没有他们的支持,该项目很难完成。 还有洪明、王少新、张忠业、王世联、邢金有等老师及研究生等,为了做项目不讲条件,不计报酬,倾其心血。在宗智教授、林哲副教授的带领下,大家完成半潜运输船的设计计算工作量一艘不小于5艘常规船。 2008年12月在中国船级社主持召集用户方、设计方、制造方等单位参加的项目评审会上,“发展之路”半潜运输船改装设计方案接受了当时中国唯一具有半潜运输船设计经验的顶尖专家最严格的审查。宗智教授代表学校作了一上午的详细汇报答辩。下午专家进行讨论,非常热烈。中国船级社“发展之路”项目评审组专家对大连理工大学的设计工作给予充分肯定,评价该方案做得严谨完善,“事先能想到的细节都考虑到了,没有想要的因素也都考虑进去了。” 设计方案顺利通过评审“放行”后,一位权威专家曾跟宗老师、林老师笑着“爆料”:当初来参加评审时就是准备把你们“毙”掉的,没想到你们做了充分的计算和设计。 爱拼才会赢。宗智教授等人用一种特别能战斗、特别能吃苦的精神精心打造的设计佳作彻底征服了各路专家,征服了船东。“发展之路”与数项“第一” 技术团队的师生们实在难掩激动,500多天的奋战,大家的精诚合作,终于赢来了这一天——“发展之路”半潜运输船改装设计制造成功,标志着大连理工大学在高科技和高附加值船舶研发和设计方面已处于领先地位,并跻身国内具有半潜运输船设计能力和经验单位,同时也是以直接法设计半潜运输船的单位。 在“发展之路” 半潜运输船改装设计的大舞台上,我校科研人员用多年的理论积淀展示了他们的才华;用自主创新的大胆尝试,为中国船舶与海洋工程事业发展提供了技术支持;用不输任何人征服困难的勇气,证明了大工人的优秀。

科技大学协理学术副校长庞鼎全教授和研究生教务主任张启祥热情地接待了我们。庞教授说,香港科技大学的成功缘于“天时”、“地利”和“人和”。“天时”是香港经济正在起飞,“地利”指香港为内地和东南亚与其他国家之间交流的平台,“人和”在于科技大学定位清晰,是一个研究型的大学。在科技大学的远景规划中早已明确指出:在未来15年内成长为全球的学术领袖,重点发展五大研究领域,分别是纳米科技、生物科学及生物技术、电子学、无线通讯及资讯科技、可持续发展:能源与环境、工商管理教育及研究。

“穷且益坚”的求学之路

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庞副校长和张主任都认为:科技大学最大的优势是汇聚了国际一流的教师和素质一流的学生,他们“追求卓越,奋发求进”。学校的教师分为教授、副教授和助理教授三级,招聘非常严格,需要经过校长和学术副校长的考察。新来的教师没有杂务,待遇丰厚,可以专心做研究,若6年内达不到学校规定的标准就必须离开。对学生,则提倡“全人发展”的教育,要求各个专业的学生必须修习艺术、音乐、历史、哲学等人文和历史学科,避免思维局限于自己本学科本专业,扩大视野,结交各界朋友。

  步入东北大学60 余年,他从一名机械系的学生成长为中科院院士,创建了振动学与机械学相结合的“振动利用工程”新学科,发展了“工程非线性振动”学科,构建了以非线性动力学为基础的深层次产品广义动态设计理论的新体系,并将这种方法应用于工程中……

“发展之路”号试航成功书写了中国半潜运输船改装设计四项国内第一:以直接法为主计算半潜运输船的波浪载荷和全船结构响应,为船舶设计模式的转变再做贡献;使用概率法计算半潜船破舱稳性,促进了概率稳性计算在半潜运输船设计中的推广;采用2009年1月1日公布的SOLAS公约,满足了最新防污染要求;采用了最新的半潜运输船设计理念。由于半潜运输船规范、检验规则尚处于摸索阶段,“发展之路”试航成功也为海事部门完善船舶规范、检验规则留下了宝贵经验。 近期,“发展之路”号半潜运输船将赴韩国承担运输任务。承载着中国人自主创新的智慧与梦想,承载着大连理工大学的自豪与骄傲,愿首航的“发展之路”号乘风破浪顺利到达异国彼岸!

随后,我们与科大研究生吴旭升、周伟华、李英顺和周国伟就专业设置、研究方向和资源筹集等问题进行座谈,并参观了他们的微电子实验室、物流和生产制造系统实验室。科大的微电子实验室尤其令人印象深刻,他们为学生实验提供大量国际一流的设备。这些设备并不用于制造产品,并且整套设备维护运行的成本大大超过购买时的费用。

  执教50 余载,他从东北工学院的普通教员成长为东北大学的博士生导师,始终奋战在教学的第一线,指导了200余名研究生及访问学者,其中,94 名研究生取得了硕士学位,71 名研究生获得了博士学位,指导博士后13 名,现在都已成为我国振动工程和机械工程领域的高端人才和科技精英……

相比香港其他大学,科技大学的气魄更为恢宏,如学生会贴出了“一统天下”的巨大横幅,教学楼虽只一幢却设计大气。同时,这所大学也很具有开放性,科技大学有70%的博士生来自内地,她的图书馆向外界任何人开放,免费阅览。五层的图书馆宽敞明亮,藏书60万册,还配以大量的电脑供同学们自由查找网络资源。室内环境优雅,各式桌椅沙发布置有序,智能控制的滑动书架大大节省了空间。馆外的天一泉,中心的一块石头,被周边5块大石头环绕着,它们各自喷出水流,彼此浇灌,象征着五大洲之间的学术交流和相互沟通,这也是科技大学学子的精神。取名“天一”,表示天人合一的意境。令人意外的是,天一泉的设计来自澳大利亚建筑家。在香港,随处可以看到中西合璧的迹象。

  “艰难困苦,玉汝于成”是闻邦椿院士成长经历的真实写照。

香港科技大学的宿舍设计也很美丽,并与教学楼相连。难能可贵的是,学校宿舍管理人员的服务意识很强,努力去满足学生合理的需要,并尊重学生的个人隐私。以人为本的精神处处体现在学校的教学、研究和生活的方方面面。

  闻邦椿1930 年出生于江南小城浙江温岭,1946 年考入了被称为当地“最高学府”的台州中学,就读于高中部。这所学校离闻邦椿家30 公里,为节省路费,每次回家返校他都长途跋涉一整天。这种艰苦的环境锻炼了闻邦椿吃苦耐劳的精神和坚强的意志。1949 年,高中三年级的闻邦椿参加了中国人民解放军,然而,命运似乎在故意考验他,一年后,由于患上淋巴结核,他不得不复员返乡。部队生活虽然只有一年,但在这个纪律严明、处处讲究整齐划一的特殊群体,闻邦椿养成了严肃快捷的工作作风、质朴的生活方式和严格的时间观念。

图片 4从香港科技大学学术大楼7层观景厅鸟瞰 图片 5香港科技大学的研究生教务主任张启祥接待我们,右一为我校魏志敏副书记,左一为我校杨晓光教授 图片 6北航研究生赴香港高校学术交流访问团在香港科技大学的大学中心合影

  1951 年,闻邦椿复员回家补习完高中课程后,考入了东北工学院机械系。这是一所以培养冶金工业方面人才为主的大学,在本科阶段,闻邦椿如饥似渴地学习,平时不仅认真学习机械制图等专业课,还对俄语的语法、句法反复分析运用,在当时的历史背景下,根基深厚的俄语基础为闻邦椿研究生期间的学习和后来的科研工作打好了基础。

  1955年9 月,闻邦椿以优异的成绩完成了大学本科的学习,入选东北工学院机械系研究生班。在苏联专家、莫斯科矿业学院副院长索苏诺夫的指导下,选择了当时国家急需的“振动机械的理论及应用”这个课题作为自己的研究方向,并毕生为之奋斗。

  在本科学习阶段,一向体质虚弱的闻邦椿淋巴结核病复发了,为了治好病,学校为他使用了现在看来十分普通,但是当时却十分稀缺、珍贵的药品链霉素,使他的淋巴结核彻底被治愈。这件事深深地触动了闻邦椿,他曾深情地回忆道: “一种新药可以治好一种顽疾,可以给人的肌体注入新的活力,而新的科学技术可以为整个社会进步增加推动力,从此我更加坚定了献身科学、造福人类的决心和信心。”

  闻邦椿对在东北工学院本科阶段时期的学习有这样的感受:“学校特别重视教学与实践的联系,在工厂实习期间,老师会给我们提出一些实际问题,启发我们去思考,例如关于皮带机托辊阻力系数的测量方法的讨论,当时我们纷纷提出各种测量方法;我们毕业设计的题目,也都是根据企业的实际需求确定的。”闻邦椿还多次提到自己在学习上的殊胜法宝:努力分析和研究各门学科的内在规律和联系,通过掌握学科间的“规律”和“联系”来把握这些知识,为此,他还自学了逻辑学,运用逻辑学中的内涵和外延、分类和比较等规则来理清学科的内在结构和各学科之间的联系,从整体上掌握了知识体系。他认为,大学阶段是一个十分重要的学习阶段,不仅要学习基础知识、专业知识,更要掌握科学的方法,学习的根本目的是为了培养自学能力、分析能力,解决问题的能力、实践的能力、创新的能力等。掌握了这些能力,再加上科学的方法,任何工作都能很好地完成。

  研究生期间,闻邦椿的一件惊人之举被推上了全校的风口浪尖:通过理论分析与实验,他发现苏联出版的《选矿机械》等教科书所叙述的苏联的列文松教授关于振动筛动力学计算的一个基本公式有错误,与此同时,他又恰好发现国内一篇关于振动球磨机的论文中引用了列文松教授的公式。他意识到,如果不指出这个公式的错误,会给我国振动科学的发展带来严重的不良影响。于是,他对列文松教授的公式提出了异议,勇敢地指出列文松教授公式的错误。在上世纪50 年代,要指出这样的错误,是要承担巨大政治风险的:如果对苏联教授批评错了,就会被戴帽子,在政治上就会被打入另册。闻邦椿的举动果然引起了非议,有人说:“太狂妄了,一个研究生竟敢质疑苏联教授!”闻邦椿对此据理力争:“科学的东西来不得半点虚假,教授也是人,也会有错误。科学的怀疑与批判本身就是创造精神,不能拘泥于现有的教材和已得出的结论。”在科学面前,没有永远的权威,不久,国内外先后有人也通过研究发现了这个公式的错误,闻邦椿胜利了。