馬夢珂

夯基壘石，基礎研究是科技創(chuàng)新的源頭。2020年，在中國科學家座談會上，習近平總書記提出，要持之以恒加強基礎研究，廣大科學家和科技工作者要堅持面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，不斷向科學技術廣度和深度進軍。

“四個面向”是中國科技工作的新坐標。近年來，在中國鐵路工程領域科學家的不懈努力下，以高速動車組、大功率機車、鐵路貨車、城市軌道車輛為代表的中國制造系列產(chǎn)品，已達到世界先進水平，能夠適應各種復雜的地理環(huán)境，滿足多樣化的市場需求。尤其是在高速列車車體技術、全線鋪設無砟軌道、鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)、高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)、列車調(diào)度和安全監(jiān)控等硬件軟件和工程應用領域，都處于全球領先水平。

無論是硬實力還是軟實力，中國鐵路的發(fā)展歸根結底要靠科技人才的實力。西南交通大學材料與工程學院博士生導師茍國慶教授在前輩引領下，帶領年輕的科研團隊，致力于解決鐵路機車的焊接結構無損檢測技術、焊接工藝的研究及成果轉化等，形成了一系列創(chuàng)新研究理念，在中國高速發(fā)展的鐵路事業(yè)中得到廣泛應用。

深度攻關“殘余應力”

內(nèi)應力又稱殘余應力，是指金屬或非 金屬材料在機械加工過程中殘留在內(nèi)部的應力，內(nèi)應力如果達到了一定的數(shù)值，就有可能造成關鍵部件結構失效，材料、部件脫落斷裂。殘余應力是影響軌道車輛服 役安全可靠性的重要因素。歷史上有許多因殘余應力過大導致的災難性事故，如美國歷史上發(fā)生的橋梁垮塌，1998年德國高速列車車輪斷裂導致列車脫軌等。甚至包括日本福島核電站的核泄漏，其中也有著殘余應力的影響。

西南交通大學致力于軌道交通列車關鍵科學問題的研究，以及先進技術的研發(fā)，是中國鐵道領域創(chuàng)新研究的頂尖高校。茍國慶2006年從西南交通大學材料加工工程專業(yè)碩士畢業(yè)后留校任教，隨后又獲得材料學專業(yè)博士學位，他對磁懸浮列車等產(chǎn)品的殘余應力、疲勞和腐蝕、斷裂等問題有較深的見解，和團隊提出了一系列創(chuàng)新研究的理念，相關研究成果均在中車下屬企業(yè)廣泛應用。

茍國慶團隊研究發(fā)現(xiàn)，以鋁合金為主要材料的軌道車輛，其關鍵結構的殘余應力峰值可達140MPa以上。準確獲得高速列車關鍵部位的殘余應力分布狀態(tài)及數(shù)值，對于評估高速列車的安全可靠性及保障其安全運行是非常有必要的。然而研究表明，高速列車的材料屬性、微觀組織、表面粗糙度，甚至不同的殘余應力檢測方法都會帶來較大的測試誤差，給獲得準確的數(shù)值帶來了困難。

傳統(tǒng)上，相對成熟的殘余應力檢測技術主要有中子衍射法、X射線衍射法、小孔法，但由于受到測試材料、結構尺寸、表面質(zhì)量、檢測費用、測試精度等制約，不同的檢測方法均有一定的局限性。其中X射線法是目前國際上公認的一種快速、準確的無損檢測方法，包括上海交通大學姜傳海教授、西安交通大學何家文教授在內(nèi)的一大批頂級專家都為X射線法在檢測重大裝備殘余應力方面作出了巨大的貢獻。

殘余應力的超聲波檢測技術因其無損、快速、安全、成本低等優(yōu)點受到國內(nèi)外學者關注。包括北京理工大學徐春廣教授、哈爾濱工業(yè)大學方洪淵教授在內(nèi)的國內(nèi)外頂級專家都為超聲波法檢測重大裝備的殘余應力、螺栓預緊力作出了重大的貢獻，推動了超聲波法檢測應力的快速應用。而茍國慶及其團隊研發(fā)了高速列車關鍵結構焊接殘余應力的超聲檢測技術、發(fā)明了殘余應力實時測量方法、研制了超聲波殘余應力檢測及在線監(jiān)測裝備系統(tǒng)、建立了殘余應力數(shù)據(jù)庫。

2014年，茍國慶參與了中國高鐵標準動車組結構件及部件的相關測試研究，時速350公里下，標準動車組的殘余應力情況及對結構的安全性影響如何，是他和團隊重點研究的課題。茍國慶帶著團隊成員和博士、碩士研究生們，聚焦標準動車組相關部件從原材料到大部件組裝、整車生產(chǎn)及在線服役，從底架到側墻、車頂?shù)剿緳C室，都進行了大量深入分析、測試、研究，最終為中國高鐵標準動車組的安全運行提供了一份沉甸甸的可行性研究報告。

成果轉化應用廣泛

“首先是基礎性的研究，研究焊接結構，腐蝕產(chǎn)生的原因及帶來的缺陷，評估其發(fā)生斷裂的概率和對壽命的影響。其次是把相關研究成果進行工程化轉化，在中車青島四方、中車唐山、中車南京浦鎮(zhèn)、中車廣東、中車株洲等生產(chǎn)單位中應用?！睙o論是“頂天”的基礎科學研究，還是“立地”的應用轉化研究，在茍國慶的眼中一直都是相輔相成的必要研究，多年“頂天立地”做科研，收獲的是碩果滿園。

早在博士階段，茍國慶的論文就是針對殘余應力的相關研究。同時，他又參與到大量國家級、省部級的研究項目中，獲得了一系列基礎性的研究數(shù)據(jù)，深入了解了各種車型的應力分布情況、接頭的設計情況，結構的疲勞情況、斷裂情況和腐蝕情況，以及應力的主要影響因素等。針對同樣的車型應該使用什么樣的材料，他在實驗室和現(xiàn)場都做了大量的實驗。在導師陳輝教授和專業(yè)創(chuàng)始人王元良教授的支持和幫助下，經(jīng)過多年打磨，茍國慶和團隊寫出了《高速列車中的殘余應力》一書。2015年12月份該書編撰出來以后就一直在西南交通大學本科生和研究生的課堂教學中使用。2017年，茍國慶和團隊參與研發(fā)的“高速列車關鍵部件激光-電弧復合焊接技術”獲得了四川省科技進步獎一等獎，其中殘余應力的研究就是最為重要和關鍵的貢獻之一。

在飛機等某些特殊裝備上，相關部件的組裝靠的是螺栓而非焊接。使用螺栓連接時，通常需要施加一個“預緊力”，又被稱為軸向力或扭矩。在使用過程中，由于環(huán)境的變化，預緊力可能會逐漸減弱、消失，螺栓就容易發(fā)生松動，最終導致相關部件隨之脫落，飛機也發(fā)生失效。如果受到外力影響，預緊力過大，螺栓就可能被擰斷，同樣會導致飛機發(fā)生失效。

在軌道列車的生產(chǎn)研發(fā)中，茍國慶和團隊深度參與、深入研究，針對軌道列車中的螺栓預緊力進行檢測分析。“檢測過程中不僅需要有相應的檢測設備，還要有足夠靈敏的傳感器、晶片，并結合5G技術的應用等?！痹谛挛魈m奧克蘭大學訪問時，茍國慶曾跟隨新西蘭皇家科學院兼工程院院士高唯教授研究學習，隨后共同參與研究螺栓預緊力的檢測分析。他們率先建立了基于5G和北斗定位技術的螺栓預緊力檢測系統(tǒng)，如今已在中國中車下屬的多家企業(yè)、國家電網(wǎng)和三峽電站等單位中得到了廣泛應用。

“我們現(xiàn)在給其中一個水電站做的監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)監(jiān)測到將近1億個數(shù)據(jù)，極大地降低了企業(yè)的安全風險，同時也使工人的勞動強度得到了極大的緩解?！逼垏鴳c說，水電機組都在地下，有將近400米的深度，以往工人要乘坐電梯深入100多層去手工操作判斷上千顆螺栓的運行是否可靠，工作量大、環(huán)境惡劣，給工人施工作業(yè)造成了極大困擾。有了螺栓在線監(jiān)測系統(tǒng)，工人基本可以每隔一兩個月再下去施工作業(yè)。

科技創(chuàng)造是創(chuàng)新發(fā)展的重要支撐，科技應用是創(chuàng)新驅(qū)動轉化的媒介。無論是基于超聲波的殘余應力檢測和在線監(jiān)測系統(tǒng)還是針對螺栓預緊力的檢測和在線監(jiān)測系統(tǒng)，如今都已經(jīng)得到了比較廣泛的應用。在茍國慶看來，未來這兩套系統(tǒng)在核電、航空航天等領域也將進一步加強推廣。截至目前，茍國慶和團隊主持、參與了多達30余個科研項目，積累了相關國家專利30余項，累計研究經(jīng)費近2000萬元。其團隊研發(fā)的超聲波螺栓預緊力檢測系統(tǒng)、超聲波殘余應力檢測系統(tǒng)也得到了市場的青睞，上市公司達威股份就對這些產(chǎn)品關注度極高，并且進行了投資，相關產(chǎn)品也正在依托四川優(yōu)安協(xié)創(chuàng)科技有限公司進行市場化推廣。該團隊的“超聲法螺栓預緊力無損檢測”項目獲得了第六屆“創(chuàng)客中國”四川省中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨第四屆“創(chuàng)客天府”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全省總決賽二等獎的好成績，并即將參加全國總決賽。

堅定中國科研自信

人是科技創(chuàng)新最關鍵的因素，創(chuàng)新的事業(yè)呼喚創(chuàng)新的人才。西南交通大學肇 建于1896年的山海關北洋鐵路官學堂， 此后雖屢遷校址，數(shù)度更名，卻以唐山交通大學揚名海內(nèi)外，素有“東方康奈爾”之美譽，尤以土木、礦冶兩學科獨樹一幟。茅以升、竺可楨、林同炎、黃萬里、姚桐斌、陳能寬都是西南交通大學聞名遐邇的校友。1952年經(jīng)院系調(diào)整，更名為唐山鐵道學院，專事軌道交通人才培養(yǎng)。1972年起定名為西南交通大學并沿用至今。

從“天眼”探空到“蛟龍”探海，從頁巖氣勘探到量子計算機研發(fā)，眾多重大科技成果的問世，莫不源于科技工作者的忘我投入、奮力攻關。西南交通大學焊接專業(yè)的創(chuàng)始人之一——王元良教授是茍國慶的授業(yè)恩師之一，曾參與過南京長江大橋、武漢長江大橋等重大項目的焊接機構設計、疲勞評價等工作。92歲高齡的他依然精神矍鑠，在80多歲的時候仍然堅持每個月寫一篇文章、每年出一本書。“85歲的時候，他帶著一幫年輕的老師和學生，研發(fā)出一個太陽能的焊接車。前兩年，他還經(jīng)常把我叫到家里去訓話，指導我做的一些研究需要怎樣改進?！逼垏鴳c說。專業(yè)的另一位創(chuàng)始人王一戎教授同樣是茍國慶在科研道路上的引路人。他80多歲的時候耳不聾、眼不花，經(jīng)常做運動，有年輕學生不認識他，還在實驗室里埋頭做實驗。去做實驗的時候，他還熱心地幫年輕學生磨試樣。一次，茍國慶發(fā)現(xiàn)磨樣很好，問學生是誰磨的，學生回答是“老師傅磨的”，有些學生甚至不認識王一戎教授。茍國慶告訴他們“這可是我們焊接專業(yè)的創(chuàng)始人”。焊接專業(yè)的學科帶頭人陳輝教授是茍國慶的恩師，他長期工作在科研一線，非常熟悉和了解高速列車、高速鐵路的科技前沿的發(fā)展動態(tài)，經(jīng)常幫助茍國慶、劉艷、朱宗濤等年輕老師和學生梳理前沿科學問題和關鍵技術難題，促使西南交通大學的焊接專業(yè)始終走在國際前列。

2013年、2017年分別赴加拿大多倫多大學、新西蘭奧克蘭大學訪問學習期間，茍國慶不僅了解了更多國際前沿的研究工作，在科研理念和人才培養(yǎng)上也有了更多思考。在加拿大時，他的合作導師王執(zhí)銳教授是我國首批出國留學的研究生之一，在研究材料的疲勞、斷裂方面具有極高的學術造詣。在世界頂級大學多倫多大學的實驗室里面，茍國慶深刻地感受到了科學研究的魅力，更加堅定了投身科學研究的信心。在新西蘭時，院士導師高唯希望他去做一些特別前瞻性的研究工作，如納米壓電晶片、納米傳感器……在導師指導下，茍國慶做了大量的研究工作，并參加了多次相關領域的國際會議。后來，在開發(fā)殘余應力檢測和在線監(jiān)測系統(tǒng)及針對螺栓預緊力的檢測和在線監(jiān)測系統(tǒng)時，茍國慶不買成品，只買原材料，讓自己的學生團隊自己編制軟件、自己做硬件，學生們因此大受鍛煉，不僅懂硬件也懂軟件，不僅懂電路還懂調(diào)試。這成為茍國慶團隊的特色。在治學理念上，他倡導融匯交流、互學互鑒甚至可以相互“批判”，導師給學生提供理念上和框架上的建議，同時也吸收學生的創(chuàng)新思維。“跟學生接觸過程中，我覺得不僅自己有付出，我從學生那兒也學到了很多東西，許多年輕學生的想法可能更先進。有時候我們進行項目交流或者研究時，我會鼓勵他們提出批判性的意見建議，希望他們在自己的研究方向上比我更加專業(yè)、理念更加先進?！逼垏鴳c說。

科研之外，茍國慶鼓勵學生要有一個良好的身體素質(zhì)，甚至“強迫”自己的學生每天必須堅持跑步，保持良好的身體素質(zhì)和充沛的精力。其次，他鼓勵自己的學生要“能吃虧”，有正確的價值觀。此外，他認為團隊的核心精神在于團結，只有團結的科研團隊，才能產(chǎn)生更多的創(chuàng)新成果。他常鼓勵學生說：“既然老天安排你學了這個專業(yè)，你只要能夠堅持，有一個好的身體和好的心態(tài)，幾十年如一日地去做一件事情，你就一定會取得成功的?！比缃瘢垏鴳c正帶領學生在關于殘余應力等領域的基礎研究和應用研究中不斷向深度和廣度探索。

作為西南交通大學材料科學與工程專業(yè)的博士生導師，茍國慶深知，自己在帶領團隊做好重大科研創(chuàng)新和成果轉化的同時，也承擔著培養(yǎng)青年科技人才，打造高水平創(chuàng)新團隊的重任。一方面是艱巨的科研任務，另一方面是擔任研究生導師，此外還要承擔本科生的課程、本科畢業(yè)設計的指導等，盡管非常忙碌，但茍國慶仍常對自己的學生講述中國科研的“大時政”話題，讓學生對中國的科技創(chuàng)新有信心、對自己的科研方向有信心。在他看來，黨的十八大以來，中國堅持創(chuàng)新驅(qū)動的實質(zhì)是人才驅(qū)動，不斷改善人才發(fā)展環(huán)境、激發(fā)人才創(chuàng)造活力，大力培養(yǎng)造就了一大批具有全球視野和國際水平的戰(zhàn)略科技人才、科技領軍人才、青年科技人才和高水平創(chuàng)新團隊。人才的問題解決了，技術被“卡脖子”的問題也不斷得到解決，中國學者的科研自信也越來越堅定。“70多年來我們國家在科技上取得了這么偉大的成就，無數(shù)的先輩做了大量的工作，我們有必要讓學生對此充滿自信?！逼垏鴳c說。

茍國慶，西南交通大學材料與工程學院教授、博士生導師，擔任材料先進技術教育部重點實驗室副主任。本科、碩士、博士均畢業(yè)于西南交通大學，獲材料科學與工程專業(yè)學士學位、材料加工工程專業(yè)碩士學位、材料學專業(yè)博士學位。2013年赴加拿大多倫多大學訪問，2017年赴新西蘭奧克蘭大學訪問。美國焊接學會注冊焊接檢驗師（CWI）、中國機械工程學會殘余應力委員會會員、四川省機械工程學會焊接專業(yè)委員會會員、四川省腐蝕與防護學會會員、四川省增材制造學會理事、四川省科技協(xié)同創(chuàng)新促進會先進材料專委會秘書長。Corrosion Science、Materials and Design、Jourimal of Alloys and Compounds等期刊審稿人。曾獲四川省科技進步獎一等獎、成都市科技進步獎三等獎、天府焊接杰青獎、四川省教學成果獎二等獎、西南交通大學唐立新優(yōu)秀學者獎，擁有相關國家專利30余項，其中發(fā)明專利20項。