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一代力学大师唐照千
2013-04-22  点击:[]

唐照千(1932~1984),江苏无锡人,固体力学、振动工程和实验力学专家,西安交通大学力学学科创始人和奠基人之一,国家首批博士生导师,《应用力学学报》创刊人。曾任国务院学位委员会学科评议组成员,中国力学学会理事,固体力学委员会振动组副组长,中国仪器仪表委员会理事、试验机委员会委员,陕西力学学会理事,陕西生物医学工程学会理事。
唐照千是力学试验和振动测量的大师,1959年研制的频谱仪被用到70年代,1962年主持国家科委在西安交大建立的“振动测试基地”,研制了机械式、电动式和压电晶体式振动台,涡流测振仪获1979年校科研成果一等奖。也是60年代初成名的国内年轻一代力学家,固体力学造诣深厚,精于理论分析,出版俄文译著3部,在《力学学报》、《SCIENTIA SINICA》等期刊发表圆锥(柱)壳体振动和稳定性论文8篇,学术影响深远。他还是80年代初国内断裂动力学研究的引领者,在《力学学报》、《J. Applied physics》、《固体力学学报》和国际会议发表论文9篇,进入当时世界先进水平行列,“断裂动力学理论和实践研究”获1979年陕西省科技成果一等奖。他还是国内时序分析研究和力学应用的开拓者,80年代初编制多功能建模程序,大力推广免费使用,所主持的国家科委“六五”重点课题《时间序列建模分析》鉴定为“工程应用上居国内领先地位”。

拳拳报国心,悠悠爱校情

唐照千1932年9月18日出生于江苏无锡,其家庭系当地名门望族,祖辈以振兴工商实业享誉乡梓,父兄均系杰出实业家和著名爱国人士。父亲唐君远曾任全国政协委员、江苏省人大代表、上海市政协副主席、上海工商联副主任委员、上海市爱国建设公司董事长。长兄唐翔千曾任香港工商总会副会长、纺织业协会主席,上海东亚毛纺厂经理,并曾在内地投资开办天山毛纺厂等。长嫂曾任香港妇女会会长。二兄唐尧千为美国明尼苏达大学高能物理教授。
无锡唐家书香氛氲,庭训甚严,素来看重品德教育和文化陶养,其爱国敬业、勇于任事、求精务实、造福社会、实业报国的优良家风深深镌刻在唐照千心中,影响了他的一生。唐照千幼年起即以父兄为榜样,志存高远,有志于成为一个有真才实学、报效国家的栋梁之才。
青少年时期,唐照千学习刻苦,勤奋上进,是上海圣芳济中学的高材生。1950年高分考入交通大学动力机械系汽车专业。大学期间,他憧憬祖国建设美好未来,对高深学问和新事物具有强烈的好奇心,注重知识的全面学习和融会贯通,尤其对数学物理、动力机械专业知识、电工电子技术等着力甚多。他还特别注意在课程实验、课外实践方面狠下工夫,为日后从事力学理论分析和实验研究打下坚实基础,并具备了堪称一流的动手能力。1953年7月以优异成绩毕业留校在机械零件教研室任教。
1956年,24岁的唐照千成为首批西迁教师中的一员,随交通大学主体部分由上海迁往西安,在交通大学(西安)应用力学教研室任助教。1957年2月至1959年1月,由于良好的学术素质被选拔为杜庆华教授的助手,任职清华大学工程力学研究班辅导教师。1959-1984年,唐照千历任西安交通大学应用力学专业讲师(1959年2月)、副教授(1979年3月)、教授(1980年2月)和博士生导师(1981年11月)。1959年和1982年两次获校先进工作者称号。
1966年初,正当唐照千意气风发,雄心满满,准备在壳体振动和稳定性研究取得突破性进展的基础上,冲击更高科学目标之际,文化大革命的风暴将他卷入到人生的谷底。文革初期唐照千获莫须有重罪,蒙受巨大不白之冤,给他带来12年的人生磨难,经历无数次的批判、惩罚,乃至承受四年半的牢狱之灾,身心受到极大的摧残和伤害。党的十一届三中全会的春风给唐照千带来了新的生命活力,1979年6月他罹获的冤假错案获得彻底平反,名誉得到完全恢复。
唐照千虽在文革中受到不公正对待,但他爱国之心不变,报国之情如故,视科学事业高于一切,完全把个人得失置之度外。1973年5月获释出狱,校领导前往征求意见时,他表示:“过去的事不谈了,只要求有一个工作条件,快些开展工作”。他不顾体质虚弱,只休息了一星期,就一头扎进了他自己建立并工作了多年的实验室,埋头读书,修理仪器,做自己的实验,偶尔在他人的伴随下外出参加一些学术活动。杜庆华院士回忆说:“记得七十年代中期,他被推荐参加《机械工程手册》振动篇的审阅工作,当时他的境遇并未得到初步改善,但他还是非常认真地从事了所分担的工作”。 钱令希院士也曾感慨道:“唐照千同志平时话语不多,他不是善于词令的人,但他的心却如火,对国家、对交大、对同志、对朋友无不如此。使我感触最深的是:近年来我和他多次交往中,明知道他在十年动乱期间吃过很多苦头,但他却从未在我面前流露半句,真是硬汉子啊!”。他光明磊落,心地仁厚,团结同志,即使对文革中伤害过自己的同事仍持宽容态度,遇事向前看,以大局为重。1980年唐照千赴美前夕,不少人根据其家庭背景和本人坎坷经历,猜测他可能一去不返,从此定居国外。而他坦承表示,美国是资本主义国家,我比别人更了解,祖国再穷总是我的母亲,我不会只为个人安逸、舒适而留居国外。
在国外期间,他十分重视收集新型测试仪器的信息,恳切地说:“我们国家过去在订购仪器方面吃亏太多,一家订购某一种仪器,大家就盲目地竞相仿效,往往造成很大的浪费,我回去后一定要设法改变这种状况”。
访美期间,他把大哥送给他买汽车的钱全部用于购买国内稀缺的书籍资料,以及电子器件、磁带等,用于科研急需。当美国的二嫂问他是否打算留下来时,他说“我是国家派出来进修的,当然要回去”,谢绝了兄嫂挽留,如期返校。
在美期间他为造纸公司解决了纸张折皱问题。他将节余的九千多美元科研经费全部用于资助一位力学副教授出国进修。
1982年9月唐照千结束访美回到西安,有同志关切地询问,你是继续定居下来呢,还是打算调回上海和家人团聚?唐照千毫不迟疑地说:“科学研究和家庭生活二者不可兼得,哪里有条件工作就在哪里!现在回去上海亲友很多,应酬也多,不能集中精力做事。”他谢绝了上海有关单位的优厚待遇,再次选择单身一人在西安。
1983年唐照千作为西安交大赴香港理工学院访问团成员,在港与久别的亲人团聚。父亲、哥哥都希望留下来,或继续出国深造,而他的回答却是:“在国内有我的事业,我们这一代在祖国长大,对祖国是有感情的,总希望自己的国家搞好。我们有能力走自己的道路,完全可以赶上世界先进水平!”

高远的志向,杰出的成就

唐照千青年时代就已取得令人刮目的突出成绩。1962年30岁发表了第一篇学术论文《圆柱壳自由振动的简化计算方法》。随后的4年中,在《力学学报》等学术刊物上接连发表了一系列壳体的理论分析和实验研究的论文,一举成为我国一位知名青年力学家,受到力学前辈名家的广泛关注,给予很高评价。文革后,针对国际力学前沿领域之一的断裂动力学,他刻苦学习钻研,抓紧开展研究,发表了具有创新思想的《裂纹快建扩展的瞬态振动和响应计算模型》论文。尽管天不假年,他的学术生涯并不很长,但在所研究的领域都取得了堪称一流的成果。
唐照千在力学领域的主要成就与贡献有:(1)提出解析求解壳体振动和稳定问题的分解法,克服精确求解时数学计算繁复、难以实现的困难。(2)提出裂纹扩展的瞬态振动模型,正确描述裂纹开裂、止裂全过程中速度变化规律。(3)提倡将时间序列分析法用于振动模态分析,促进该法在结构动力学中的应用。(4)研制各种振动传感器和测试设备,结合科研实际积极推广振动测试技术。兹分述如下:

1、关于解析求解壳体振动和稳定问题的分解法。
上世纪五六十年代,各国在航空、航天技术方面的激烈竞争促使力学学科迅猛发展。作为航空、航天器主要承载结构的壳体(圆柱壳、圆锥壳),其力学行为的研究受到国内外众多学者的重视,虽然各国学者对壳体的静力问题进行不少工作,但对动力学问题,特别是圆锥壳,即使是简单的线性振动问题,却还很少加以研究。一些学者分别取幂函数和三角函数为振型函数,采用Rayleigh法和伽辽金法等直接法求解固有频率。但已有工作的计算结果互有出入,因当时未有实验研究和较精确的理论分析,无法做进一步的评论。
唐照千开始从Donnell型壳体振动方程组出发,采用幂级数解法,得到了圆锥壳振动的通解,但由于计算繁复,在缺乏快速计算机的条件下难以求得固有频率和振型的精确值。1962年唐照千提出了分解法的简化计算方案,考虑到Donnell方程组中已忽略了纵向和周向位移对曲率变化和扭率的影响,因而可将锥壳的振动问题分别按无矩理论(薄膜理论)和力矩理论(相当于薄板弯曲理论)计算,由“并联弹簧”概念将两种结果综合起来,就得到锥壳的固有频率值,使计算大为简化。当按两种理论分别算出的振型函数完全相同且满足全部边界条件时,所得的解是精确的。若得到的振型大致相似,如圆锥壳两种理论的解都是幂级数形式,两振型亦大致相似,就能获得良好精度的近似解。
利用分解法,唐照千求得了圆柱壳、圆锥壳的固有振动特性与侧向均压、均布液压和轴压下圆锥壳屈曲临界载荷等一系列精确解和良好的近似解。
为了更严谨讨论分解法的精度,首先将描述特征值问题的偏微方程组演化为一高阶微分方程,然后分解成一组微分方程,唐照千推出由分解法获得精确解的充分必要条件。并由变分原理证明,由分解法得到的近似解,其值必低于精确值。
新的理论和方法必须经受实践检验。唐照千对由不同制作方法、不同锥顶半角和不同结构型式的20个钢制的完整锥壳和截项锥壳试件,采用三种实验方法精准测量各阶固有频率,测定试件沿母线各点的振动位移,观察振动型式特点。可靠的实验结果显示,初始缺陷对节线位置和振型有一定影响,而对固有频率的影响则较小。测得的频率与计算值相比,对于小锥度的截顶壳体,按相当圆柱壳用分解法已很精确。对于封顶锥壳,分解法得出的结果,就最低频率而言,可以认为是足够精确的,而高阶频率则偏低。实验观察到的沿母线方向振型随周向波数和锥顶半角变化的现象可供直接法选取振型函数时参用。
同样为了累积失稳临界值数据以验证理论的准确性以及观察圆锥壳在沿母线加压和轴向加压两种情况下失稳挠曲形式异同之处作为理论计算时参考。唐照千设计制作了15个两种锥顶半角的截顶锥壳试件。为了尽可能减少初始缺陷对临界载荷的影响,试件是将厚无缝钢管锻成圆锥型管坯后精车而成。试件端部的特殊设计和夹具装置保证试件沿母线加载。实验结果显示,沿母线加载时,圆锥壳失稳情况(临界值数据,失稳波形)与圆柱壳完全相似。实验数据与按小挠度理论计算临界力值相比偏低很多,所以认为用相当圆柱壳概念进行计算是合理的。沿轴线加载时端部产生局部弯曲作用,弯矩对波形的影响很大,使菱形变成椭圆波。实验中大多数壳体无论沿母线加载或轴向加载都首先在小端处失稳。
上述实验工作,尤其是难度较高的锥壳失稳试验,不仅在当时,即使是现在,都对壳体的研究有重要的参考价值。

2、关于裂纹扩展的瞬态振动模型。
直到上世纪六十年代,关于裂纹快速扩展的研究都是假设裂纹以等速扩展,且速度为已知的条件下作数学理论分析。1976年,Keegstra用动态有限元法计算DCB试件在加载点位移固定情况下的裂纹快速扩展,求出扩展速度和长度,但其裂纹速度变化甚大,远非常数。在实验研究方面,包括唐照千在内几位学者都对裂纹扩展速度进行测量,结果表明裂纹扩展速度不是常数,即使有些工作还未测出扩展的全过程。从大量的实验观察可以认为至少在裂纹扩展量不大和存在止裂阶段情况下,裂纹扩展速度为常数的假设与实际不符。
在按严格的数学理论难以解析求解裂纹扩展全过程的状况下,唐照千提出将裂纹快速扩展——止裂过程作为一种瞬态振动问题求解。通过能量等效的原则与断裂力学基本概念(断裂准则等)相联系。计算模型的主要假设是:在裂纹快速扩展过程中,断裂能的消耗用等效阻尼能来表达。经过近似处理最后归结为求解有阻尼的单自由度非线性系统在初位移下的瞬态响应计算问题。以DCB试件为例,裂纹扩展速度的计算结果与已有的实验数据都较好地符合。证明所提出的计算模型是正确、可信的。范天佑教授在其专著 《断裂动力学引论》第六章中介绍了瞬态振动模型。
精确测量裂纹扩展速度是断裂动力学研究的又一难点。唐照千提出一种测量裂纹扩展的涡流检测法。其原理是裂纹扩展使试体表面涡流场改变,随之引起传感线圈中阻抗变化,由此可测知裂纹扩展量。该法能直接记录裂纹扩展量的时间历程曲线(扩展全过程),且灵敏度高、抗干扰性能优良和动态特性好,尤其是使用很简便。在DCB试件上测得的裂纹扩展过程中的速度变化规律是建立正确的断裂动力学模型的重要参照。
提出的裂纹快速扩展的瞬态振动模型和涡流检测法成功观测裂纹扩展全过程,引起了国内外断裂力学学术界的充分重视。
以上述研究成果为主的“断裂动力学理论和实践研究”项目获1979年陕西省科技成果一等奖。

3、关于时间序列分析法用于振动模态分析。
唐照千在美国访问期间(1980—1982年),考察并研究了时间序列分析方法在结构分析中的应用。他提出古老的振动理论不应受到牛顿力学的传统分析方法的束缚。要发展结构运动的统计学方程的研究。由于时序分析是统计数学中已发展得较为成熟的一个分支,基本概念和方法都较完备。时序分析法和振动分析之间又有不少对应的概念和运算方法,且时序分析法将振动响应的测量数据看成一个系统,由响应的测量数据建立系统的数学模型,并不需要对系统做过多的假设,也不一定需要激振信号。在一定程度上避免常用的模态分析方法难以处理如“在线”信号处理、信号短等问题,显示出时序分析法在振动研究中的优势。但要在工程振动分析中大力推广时间序列法面临的难题是编制科学、高效、可靠的计算程序。
1984年在第二届国际模态会议(IMAC)上,唐照千宣读的论文《时间序列分析法应用于振动分析的计算机程序设计》是解决上述问题的技术总结。文中在简述时间序列法主要概念及列出时序分析法各数学模型的特征参数与单自由度振动系统中振动特性之间的关系后,提出了计算机程序设计的思路和方案。即根据工程实际常遇的振动情况,将其分为三类——周期性的、随机性的和混和型的,对它们分别采用AR和ARMA模型,通过最佳模型阶次的搜索,确定最合适的模型,算出模型参数后,就可利用时序分型模型和单自由度振动系统二者参数间的关系计算频率和阻尼等模态特性。算例表明所编制的多功能的时间序列建模程序TSAPMA是有效的,该程序在国内获得广为引用,加速了在工程振动分析中应用时序分析法的进程。有关的《对随机减量技术的数学表示》论文在《应用力学学报》发表。

4、关于研制各种振动测试设备,积极推广振动测试技术。
上世纪50年代未到60年代初,国内对振动测试技术还很生疏。唐照千凭借很强的理论基础和广博的知识,以及在电子仪器、实验技术、计算机应用等方面的优异才能。从1958年开始研制多种原理的振动传感器和测量仪表。1959年研制成功的频谱分析仪,一直被应用到70年代。从1962年开始他领导了国家科委在西安交通大学建立的振动测试基点的工作,研制一整套包括机械式、电动式、压电晶体式振动台,计划建立从低频到高频的整套振动标准设备,后因文化大革命这项工作被迫中断。他协助西北机器厂研制的振动台一直是国内航空部、核工业部各研究所用作环境试验的主要设备。1978年研制成功涡流式测振仪,并及时应用于平顶山电站大型发电机组振动测试,取得成功。在机械工业出版社1978年出版的《机械工程手册》中编写了《振动测试》一章。可以说唐照千不仅是西安交大,而且是西北地区乃至是国内振动测试技术的奠基人。
唐照千生前非常重视振动测试技术,曾说过,力学理论研究工作者和实验工作者不应当分家。正是这一指导思想贯穿他一生的研究工作,无论是壳体的振动和稳定分析,还是断裂动力学研究,对提出的新思路和新方法,他都认真地设计新颖的试验方案、制作新的测试装置,确保试验结果的可靠和精准。如锥壳振动试验时,采用三种方案:电磁铁激振和电容式传感器测振的方案、电动式激振器推动和电磁式或电容式传感器测振的方案以及电动振动台作惯性激振和电阻丝片作传感元件方案,以便相互校核结果。锥壳稳定试验时,独特的小端端部开槽设计和特制的夹具确保试件沿母线加压,使得研究锥壳在沿轴向加压和沿母线加压下发生不同的失稳形式成为可能。与其他裂纹快速扩展测量方法相比,独立自主研制的涡流传感器使用简便能更精确地测量裂纹扩展的整个时间历程。而发表在Journal of Applied physics上的论文“应用激光显微散斑技术测量裂纹尖端附近的位移场”中的精湛实验研究体现了唐照千理论和实验研究的完美结合。
在我国一些著名科学家心目中,唐照千“才华出众,聪颖过人,不仅头脑清晰,有很强的理论基础和广博知识面,而且有出色的动手能力和实践能力,在电子仪器、实验技术、计算机应用等方面都有很好修养,连国外同行都认为像他这样全面发展的人才国外也是不多的”(钱令希院士语)。的确,作为新中国成长起来的力学界后起之秀,唐照千素以才思敏捷、思维缜密、治学严谨、兼长理论与实践著称。他力学理论知识渊博,振动与光学实验技术精湛,解决实际问题能力强。其研究横跨板壳理论、断裂力学、振动力学、实验力学、流体力学、时间序列分析应用和测试仪器仪表研制等多个领域,并取得公认的突出科研业绩,为我国力学学科的发展作出了重要贡献,在国内外享有学术声誉。

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