我的学术人生
[黄克智1) 
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我的学术人生
今天到这儿来非常高兴, 因为遇到很多熟人, 其中有的是我过去的学生, 有的是我认识的青年朋友, 并且很多是从外地赶来. 尤其让我感到很荣幸的是还有很多年龄超过青年这个阶段的朋友. 所以今天我以非常愉快的心情来给大家做报告.
我所要讲的内容分三个部分, 第一部分是我的自我介绍. 我叫黄克智, 刚过90岁, 今年我已经向91岁进军, 今天本人本不该来参加你们这个青年沙龙, 可是你们的负责人陈常青, 他是我的同事, 也是我的好朋友, 还有学会的郭亮同志, 他们一再邀请我来出席今天这个会, 希望我给大家讲讲我的学术人生. 他们的热情使我感受到我这个老朽目前还算老而不朽, 所以我很高兴地接受了这个邀请.
上个月我在清华大学大礼堂做过一个关于健康的讲话, 那个稿子是我老伴帮我写的. 我自己也没有想到那个讲话引起了许多人的关注, 网上传阅的很广, 这才让我认识到现在的互联网真是了不起, 在这方面我真是老朽了. 那篇文章的中心思想是健康有多么重要, 对于知识分子而言, 年轻的时候只是积累, 到了中老年才是喷发, 如果你的健康不佳, 年轻的时候辛辛苦苦的积累, 还没有等到喷发的时候身体就垮了, 或者人都提前没有了. 那一生不是白活了吗?从我个人来讲, 我一生95%的成果都是50岁以后才喷发出来的, 当然我们这一代也有一些客观原因. 我真羡慕你们生长在这么好的时代, 只要自己努力, 同时重视健康、锻炼, 将来的成果一定比我更多更好. 请记住我的一句话, 健康加勤奋, 生命一定不会虚度.
我大学毕业已经70年, 有69年是在清华大学的讲台上或者办公室里度过的.回顾我的一生, 由于我的健康加勤奋, 我的成果还比较丰富, 我培养的研究生已经超过100名, 其中博士66名, 已经有5名成为中科院院士.我们固体力学研究所培养出了13名全国百篇优秀博士论文的获得者, 其中我本人有3名博士生获得了百优博士论文奖; 我出版学术论文400余篇, 其中有3篇获得国际刊物学术论文奖; 我出版专著7部, 其中有的已经获得了教育部、或北京市的优秀教材奖; 我个人得奖50余项, 其中有10项国家级的奖励, 有6项是国际学术界的重要奖励.
1993年我获得全国人民教师奖章, 但是我本人最看重的还是2004年清华大学颁发的首届``突出贡献奖'', 因为这是清华大学对我一生工作的肯定.我的这些成就都是我50岁以后获得的, 这足够说明因为我健康, 我寿长, 所以我的产出就相对比较丰富.说明健康是多么重要, 健康是成功之本, 希望在座的各位年轻人能够赶上我, 超过我, 一代要比一代强, 这是我对你们年轻人的期望.
现在我转入正题, 这个题目叫做《我的学术人生》. 70年来值得欣慰的是我没有浪费过时间, 我把点滴时间积累起来做出丰富的成果. 回想起来, 我这一辈子做了两件事情, 一个是教学, 还有一个是科研. 我的做人原则也是两点, 第一是一切目标都要符合国家的需求; 第二是在学术上必须要创新, 要跟上世界的先进水平.
1952年, 我清华大学研究生毕业后留校, 1953年入党, 1955年国家派出第一批高校教师去前苏联进修, 我是其中之一, 清华的5名中有4位都是已经很有成就的老教授, 只有我还是一个20多岁的青年讲师.记得那一天在出发点前门车站, 有人指着我问同行的杨曾艺老教授``你的儿子跟你同行?'', 可见当时我是一个多么不起眼的小伙子.在莫斯科大学拉波特诺夫院士亲自指导下, 我勤奋努力学习, 成绩比较好, 导师提出让我争取答辩博士学位.当时前苏联的博士学位是非常难的, 跟法国的国家博士学位相当, 在此之前我国只有清华的高景德校长一个人曾经获得过这种荣幸.经过国内学校的同意和批准, 我就更加夜以继日地努力为争取这个目标而奋斗.正当我写完论文草稿, 准备提出答辩申请的时候, 国内在大跃进的形势下, 解沛基书记代表学校电召我立即回国参加组建清华大学工程力学系------我们国家第一个工程力学系的工作.当时苏联导师和周围的同事都为我惋惜, 连大使馆的负责同志都提出愿意帮我向国内学校申请延缓一个月, 等答辩完了再回国.但是我想此时正是清华需要我的时候, 祖国的号召, 国家的需求, 我是应该放在第一位的.于是我谢绝了他们的好意, 决定立即起身回国, 连跟我在国内的家人都没有商量过, 我背着两麻袋的科技书和科技资料, 乘六天六夜的火车回到了祖国, 回到了清华大学.
回国后我立即以忘我的热情投入到教学和科研工作当中, 先后担任系的教学秘书和固体力学教研组副主任, 在六、七年中开出了弹性力学、塑性力学、薄壁杆件、传热学与热应力、结构力学、薄壳理论等八门课程, 并培养了一大批工程力学专业的本科毕业生和7名研究生,
大家一起为我国第一个工程力学系的创建与发展打下了基础.
文革之后10年的政治动乱使得教师长期业务荒废, 科学知识已经大大落后, 教师们从农场回到学校后连新的文献都看不懂了.我就带领年轻教师一起学习追赶, 我通过刻苦自学, 给固体力学的中青年教师开了数理方程、张量分析、非线性连续介质力学、固体本构关系、断裂力学等新课, 以提高教师自身的业务水平.从1977年开始, 与力学系的教师余寿文一起建立了一个学习讨论班, 每周一次, 坚持到现在已经40年, 讨论班也从最初的十几位同
事交流学习断裂力学的新发展, 成为现在的一个国际国内的学术交流论坛.这个讨论班对于我们以后的研究生培养和中青年教师的提高也发挥了重要的作用.经过十几年老一辈的辛勤付出, 不但保住了力学系, 还为今后的茁壮发展奠定了基础.
1978年清华大学建立了固体力学博士点, 我也被批准为第一批博士生导师. 从第二届开始, 我还被学位委员会任命为全国力学学科评议组的召集人, 连续担任三届一共15年. 有人曾经问过我, 你放弃即将到手的苏联博士学位后不后悔?我的回答是我本人并没有拿到过博士学位, 国家却让我承担力学学科评议组的负责人15年, 这就说明国家重视人才, 国家没有忘记我, 我还有什么可后悔的呢.
下面我讲第二部分, 关于我的教学. 改革开放使知识分子迎来第二个春天, 但是我自己已经年过半百, 当时摆在我面前有两个选择, 一个选择是, 我已经快到退休年龄, 轻轻松松再挨过几年, 我就可以颐养天年了. 要是这样的话, 我努力了前半生却还没有为国家做贡献就告老了, 这样我一生岂不是白活了. 第二个选择, 当时国家正处在百废待兴需要人才的关键时候, 我应该加倍努力把失去的十几年时间赶回来, 同时我一定要坚持锻炼延长生命, 多出成果来弥补过去的损失. 于是, 我不容置疑地选择了用我的后半生为国家竭尽全力培养人才.
经过慎重考虑, 我决定后半生的奋斗目标是: 为清华的固体力学建立一个年轻化的强有力的团队来继承发展清华的力学专业.同时培养一批高质量的研究生, 为建设祖国提供骨干人才.
于是我们团结青年教师着重在三个方面搞团队的建设：一, 重点培养现有的有发展前途的青年教师; 二, 动员留学生学成回来后报效祖国; 三, 选择本校培养的优秀毕业生留校工作. 我们的方针是有发展前途的学生毕业以后, 送他们出国深造几年以后回国发展.杨卫在美国布朗大学博士学位答辩会上当场宣布要回清华大学就职, 获得满堂赞誉. 还有郑泉水、刘彬、冯雪等.我还利用每次出国的机会, 跟留学生进行交谈, 介绍国内情况, 表达国家对他们的需要, 动员他们回来建设祖国, 例如庄茁, 方岱宁, 还有陈常青, 也是我们从兄弟学校接回来的.还有冯西桥就是清华自己土生土长的老师, 是清华人.他们现在都是力学界的骨干, 正在努力拼搏成长, 他们的成就在座各位都清楚, 我就不必再介绍了.
近几年因为我年事已高, 团队基本建立, 我已经退出一线, 潜心做我的研究工作.当年的青年现在都已经成长, 经过他们的经营管理, 清华的固体力学又掀起了第二个高潮, 我们近几年引进了好几个优秀的年轻教师, 他们绝大部分是千青、优青, 我们称他们叫小老虎.总之我的第一个目标已经基本上实现, 目前的清华固体力学专业已经是一个老中青相结合、团结向上的力学团队.
我的另一个目标是培养高质量的博士生.1980年清华建立的固体力学博士点, 是全国第一批博士点之一, 在最早的三位博士生导师辛勤耕耘的基础上, 经过12年的时间, 形成了三个层次的博士生导师队伍.他们年富力强, 构成了在振动力学、实验力学、塑性力学和破坏力学等学科方向的中坚力量.在建立起一个强有力的团队同时, 青年教师迅速崛起, 成为学科在清华跨世纪发展的主力.在1980到1992年这个阶段12年的时间, 这个团队精心设计并开出了研究生专业课程26门, 编著教科书22本, 其中有4种获得国家级的优秀教材奖.生长出破坏理论、计算固体力学、结构弹塑性分析、机械振动与流固耦合、实验固体力学五个方向, 在这个阶段固体力学学科一共授予了博士学位55人, 硕士学位197人, 博士后出站6人.他们中不少人在学科的基础研究与面向国民经济主战场的任务中都起了重要的作用, 有的研究生还直接是国家自然科学奖的获奖人.博士生在获得学位以后, 在教学、科研和国民经济各条战线上发挥着重要的作用.
科研的高水平, 博士生培养的高水平这两者相互促进, 得出的成果叫做《固体力学重点学科建设与高水平博士生规模培养》, 这个成果在1993年获得全国普通高等学校唯一的工科特等奖.
在此基础上, 经过第二代第三代青年教师的努力和发展, 第二个成果------《研究生培养模式与实践》, 获得2004年北京市优秀教学成果一等奖和2005年国家级教学成果二等奖. 北京市教委组织的鉴定委员会认为, ``本项目在博士生培养改革方面取得了突破性进展, 成果属国内首创, 达到了国际先进水平, 本项目成果在全国同类学科或相关学科中具有榜样和示范作用''.
1990年以后的十几年期间, 每年选出全国百篇优秀博士论文, 至今为止力学学科一共选出过33篇, 其中清华的固体力学团队有13篇博士论文获得全国百篇优秀博士论文奖. 有不少的高质量的文章在国际国内著名刊物上发表, 那几只所谓的小老虎个个都是千青或者优青, 他们每年获得不少国际以及国家级的学术奖励. 从1993年到2007年第二个阶段中, 固体力学专业已经培养博士生172名, 硕士生243名, 博士后42名. 最近10年, 从2007到2017, 第三阶段的成果我们还没有统计出来, 我相信一定比以前更好.
固体力学专业自改革开放的30多年来, 已经培养出上千名研究生, 他们都属于目前我们国家科技教育界的骨干力量, 为建设祖国发挥着重要的作用. 至今为止我在清华的两大奋斗目标, 可以说基本完成.
下面我转入第三部分, 就是介绍我个人的科研情况.70年以来, 我一方面始终站在讲台上教学生, 另一方面我又不放弃在台下做研究, 我选择的研究项目离不开两个原则, 一个是国家的需求, 一个是学术上要跟上世界的先进水平.我以论文数做一个例子, 在我70年工作中, 发表学术论文421篇, 其中只有13篇是我在50岁以前发表的, 只占论文总数的3.09%, 这就说明知识分子的后半生有多么重要.
我喜欢创新.在我的70年生涯中, 每隔5$\sim$10年我就要换一个新题目, 因为我对新鲜事物有一种强烈的好奇心, 我也愿意在困难中考验自己的毅力和信心, 在这儿我举两个工业部门解决难题的例子.
图1画出来了我从1950年开始到现在所做过的领域, 前面几个就不说了, 微米力学、纳米力学、可延展电子元件、石油力学是从70岁到目前所做的领域.
下面我就介绍一下我做过的两个与工业有关的研究, 都是压力容器方面的. 压力容器是装载易燃危险介质, 承受高温高压的工具. 它做的越来越大, 需要安全可靠、可以制造、同时又经济. 板壳力学是压力容器合理设计的理论基础. 1978年以前, 我们国家没有压力容器设计规范, 因此就导致大批引进国外成套的设备, 同时照抄国外规范进行设计.
在压力容器里面有两个问题跟固体力学有关, 一个问题是换热器管板的强度设计方法, 另一个是圆柱壳大开孔接管分析设计方法. 这两项课题涉及到我国13个行业(化工、动力、核能等)的上千亿元设备的合理设计与安全性.
换热器是一个复杂的结构, 一个热的介质管道, 一个冷的介质管道, 两个管道流体的互相流动造成换热.它的结构与受载非常复杂, 很难 求解.各国采用不同的简化模型, 得出来的结果板厚可以相差几倍, 而用美国的方法设计出来的大直径换热器非常厚, 很难保证有这么厚的高质量的板材, 所以难以确保制造质量.当时我们国家的工程师无法进行合理设计, 因为不知道用哪个国家的规范, 只好花高价购买进口的整套设备.
当时美国也没有国家规范, 只有一个换热器制造商协会(Tubular Exchanger Manufacturers Association, TEMA)的简化模型, 这个模型大家都采用, 但它过于简化.所以我们需要构建符合实际的一个复杂系统, 有开了许多孔的板、有管、有壳体、还有法兰、螺栓, 所有这些部件组成复杂力学系统.我们就这样按照实际建立模型(图2), 得到了适合于多种结构和工况的板壳理论解. 开始工程师们不相信我们的理论结果.于是我们在工厂的产品出厂前, 派一个年轻老师薛明德(现在是退休教授), 带着学生和实验员到厂里去, 在等待出厂的换热器上做1:1实验.如果赶上冬天做的话, 打起压来有很多冷水, 脚要泡在水里.用我们的模型计算出来的结果, 跟实验结果非常吻合, 而跟美国的相距很远.用我们的方法进行设计, 大直径管板厚度可以减少50%以上, 我们这个工作使得采用高质量的板材成为可能, 不需要那么厚, 可以提高制造质量, 降低成本. 于是我们的工程师们都纷纷采用我们的理论做设计.
 | 图2 换热器示意图 |
另一个问题是圆柱壳上面开大孔, 接一个管子. 生产、传输效率和工艺上要求压力容器必须开孔接管. 随着开孔率的增加, 孔附近应力越来越复杂, 越危险, 易漏易爆, 已有经验方法可以用于开口率不超过0.3以上的小孔情况, 但无法保证大开孔结构的合理设计和安全性. 我们把它作为科学问题进行研究, 这个问题很复杂, 它是两个八阶偏微分方程.
图3中红的线是交线, 它是空间曲线.但是所有的国家, 以前的力学工作者都把它看成一条平面曲线, 以前这两个八阶偏微分方程不能求解, 因为不可以分离变量, 我们对偏微分方程本身进行了研究, 做一些很小的修改, 加上一个次要项, 使得这个方程可以分离变量, 得到严格的解析解. 所以当时的由国家教委主持的评审委员会说我们是``四两拨千斤''.
 | 图3 圆柱壳打开空接管示意图 |
美国的压力容器大开孔的设计标准, 只适用于图4中最底部的范围, 开孔率很小, 而我们这个设计方法, 开孔率可以到0.9.而且我们的结果可以适用于内压和全部六种接管的外载工况, 这样为大幅度提高生产效率和产能奠定了设计基础.这两个问题的解决, 产生了我们国家的这两者的国家标准、设计的规定、安全设计的方法, 提升了我国相关工业的水平.
 | 图4 圆柱壳大开孔设计方法适用范围比较 |
第一个问题, 我们是1973年开始研究的. 那个时候, 国际上管板的设计多数都采用美国的标准, 美国的标准不是国家标准, 是换热器协会的标准. 1973年以后, 经过我们的努力, 到1978年产生了行业设计规定, 1978年后我国就开始用我们这个管板设计方法, 1989年它就变成了国家标准. 而美国是1984年才开始研究这个问题, 到了2007年才进入到ASME标准, 比我们晚了18年. (图5)
 | 图5 管板分析设计方法进展 |
第二个问题产生了我们国家的两个规范. 两个圆柱壳大开孔接管规范, 2011年正式成为国家规范.我们这个工作是在中国进行的, 但是我们 两次获得美国机械工程学会(The American Society of Mechanical Engineers, ASME)压力容器与管道刊物杰出论文奖(图6). 他们没有奖美国的设计方法, 却奖我们中国首先出现的这个方法.当时的颁奖人是国际压力容器技术理事会主席, 他给了我们一个评价, 他说``中国对压力容器和管道方面做出了重要的、世界级的贡献''.另一句话``这个指导性技术文件是世界上首个开孔率达到0.9的压力容器开孔补强和受外载的设计方法, 其贡献不仅对中国, 而且对于世界其他各国压力容器分析设计方法的发展都具有决定性''.
 | 图6 美国ASME刊物论文奖 |
我们国家的锅炉压力容器标准化技术委员会提供了这样的证明(图7)：管板规范计算方法已在我国成功应用了近四十年, 有数十万台应用于生产中, 压力容器大开孔理论是少有的几个世界领先的计算理论之一, 大力提高了国际影响力, 使我国的压力容器设计规范在这一领域处于世界领先地位.
稍后我们转入到宏观尺度的弹塑性断裂力学. 我们(合作者余寿文, 杨卫)的成果在国家标准中被采纳为第三级标准, 所谓``三级''是最关键部件的精准评定, ``一级''是简化评定, ``二级''是常规评定.图8是特种设备研究院提供的资料, 说明这个国家标准是我国压力容器乃至承压设备的安全评价基石, 每年有近60万台压力容器进行常规检验, 其中检验结果需通过本标准进行评判的有近万台.
接着我们从宏观尺度转入到细观尺度.我和博士生孙庆平合作研究了两个断裂力学问题, 一个是陶瓷, 用材料相变的办法提高陶瓷的韧性, 提高抗断裂的能力.我们这个理论也适用于形状记忆合金, 在力学变形的同时有马氏体相变. 图9表示陶瓷的断裂韧性$K_{\rm Ic}$与马氏体相变区高度$H$的关系曲线.其中红线是我们的理论结果, 蓝线是哈佛大学几位世界级的力学大师的理论结果, 实测的结果证明我们的理论更为正确, 这个部分相关的论文获得了首届国际科学数据索引经典引文奖(图10).
 | 图10 经典引文奖 |
后来我们与方岱宁合作, 这个工作还推广到多场问题.对于由电场和力场引起的相变, 疲劳断裂扩展跟我们的理论结果相符合.这个结果被收录到Elsevier出版的《结构完整性大全》.
我们的细观理论被写入国际著名有限元软件ABAQUS的理论手册, 广泛应用于科学研究和工程设计.美国有两个医疗公司, 其中有一个是美国三个最大的医疗器械制造商之一, 年产值55亿美元, 还有另外一个美国医疗植入力学公司, 他们都给我们提供了证明资料.他们的总裁评价我们的两篇文章说``两篇文章的工作奠定了心血管植入器件的疲劳和耐久性设计的力学理论基础.在数十年中, 由我们公司基于该理论建立的有限元模型应用于分析心血管支架等产品, 产值超过数十亿美元. ''
基于微观理论的应变梯度理论(与高华健, 黄永刚, 清华博士生姜汉卿, 邱信明等合作)是我70岁以后开始研究的, 经典的塑性理论只能用于宏观尺寸, 到了细观尺寸就不能用了, 因为跟实验结果不符合.我们根据微观机制建立了新的应变梯度理论, 实验结果跟我们的预测吻合得相当好.这个理论成为微纳米压痕实验的技术标准, 被来自54个国家的几百所大学、研究机构和公司所采用并广泛应用于微纳米力学性能测定.在这个工作里面, 也有我们好几位博士生参与, 我们负责大变形的理论部分.
以后 我们又与黄永刚, 高华健, 博士生张鹏, 吴坚合作转入到纳米尺度.由碳原子排列在平面或者排列在圆柱面上形成一个管子, 叫纳米管. 物理学家认为我们的力学不能用于纳米管, 只能用于宏观, 纳米管是微观的东西, 原子量级的.但我们从碳纳米管的原子排布和原子势出发, 通过功共轭的关系建立了碳纳米管的壳体本构理论.这个理论也可以适用于微观尺寸的纳米管.这个结果获得2004年美国机械工程学会颁发的原创性成果最高奖, Melville奖(图11).2008年, 在国际著名的力学期刊《固体 力学与物理》上发表后, 被选为2009年5月的工程类唯一的New Hot Paper(从引用率在前0.1%的SCI论文中挑选出).
以上是我利用一生所学的力学知识, 解决工业上当时所存在的难题的例子.进入80岁以后我又参加了两项新课题研究.
(1) 与黄永刚等一起研究柔性电子元件的力学问题. 这方面的成果由黄永刚等来介绍.
(2)在我85岁的时候, 有一次参加中科院的大会, 刘延东副总理在会上做报告, 号召我们注意美国的石油页岩气开采的新动向, 美国宣称在不久的将来可以不再从中东进口石油了, 我们中国也要发展这个工业.于是我们建立一个团队做了这方面的工作, 我们现在正在努力中.
最后以我今年90岁生日, 我家老伴总结我的4个亮点, 结束我的发言.
她说我老黄：
“ (1) 他是勤奋的一生, 5岁上学, 20岁大学毕业, 一生都是凌晨4点半起床工作, 从不浪费点滴时间.
“ (2) 他是成功的一生, 因为他把点滴时间汇集起来, 用在他的科研、教学事业上, 成果丰硕.
“ (3)他是幸福的一生, 因为他有一个美满的家庭, 上下三代和睦相处, 三个孩子上进孝顺, 他们都是美国顶级学校(老大麻省理工学院、老二哈佛大学、老三斯坦福大学)的博士, 大儿子黄永刚已经是美国工程院院士和中国科学院外籍院士.
“ (4) 他是快乐的一生, 因为他有那么多敬重和爱戴他的朋友和学生, 有一个积极向上的工作团队和快乐的网球团队.这一切都基于他有一个较健康的身体.”
最后我总结一句话, 健康加勤奋使我一生没有虚度. 谢谢大家.
The authors have declared that no competing interests exist.