「疲劳」人生 记中国工程院张福泽院士

 
「疲劳」人生 记中国工程院张福泽院士
2017-09-20 15:48:08 /故事大全 /被围观

  张福泽,1936年出生于辽宁岫岩。1962年毕业于北京航空学院(现为北京航空航天大学),同年10月分配到空军第一研究所(现为空军装备研究院某航空研究所,简称航空所),历任技术员、工程师、高级工程师,空军首席专家,解放军总装备部科学技术委员会兼职委员、顾问,中央军委科学技术委员会顾问等职。从事飞机寿命与可靠性研究。1995年当选为中国工程院院士。

  他先后荣获全国科学大会成果奖2项,国家科技进步一、二等奖各1项,军队科技进步一等奖4项、二等奖4项。1990年被评为国家级有突出贡献的中青年专家。1992年评为全国12名“科技英才”人物之一。1996年分别荣获首届全军专业技术重大贡献奖和香港第三届何梁何利基金科学与技术进步奖,2003年获首届空军专业技术重大贡献奖。先后受聘空军工程大学教授,北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学兼职教授。是我国十余家航空工业公司和研究所,在飞机定寿方面的技术顾问及多个科技学会的理事。

  飞机使用寿命有二大指标:一是疲劳寿命,二是日历寿命。疲劳寿命是指在重复载荷作用下能够飞行的小时数;日历寿命是指飞机在使用环境和使用条件下,能够完成使用功能的持续日历时间。每种飞机寿命(指结构寿命,下同)在使用环境和条件下,它是一个客观存在的定值。这个定值是靠人们用科学的方法,把它确定下来。如果飞机寿命值确定过高,会造成飞机的可靠性降低,给使用部门造成后患;寿命确定低了,会使飞机该具有的性能没发挥出来,给国家造成经济损失和财力物力的浪费。因此,合理确定飞机寿命指标,是保障飞行安全和充分发挥飞机经济效能的关键。对此,国际业界的专家、学者,围绕飞机寿命展开了长期的研究与探索。

  张福泽自1966年底步入飞机结构寿命和可靠性的研究领域之后,一直在这一领域的科研一线从事飞机疲劳寿命、日历寿命的研究工作。在不断探索、创新、追求和攀登中度过了50多年的科学研究生涯,以发明、开拓和超越演绎着他的“疲劳”人生。

  敢于担当

  1962年,张福泽从北京航空学院毕业,分配到航空所当上了一名技术员。1967年春节前夕的一天,已5年没回老家的张福泽买好了火车票正在宿舍收拾行李准备回家过年。这时,室负责人推门进来说:“上海空军飞机修理厂有一架飞机修好了,但出不了厂,你去了解一下情况。”于是,张福泽退了回乡的车票,踏上了驶向上海的列车。到工厂后张福泽了解到,飞机出不了厂的原因是没有总寿命时间,厂方不敢签字。他还了解到,因为飞机没有总寿命,厂方不敢签字出厂的飞机还有数十架!按理说,情况了解后就可打道回府了。可张福泽的第一反应是:汽车到寿了,开不动,不会有什么大的危险;若飞机到寿了,如果还往天上飞,后果就不堪设想,如没有到寿而停飞又会造成巨大浪费。“这么多飞机急需定寿,我不能空手而归,应对国家、对部队尽点职负点责。”

  张福泽明知自己是学飞机设计专业的,对飞机定寿知之不多,况且,领导并没有交给他这一任务,只是让他来了解一下情况。此外,他也清楚上级早就给所里下达了为飞机定寿的任务,所里已组织力量进行了多年攻关,还做了飞机的静力试验,但一直没有结果。为了使飞机尽快出厂,他毅然选择了为飞机定寿。于是,他在上海一待就是3个月,春节也是在工厂过的。张福泽琢磨着:飞机的使用寿命主要是通过疲劳试验来确定。发达国家给飞机定寿一般采用整机疲劳试验的办法,这需要昂贵的设备,耗资巨大,我们能否通过做主要部件的疲劳试验来确定飞机的寿命呢?

  张福泽没有学过疲劳专业,对应该给哪个部件做疲劳试验两眼一抹黑。他凝视着被分解的飞机,脑海的创意左冲右突:一个人能站起来主要靠脊柱、腿骨来支撑,如果这些部位出了问题,就立不起来了。飞机也应该是这样。以此来分析,飞机的关键点就在机身大梁和机翼大梁了。它们就像脊柱和腿骨一样支撑着整个飞机。最普通的逻辑推理往往孕育着最伟大的科学构想。他突然产生了一个大胆的想法:做机身大梁和机翼大梁疲劳试验!于是,跑图书馆查资料,找专家请教,蹲车间考察……,3个月后,一份定寿方案和大梁疲劳试验草图摆在了所领导的案头。所领导认为张福泽试验方案的方向对头,又是空军急需解决的难题,可以按其方案进行实验,并让他担任课题组长牵头攻关。从此,张福泽与“疲劳”结下不解之缘。

  然而,做疲劳试验的关键是载荷谱和试验设备。可在当时,用于疲劳试验的载荷谱和试验设备都没有,一切都得从头开始研究。张福泽带领课题组成员到飞行次数较多、飞行科目较全的飞行部队,在飞机上装上单向过载自记器,克服重重困难,边学边测,并对实测记录进行整理,创造性地编制出我国第一个实测飞机疲劳载荷谱,为飞机的定寿、延寿研究,提供了真实实测数据和具体测谱方法。没有试验设备,他亲自设计,并带领课题组人员自力更生,先后研制成功立式、卧式两套试验设备,并获国家发明奖。没有试验厂房就选择办公楼一层的一段走廊作实验室,对机身主梁和机翼主梁做试验。接着又率领机群延寿课题组成员,苦战十余年,最终将乌米格-15和米格-15比斯这两种飞机由原定的总使用寿命1700飞行小时分别延至3700和3200飞行小时,相当于为军队新增千余架飞机。该课题1978年获全国科学大会奖,张福泽位到获奖名单第一人。

  1972年,一架歼-5飞机在一次空战表演时空中解体,造成机毁人亡的事故。空军领导忧心忡忡,担心这类事故再次发生。没想到1974年,又一架歼-5发生同样的事故。不仅牺牲了用黄金培养出来的飞行员,而且造成歼-5飞机的全部停飞。事故引起了中央军委和国务院的高度重视,当时主持军委工作的叶剑英元帅亲自过问此事并听取汇报。由此,对于飞机寿命的研究也引起了军方高层的重视和人们的关注。

  其实,在空军平日的飞行中,飞机座舱盖爆破、起落架折断等事故也时有发生,各系统附件和电子产品的故障更是层出不穷,这些问题不解决,不仅对飞机飞行安全和出勤率直接产生影响,而且影响我国航空事业的发展。80年代初,上级领导机关决定,把解决航空装备定寿和可靠性问题这一重大工程交给空军,原国防科工委拨给空军7500万元,作为当时在研的3个机型开展定寿和可靠性工作经费。

  要知道,1980年代前,我国近万架军用飞机,无论是外购的、仿制的、自行研制的,由于都是按静强度设计的,未做疲劳试验,均未给出寿命时间。因此,使用、修理都存在盲目性,飞行事故屡屡发生。这些飞机急待定寿或延寿。为此,空军、总参装备部、总后勤部和国防科工委等领导机关都很着急。为了解决这一重大的历史遗留的系统工程项目,空海军和航空部曾多方努力向国家进一步申请经费,但都没有得到解决,国家还是坚持搞在研的3个新机型的寿命课题。在定寿技术方法上,也没找到解决这个系统工程项目的办法,因此这项意义重大的系统工程项目一度无法进行。

  在研究经费严重不足,上下观点存在矛盾的情况下,围绕如何解决近万架飞机的定寿延寿,在空军机关帮忙的张福泽日思夜想,寝食不安。他利用调研摸底阶段的业余和节假日时间,加班加点把自己在1985年底研究的“系列飞机定寿法”,结合我国在研的新机种和现役的老机种的实际情况,进一步充实和完善,使它在基本原理上更合理,在实际应用上更切实可行。就这样,又经过几个月深入研究后,他在一次空军召开的飞机疲劳寿命专业会上,介绍了“系列飞机定寿法”,引起了到会的专家、教授和空海军代表的极大兴趣,并进行了多次热烈讨论。大家一致认为,这是解决我国积压40余年的近万架多系列飞机寿命的有效技术方法。最后大家一致同意,把“系列飞机定寿法”作为我国各系列飞机定寿的指导方法。

  所谓“系列飞机定寿法”,就是打破现役老机种和新机种的界线,把全国近万架、17种机型飞机划分成若干个系列(即把飞行性能,机体结构受力,结构使用材料,制造工艺等特点相近的机型划分为一个系列),然后一个系列一个系列的定寿延寿。它是应用张福泽的类比计算寿命原理,根据我国经费少,飞机多,而且又都急需定寿的实际,提出的工程方法。

  我国对17种机型近万架飞机结构定延寿课题是个重大系统工程项目,涉及的技术是当代多领域、多学科,技术密集型的复杂工程技术问题,是一项规模庞大,需全国航空疲劳界几十个单位,数百人共同奋斗的大系统工程项目,其工作量和难度都是十分巨大的。为了把这个复杂系统工程项目搞好,1986年,总参谋部决定在空军成立空军航空技术装备可靠性办公室,张福泽任总工程师。

  作为总工程师,张福泽不仅要制定17种飞机定寿、延寿的总技术方案,还要深入实际,解决各系列飞机定寿、延寿中的技术难点和关键技术问题;不仅要进行技术管理,还要研究一些国际前沿新理论和新技术,以指导系列飞机定寿,提高飞机定寿水平;而且还要把全国航空界疲劳专家们组织起来,根据各系列飞机的具体情况,灵活运用“系列飞机定寿法”,使各系列飞机定寿、延寿工作得以圆满完成。

  在担任总工程师的十几年中,张福泽除了吃饭睡觉外,满脑子装的都是系列飞机定延寿的问题。为了我国近万架飞机定寿和延寿,张福泽是马不停蹄,从南到北,从东到西,日夜兼程。在这期间里,他没休过一次假,也不知熬过多少不眠之夜。

  功夫不负有心人,仅用3个机型飞机的定寿经费(7500万元)完成了17个机型近万架飞机的定寿延寿庞大系统工程项目,不仅创造出近40亿元的经济价值,而且还通过定寿把疲劳断裂隐患找到,并采取延寿措施,使近万架飞机再没有发生疲劳断裂大事故,确保了飞行安全,产生巨大军事价值。这不能不说是个奇迹,不能不说是个跨越,不能不说是个创举!作为总师的张福泽功不可没!1995年这一课题荣获国家科学技术进步奖一等奖,张福泽位列获奖名单第一人!

  勇于创新

  张福泽是一个不畏艰难勇于创新的人。他认为,一个民族,没有独立自主、开拓创新的精神和行动,就永远是落后的民族;一个科技工作者在自己的工作中,没有自力更生、勇于探索、开拓创新的意识和行动,就永远处于被动,永远创造不出一片属于自己的天地。

  早在20世纪60年代,张福泽带领团队,研制成功我国第一台一次可以试验3个部件的受力自身平衡疲劳试验设备。1975年,因歼-5飞机定寿需要,上级决定再做一台这种疲劳试验设备。按理说,图纸资料都是现成的,照葫芦画瓢就完事了。可张福泽认为,既然要重做这一套设备,就应该在原来的基础上有所创新,更为先进。他开动脑筋,苦干两个月,设计了一套一次可以试验4个机翼主梁和两个机身主梁的卧式疲劳试验设备图样,这种试验设备不仅试验件数由3件提高到6件,而且取消了原设备的承载支持部件,使6个试验件巧妙地构成一个自身平衡系统,使试件受力更准确,设备更轻便,使用更简单。这台新研制的设备不仅获得全国科学大会奖,还荣获国家发明奖。

  1977年,空军装备部下达了对歼-6飞机增挂炸弹的改装任务。为此,有关部门成立了一个攻关课题组。根据一般的理论和经验,这种改装须改动机体结构,增加加强框或加强肋,使其能经受住增加的巨大负荷。因此在预研中,有人拿出了一个改装方案,但该方案几乎要将飞机的后机身结构从新设计和制造。也就是说需大拆大卸,更换部件后再重新组装。这不仅使改装难度加大,费用增加,时间周期延长,而且部队修理厂因设备条件不够,很难完成。但在没有更好方案的情况下,有关部门只好决定先行动工,按此方案进行试制。张福泽被调到课题组后,给他的任务是强度计算,通过研究,他总觉得这不是个好方案。经过一番仔细的调研分析和独立思考,决定另辟蹊径,用自己创新的“类比计算法”,对飞机总体强度和部件强度进行严密的分析、计算后,提出了一个最佳最短传力的挂弹方案,即将新设计的挂弹装置,安装在机翼与机身对接的螺栓上,不动机身、机翼任何结构,就达到了改装的要求和目的。这个方案一拿到课题组专门会议上讨论,即获得一致同意。在机关支持、课题组共同努力下,很快第一架样机改装出来,经过试飞、试投,效果良好,经空军有关部门研究确定,先行投入小批改装。实践证明,张福泽提出的这一改装方案,不仅避免了大拆大卸和重新设计制造后机身的繁杂工序,节省了许多材料和费用,还使改装变得简单方便,不进修理厂,在外场就可施行,改装周期也大大缩短了。更重要的是,由于机翼机身连接部位的刚度大,且靠近飞机的重心位置,使投弹的命中率得以提升,从而大大提高了飞机加挂炸弹的军事效益。为此,挂弹改装项目荣获了国家科学大会奖。

  张福泽除了在工程项目中,喜欢别出心裁琢磨出一些新道道外,在国际疲劳理论领域,也敢于向传统观念挑战,向书本和权威质疑,力求有所创造、有所突破。他先后发表50多篇论文,逐步形成了独树一帜的飞机疲劳理论体系。

  他在国际上首创“裂纹形成和裂纹扩展寿命的两个类比计算模型”,为国际疲劳界提供一种新的寿命计算公式和方法,被誉为“张氏类比模型”。在此之前,结构寿命主要靠全尺寸结构的疲劳试验和寿命计算两种各自独立的方法来确定,两者的结果往往相差很大,很难统一。“寿命类比定寿法”把全尺寸疲劳试验和寿命计算统一到了一起。

  他在国际疲劳领域,首创“代表起落谱”和编制方法。解决了国际上一直没有解决的“载荷迟滞效应”和“随机载荷作用点控制”的两大难题,被誉为“里程碑”、“张氏谱”。

  此外,他首先研究出“寿命系数定寿法”,解决了国内外无法减少全尺寸疲劳试验时间的难题;首先发明了“耗损系数单机寿命监控法”,克服了国内外现行监控无法解决的一些难题;他在寿命分散性规律方面拨乱反正,引领疲劳分散系数发展30年,并得到国内外学术界认可,对提高飞机、交通、汽车、火车、机械以及各类动力装置疲劳寿命的安全性与可靠性均有重要意义和使用价值;在国际上首次论证出飞续飞载荷谱不能降低分散系数的结论,纠正了国际上与此相悖的错误……

  由于一系列的重要学术成果受到业界青睐,张福泽先后应邀赴美国、英国、德国、法国、澳大利亚、俄罗斯、日本、新加坡等国参加学术会议、讲学和交流,得到国际同行很高的评价。

  再攀高峰

  雨果曾说:“所谓活着的人,就是不断挑战的人,不断攀登命运的人。”人生能有几回搏!不拼搏,居里夫人就不会发现镭,詹天佑就不会筑成京张铁路……

  张福泽在单位也被人称之为“拼命三郎”。1995年,他当选为中国工程院院士,也是中国空军第一位院士,但他没把这一荣誉当成终点,而是把它作为新的起点。1996年,已到花甲之年的他开始研究飞机日历寿命,决心为攻克这一世界性难题拼一次搏一回。

  飞机日历寿命,是指飞机在使用环境(如温度、湿度、化学、振动、冲击及其他介质)和使用条件(如使用应力、维护条件、储藏条件)下,能够完成使用功能的持续日历时间。飞机日历寿命常以日历年为单位来表示,它包括飞机结构组装完成后所经历的全部日历时间,其中有飞行时间和地面停放时间(间歇性停放、维护、修理、存储等)。飞机日历寿命是新机研制的一项重要战术技术指标,是飞机二大寿命指标(疲劳寿命和日历寿命)之一。飞机疲劳寿命的确定,经过国际上诸多专家学者长期的研究探索,已经有一套成熟的试验方法和计算理论。而日历寿命的确定,国内外仍没有找到一种可靠有效的的理论计算方法和相应的试验方法。目前飞机日历寿命的给出,尚没有做真实使用环境下的有效理论计算和试验,是靠经验和拍脑袋给出的。这样无根据的长期使用,使腐蚀部位的损伤值达到或超过容限值导致飞机或其它机械灾难的事故发生。如1981年,中国台湾一架波音747飞机,因机身腐蚀空中解体,造成150人遇难;2002年美国一架F-15飞机由于尾翼腐蚀断裂在空中解体;2001年我国歼-8飞机由于机身一个主要承力框腐蚀几乎断裂,险些摔飞机。1984年,印度一个化学管道由于腐蚀开裂,造成3000多人死亡,18万人受重伤;1992年,墨西哥一家工厂的油管道腐蚀泄漏,造成300人死亡,这类腐蚀事故在世界各地每年都屡屡发生,给国家和人民造成重大的经济损失和人员伤亡。自20世纪70年代开始,特别是80年代以来,随着现代飞机对使用寿命要求越来越高,特别是随着飞机在使用中暴露出来的腐蚀和腐蚀疲劳问题越来越严重,如何从日历寿命角度解决飞机使用寿命问题就显得越来越重要、越来越紧迫,已到达非解决不可的地步。因此各国学术界多年来都把机械日力寿命的可靠确定,当成皇冠上的明珠来追逐,但飞机身处的各种使用环境复杂,编制环境谱与试验谱难;飞机面临的各个环境因素多且复杂,进行模拟试验难;能影响飞机日历寿命的内外因素太多,理论模型建立难;飞机日历寿命试验,不能在使用环境中进行,当量折算难;飞机自身的结构组件就很复杂,而其之间的关联更加复杂,如何综合给出寿命难;研究周期长,花费时间精力多,没有经验可鉴,取得成果难。由于面临诸多难题,自1813年《法拉弟定律》创立至今已200多年了,国内外仍没有找到一种可靠有效的理论计算方法和相应的试验方法。

  为攻克这一世界难题,张福泽设想了要达到的研究目标:即用使用环境参数和试验曲线,计算给出金属和涂层的使用日历寿命;直接用环境参数进行试验,给出试验的金属和涂层日历寿命。最终能像疲劳定寿那样,可以通过计算和试验,分别给出机械(飞机)计算使用日历寿命和试验使用日历寿命。

  都说确定目标是运筹帷幄,实现目标是布兵打仗。那么,采取什么技术途径来实现目标呢?考虑到飞机日历寿命与腐蚀有很大关系,因此,张福泽刚踏入日历寿命领域的第一年,主要是从腐蚀学科入手,进行跟踪学习。为了掌握了解这一学科研究发展情况,他查阅了大量有关资料,发现腐蚀学科已从微观到宏观研究的很深、很透,论文如云似海,但仔细分析认为它给不出真实使用环境的日历寿命。这是因为机械日历寿命属多学科的问题,仅靠腐蚀单学科是无法解决的。因此,从踏入腐蚀领域的第二年,他决定另起炉灶,从头探索。他开始对腐蚀、疲劳、损伤力学、材料和表面工程学等综合交叉研究。经过20年的艰难探索,终于有了初步结果。2015年5月,他在空军召开的一次会议上宣读了日历寿命研究论文,介绍了研究取得的初步成果,令与会者震惊。同年10月,第五届全军高层次科技创新人才工程学术交流会在武汉召开,张福泽应邀到会作了题为《金属日历寿命确定的新理论新方法研究》的报告,介绍了在飞机(金属)日历寿命研究方面的新突破:研究出金属和涂层的日历寿命理论计算公式、金属和涂层的试验日历寿命确定方法、机械总日历寿命和翻修期计算公式、三维等腐蚀损伤谱编制原理以及机械日历寿命确定的分散系数和取值。这是一套完整的日历寿命确定的新理论体系和方法,经真实环境谱的试验验证,理论计算和试验结果吻合,已在少部分飞机日历寿命确定中得到应用。与会专家认为,这是目前国际其它理论和方法无法达到的,是历史性突破。

  如今,人们应用张院士的上述研究成果,就可以实现像疲劳定寿那样,通过理论计算和试验给出飞机(机械)日历寿命了。《科技日报》对此作了题为《新理论能更准确预计飞机金属日历寿命》的报道,国内知名的学术刊物《前沿科学》全文刊载,立即引起了业内学术界及专家的高度关注和赞扬。12月15日《空军报》在头版头条报道了这一消息,12月18日《解放军报》也予以报道,称这一研究“开启了国际机械日历寿命确定的新篇章”。从1999年开始,张福泽陆续在国内外学术期刊发表与该理论相关论文21篇,一些技术成果申报了国家发明专利,现已获国家发明专利5项。上述研究成果,目前已在少部分飞机日历寿命确定中得到应用,取得很好的效果。其实,对于飞机(机械)日历寿命的研究,张福泽开始并没有什么把握,因而没有向上级或有关部门申请科研立项和经费及助研人员,而是自己在不耽搁现有工作的前提下,利用一切可利用的时间学习研究,推导运算。苦也好,累也罢,失败也好,寂寞、坐冷板凳也罢,义无返顾,始终朝着自己既定目标勇往直前……

  他深有感触地说,只有拼出来的美丽,没有等出来的辉煌,爱拼才会赢!

  如今,已是耄耋之年的他仍在“疲劳”领域不断地探索、辛勤地耕耘,继续书写壮丽的“疲劳”人生。

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