索 濤 李玉龍 郭萬林

1 西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院,西安 710072

2 西北工業(yè)大學(xué)極端力學(xué)研究院,西安 710072

3 南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院,南京 210016

1 引 言

1917年10月15日,黃玉珊先生出生于江蘇南京.他自幼聰慧過人,3 歲起專聘私塾教師啟蒙,先后學(xué)習(xí)《龍文鞭形》《論語》《孟子》《詩經(jīng)》《左傳》《大學(xué)》《中庸》等古籍,后又由武術(shù)教席傳授拳術(shù).9 歲時(shí),他已能熟讀諸多古籍,并在詠詩、習(xí)武、繪畫、棋弈等方面打下扎實(shí)的基礎(chǔ).黃玉珊先生自幼就有超乎常人的表現(xiàn),10 歲時(shí)由表兄指導(dǎo)短期補(bǔ)習(xí)數(shù)理課程后,即插班進(jìn)入南京鐘英中學(xué)初三學(xué)習(xí),并很快學(xué)習(xí)成績名列前茅.尤其在數(shù)學(xué)方面,他展露出超群的聰明才智,常能省略好幾步計(jì)算步驟即給出正確解答.1931年夏,黃玉珊先生考入國立中央大學(xué)工學(xué)院土木工程系,時(shí)年尚不足14 周歲 (圖1(a)),在當(dāng)時(shí)實(shí)屬罕見,一時(shí)間被上海、南京兩地報(bào)紙譽(yù)為“神童”.大學(xué)期間,黃玉珊先生不僅學(xué)習(xí)成績名列前茅,還常常登臺(tái)表演武術(shù),為全國莘莘學(xué)子中的杰出人物.

黃玉珊先生自幼胸懷報(bào)國之心.1935年大學(xué)畢業(yè)時(shí),尚不滿18 歲的他得知國家為發(fā)展航空技術(shù)而在中央大學(xué)專門設(shè)置機(jī)械特別研究班以資抗日,毅然放棄已聯(lián)系好的去美國讀書機(jī)會(huì),進(jìn)入首屆機(jī)械特別研究班學(xué)習(xí),從此走上航空?qǐng)?bào)國之路.首屆機(jī)械特別研究班共有許俠農(nóng)、柏實(shí)義、李耀滋、陳百屏和詹果等共21 人,黃玉珊先生為其中年齡最小者.機(jī)械特別研究班畢業(yè)考試時(shí),黃玉珊先生因病未能參加.病愈后補(bǔ)考,又因?qū)W校規(guī)定補(bǔ)考成績只能以60 分為上限,從而失去一次保送美國公費(fèi)留學(xué)的機(jī)會(huì) (圖1(b)).但由于他學(xué)習(xí)成績優(yōu)異,被選拔留校任教.1937年,他以優(yōu)異成績考取了第五屆中英庚子賠款留學(xué)生,并于當(dāng)年8月乘船赴英國帝國理工學(xué)院航空工程系學(xué)習(xí) (圖2).一起同船赴歐學(xué)習(xí)的還有盧嘉錫、張維、陸士嘉、顧兆勛、徐鐘濟(jì)等人.旅途中,黃玉珊先生曾在船上給陸士嘉 (我國著名流體力學(xué)家、教育家) 的紀(jì)念本上題詞:“故園憂亂正連年,執(zhí)筆無言更黯然.留待殺將胡虜盡,依稀欣遇話同船”.1939年7月,黃玉珊先生師從帝國理工學(xué)院航空工程系R.Cox 教授獲碩士學(xué)位.在英期間,黃玉珊先生以學(xué)生會(huì)員身份加入了“英國皇家航空學(xué)會(huì)”,并參加“中國中華自然科學(xué)社”.在英國期刊《Aircraft Engineering》上發(fā)表了第一篇學(xué)術(shù)論文 “Stiffness of Beams and Cables”.

圖1 黃玉珊先生.(a) 1931年考大學(xué)的報(bào)名照,(b) 1936年中央大學(xué)首屆航空機(jī)械特別班畢業(yè),(c) 1986年赴美探親前

圖2 (a) 啟程赴英國前與同行的中英庚款留學(xué)生合影 (1937年,第二排左四背后為淞滬戰(zhàn)場),(b) 與張維在倫敦街頭 (1937年)

碩士畢業(yè)后,黃玉珊先生從英國乘輪船西渡美國斯坦福大學(xué),師從世界著名力學(xué)家鐵摩辛柯(S．Timoshenko) 教授攻讀博士學(xué)位.他在斯坦福大學(xué)以力學(xué)為主科、航空為副科,論文題目“Bending of Rectangular Plates Having Forces in the Middle Planes of the Plates”,主要研究薄板彎曲及穩(wěn)定性問題,這在當(dāng)時(shí)是固體力學(xué)的前沿性難題 (圖3).僅用一年,黃玉珊先生即通過學(xué)位論文答辯獲博士學(xué)位,成為鐵摩辛柯教授最得意的門生.

圖3 黃玉珊先生.(a)年輕時(shí) (1940年) 的照片,(b) 博士學(xué)位證,(c) 博士論文

黃玉珊先生出國時(shí)就報(bào)有科學(xué)救國的迫切心愿,早就立下“炎黃子孫,學(xué)有所成,應(yīng)報(bào)效祖國”的宏愿.1940年博士畢業(yè)時(shí),雖然國內(nèi)正值抗日戰(zhàn)爭最艱難的時(shí)期,但他仍義無反顧地離美回國,接受了中央大學(xué)的聘約,任國立中央大學(xué)工學(xué)院航空工程系教授,時(shí)年尚不滿23 周歲,成為中央大學(xué)有史以來最年輕的教授,被冠以“娃娃教授”的美稱.當(dāng)時(shí)的中央大學(xué)雖然已經(jīng)內(nèi)遷至重慶以避戰(zhàn)火,但正常的教學(xué)和科研活動(dòng)仍頻繁地受到日寇空襲的干擾,師生們經(jīng)常工作、學(xué)習(xí)于殘?jiān)珨啾谥g.盡管生活異常艱苦,黃玉珊先生卻泰然處之,并寫出“卷地狂風(fēng)挾雨來,柔枝飛舞棟材摧.客居幸得茅檐蔽,也有閑情聽遠(yuǎn)雷”的詩句.在黃玉珊先生誕辰百年、逝世三十年之際,他的弟子回憶起恩師的點(diǎn)點(diǎn)滴滴,不禁感慨道: “究竟是什么樣的精神才會(huì)讓一個(gè)23 歲的博士從美麗的斯坦福校園,義無反顧地回到一個(gè)戰(zhàn)火連綿的祖國任教呀！”

1941年,黃玉珊先生加入中國工程師學(xué)會(huì),受聘兼任中國航空研究院特約研究員.盡管身處抗戰(zhàn)時(shí)期,黃玉珊先生仍刻苦勤奮、契而不舍地鉆研學(xué)問.僅1940 至1941年,他就連續(xù)在《航空季刊》《工程》和《航空機(jī)械月刊》等發(fā)表論文近十篇.抗戰(zhàn)勝利后,中央大學(xué)由重慶遷回南京,黃玉珊先生被聘為學(xué)校校務(wù)委員會(huì)委員.之后,又于1947年起代理航空工程系主任職務(wù).同年,他還被選為中國航空工程學(xué)會(huì)南京分會(huì)副會(huì)長.期間,在他的主持下,我國第一座航空實(shí)驗(yàn)用風(fēng)洞由重慶搬遷至南京中央大學(xué)校園.1949年,借在中央大學(xué)執(zhí)教滿七年輪休的時(shí)間,黃玉珊先生兼任浙江大學(xué)航空工程系教授,并在杭州迎來解放.

1952年,交通大學(xué)、浙江大學(xué)和南京大學(xué) (1949年8月國立中央大學(xué)改名南京大學(xué)) 三校航空系在南京合并成立華東航空學(xué)院,設(shè)置飛機(jī)系與發(fā)動(dòng)機(jī)系兩個(gè)系,黃玉珊先生被任命為飛機(jī)系主任,并任華東航空學(xué)院院務(wù)委員會(huì)委員.1956年,華東航空學(xué)院5000 余名師生員工響應(yīng)黨和國家號(hào)召,舉?！拔鬟w”西安,更名為西安航空學(xué)院.1957年西北工學(xué)院并入西安航空學(xué)院,成立西北工業(yè)大學(xué) (以下簡稱西工大).1952—1976年間,黃玉珊教授先后擔(dān)任了華東航空學(xué)院、西安航空學(xué)院和西工大飛機(jī)系主任,并長期擔(dān)任學(xué)校校務(wù)委員會(huì)委員.這一時(shí)期,黃玉珊先生主持完成了教學(xué)改革、教育教學(xué)和科學(xué)研究發(fā)展規(guī)劃等工作,并在華東航空學(xué)院成立飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度教研室,這是我國最早成立的專門從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度教學(xué)研究的機(jī)構(gòu).同時(shí),為了解決專業(yè)課教材匱乏的問題,他親自動(dòng)手編寫了《結(jié)構(gòu)學(xué)》《飛機(jī)構(gòu)造及強(qiáng)度計(jì)算》《材料力學(xué)》《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定學(xué)》《殼體力學(xué)》《高等結(jié)構(gòu)力學(xué)》《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊》和《飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)指南》等十余部教材、專著,編譯了《飛機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)》《飛機(jī)各部分設(shè)計(jì)》《非金屬材料施工法及應(yīng)用》《斷裂力學(xué)的工程應(yīng)用》《美國空軍損傷容限設(shè)計(jì)手冊》《美國軍用飛機(jī)完整性大綱》和《損傷容限設(shè)計(jì)要求》等多部國外著作和科技資料,為我國航空教育事業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn).

新中國航空工業(yè)發(fā)展初期,面臨著基礎(chǔ)薄弱、人才短缺、技術(shù)積累不足、科研任務(wù)艱巨等問題,黃玉珊先生深感責(zé)任重大,數(shù)十年如一日地忘我工作,為祖國的航空、航天教育事業(yè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展嘔心瀝血,奉獻(xiàn)出畢生精力.精力旺盛時(shí)期,他堅(jiān)持每天清晨四點(diǎn)起床,讀書看論文,然后到辦公室處理公務(wù),下午就一頭扎進(jìn)圖書館查閱有關(guān)強(qiáng)度方面的最新論文,包括英、德、俄、日外文文獻(xiàn),并把論文摘要和閱讀心得寫入自制的紙質(zhì)卡片.他自創(chuàng)的文獻(xiàn)索引卡以三位十進(jìn)制數(shù)的方法排列,記錄的內(nèi)容以個(gè)人的專長和愛好出發(fā),從教研室的課程和工作需要出發(fā),對(duì)直接相關(guān)的學(xué)科門類重點(diǎn)收錄,間接相關(guān)的選擇重要的論文收錄.在北航舉行的教學(xué)展覽會(huì)曾經(jīng)展出過黃玉珊先生的文獻(xiàn)索引卡,引起大家廣泛的興趣.他的經(jīng)驗(yàn)也曾發(fā)表在《航院學(xué)報(bào)》(《西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》的前身)上.在那個(gè)計(jì)算機(jī)還未充分發(fā)展的時(shí)代,他用他的勤學(xué)與毅力制作的數(shù)千張卡片為科研和教學(xué)工作提供了極大的便利,也是他逝世后留給我們的一筆寶貴財(cái)富.

黃玉珊先生從1941年開始指導(dǎo)研究生.有著“國際生物力學(xué)之父”美譽(yù)的美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院三院院士馮元楨教授就是黃玉珊先生指導(dǎo)的首位研究生 (馮 1941).1956年,他被國家高等教育部批準(zhǔn)為我國首批副博士研究生導(dǎo)師 (次年改稱研究生導(dǎo)師).他還是我國最早一批的博士生 (1981)和博士后 (1986)導(dǎo)師.黃玉珊先生非常重視學(xué)生科研興趣和實(shí)踐能力的培養(yǎng).20世紀(jì)50年代起 (以下涉及年代時(shí)將不再贅述20世紀(jì)),他通過積極倡導(dǎo)并親自參與指導(dǎo)大學(xué)生課余科學(xué)小組、組織學(xué)生科學(xué)討論會(huì)等多種形式的活動(dòng),鼓勵(lì)學(xué)生積極開展科學(xué)研究.同時(shí),黃玉珊先生還主張學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)課題要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際.不僅他親自指導(dǎo)的研究生論文選題都來自航空航天工程實(shí)際,而且飛機(jī)系絕大多數(shù)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文選題也都出自工業(yè)部門的實(shí)際問題.正是在他的大力推動(dòng)和親自實(shí)踐下,西工大飛機(jī)系為國家培養(yǎng)了一大批航空領(lǐng)域技術(shù)帶頭人.

黃玉珊先生永遠(yuǎn)站在學(xué)科的最前沿.他學(xué)術(shù)思想活躍,一貫重視開創(chuàng)新的學(xué)科研究方向,善于抓住國際新的學(xué)術(shù)動(dòng)向,借以及時(shí)指導(dǎo)國內(nèi)的研究工作.他的一生始終堅(jiān)持廣與深相結(jié)合的治學(xué)思想.他認(rèn)為“學(xué)問要在廣的基礎(chǔ)上求深,深而再廣,廣而再深.任何點(diǎn)滴的從無到有的開創(chuàng)性的工作,其意義是無限深遠(yuǎn)的.”黃玉珊先生在科學(xué)研究中有個(gè) “最大斜率理論”: 他倡導(dǎo)和鼓勵(lì)大家去找學(xué)科中發(fā)展斜率最大的方面去努力,不要把力量放在發(fā)展勢頭已經(jīng)平緩的方面去.西工大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度教研室的每個(gè)新領(lǐng)域都是他帶頭開辟的,而當(dāng)新的學(xué)科點(diǎn)建立并成長起來后,他又會(huì)根據(jù)學(xué)科發(fā)展和工程需要轉(zhuǎn)移到更新的領(lǐng)域,帶領(lǐng)大家開辟新的研究.早年,黃玉珊先生主要從事結(jié)構(gòu)力學(xué)、板殼力學(xué)、穩(wěn)定理論方面的研究,造詣很深.50年代中后期,他首先開始在全國倡導(dǎo)在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮疲勞、顫振問題,親自研究并在設(shè)計(jì)院所積極推廣有限元方法,主持成立了全國第一個(gè)飛機(jī)前輪擺振課題組,建成了我國第一臺(tái)飛機(jī)前輪擺振實(shí)驗(yàn)設(shè)備.60年代初,他大力推動(dòng)氣動(dòng)彈性力學(xué)研究進(jìn)入國家力學(xué)學(xué)科發(fā)展規(guī)劃.他還在全國最早開設(shè)氣動(dòng)彈性力學(xué)專門化班,指導(dǎo)編寫我國第一部氣動(dòng)彈性力學(xué)著作,培養(yǎng)了我國第一批氣動(dòng)彈性力學(xué)專業(yè)人才.70年代起,在國內(nèi)率先建立斷裂力學(xué)研究組,致力于將基于斷裂力學(xué)的損傷容限設(shè)計(jì)思想引入飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中.

黃玉珊先生一貫重視產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,強(qiáng)調(diào)科學(xué)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合,并身體力行.他是我國航空航天領(lǐng)域多個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相關(guān)問題研究的倡導(dǎo)者.50年代末起,他就開始頻繁地受邀擔(dān)任航空、航天領(lǐng)域多個(gè)研究院所的技術(shù)顧問或重要會(huì)議的召集人、審定組組長等,直接指導(dǎo)了多個(gè)型號(hào)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析工作.60年代起,他每年有一半以上的時(shí)間是在航空、航天型號(hào)研制一線度過的.1964年,他經(jīng)錢學(xué)森先生推薦,由國務(wù)院總理周恩來任命,兼任國防部第五研究院一分院第五研究所 (現(xiàn)航天科技集團(tuán)一院702 所) 所長,直接領(lǐng)導(dǎo)我國運(yùn)載火箭飛行環(huán)境與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度科研工作 (圖4).

圖4 黃玉珊先生被任命為國防部第五研究院一分院第五研究所所長 (1964年)

由于操勞過度,黃玉珊先生在60年代初就被發(fā)現(xiàn)患有高血壓、青光眼等疾病.至1970年時(shí),盡管身體已經(jīng)明顯虛弱,需要頻繁住院治療,但他仍然帶病堅(jiān)持忘我地工作.僅從他的日記統(tǒng)計(jì),1971 至1978年間,他參加或主持由國務(wù)院、國防科委、三機(jī)部等組織召開的各種會(huì)議近40 次之多.會(huì)議內(nèi)容涉及國家力學(xué)學(xué)科規(guī)劃、航空強(qiáng)度專業(yè)發(fā)展規(guī)劃、708 工程方案審定等重大事項(xiàng).1978年11月,黃玉珊先生在北京參加國防科委規(guī)劃會(huì)議時(shí),腦血栓病復(fù)發(fā) (1975年曾發(fā)作過一次),病情異常嚴(yán)重,經(jīng)多方搶救才轉(zhuǎn)危為安,但留下后遺癥.此后,雖然較少親臨一線參與教學(xué)和型號(hào)科研活動(dòng),但黃玉珊先生依然抱病工作,建立西工大第一個(gè)博士后工作站,致力于教材編寫、著作審定等工作 (圖5).直至逝世前三天,他還完成了兩本譯稿的修訂.

圖5 黃玉珊先生晚年帶病堅(jiān)持工作

1987年6月9日,黃玉珊先生因腦血栓再次復(fù)發(fā).搶救無效,遽然辭世！《人民日?qǐng)?bào)》 (海外版) 曾刊登《航空航天科學(xué)家黃玉珊逝世》的消息.1991年,科學(xué)出版社編撰出版了《中國現(xiàn)代科學(xué)家傳記》 (第一集).該集收錄了數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、工程技術(shù)等八個(gè)領(lǐng)域共100 位最重要的科學(xué)家.其中,工程技術(shù)領(lǐng)域收錄的科學(xué)家包括詹天佑、錢學(xué)森、郭永懷等共20 人,黃玉珊先生位列其中.

黃玉珊先生是我國著名的科學(xué)家和航空教育家.他畢生從事力學(xué)與航空、航天領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作,成就斐然.他曾任中國力學(xué)學(xué)會(huì)和中國航空學(xué)會(huì)第一、二屆常務(wù)理事,中國力學(xué)學(xué)會(huì)固體力學(xué)專委會(huì)第一屆斷裂力學(xué)專業(yè)組組長,《力學(xué)學(xué)報(bào)》《固體力學(xué)學(xué)報(bào)》《航空學(xué)報(bào)》和《力學(xué)進(jìn)展》的編委.他的一生鞠躬盡瘁,功垂千秋,桃李遍地,譽(yù)滿中外.他的學(xué)術(shù)思想、教育理念、科研成果在我國航空航天與力學(xué)界產(chǎn)生了巨大影響.他在長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的教學(xué)和科研工作中培養(yǎng)了幾代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)軍人才,為國家航空、航天事業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)(圖6).他熱愛祖國的赤子之心,忘我的航空?qǐng)?bào)國精神,廣博精深的學(xué)識(shí),孜孜以求的學(xué)習(xí)態(tài)度,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)理念,堅(jiān)韌不拔的毅力,對(duì)力學(xué)和航空科學(xué)技術(shù)發(fā)展的遠(yuǎn)見卓識(shí)和高尚的人格魅力,持續(xù)激勵(lì)和影響著后人.為了傳承黃玉珊先生航空教育思想和文化精神,2020年西工大設(shè)立“黃玉珊航空班”,2021年成立“黃玉珊航空教育基金”.如今,值黃玉珊先生誕辰105 周年之際,受《力學(xué)進(jìn)展》主編邀請(qǐng),撰文簡要回顧黃玉珊先生的若干學(xué)術(shù)成就,以追憶先生堅(jiān)韌不拔、鞠躬盡瘁、奮斗不息的報(bào)國精神,耿直忠厚、平等待人的高尚品德,一絲不茍的治學(xué)育人之道,緬懷他為我國航空航天事業(yè)做出的杰出貢獻(xiàn).

圖6 1986年黃玉珊先生赴美國.(a) 與首位研究生馮元楨聚會(huì),(b) 回母校斯坦福大學(xué)與曾經(jīng)同為鐵摩辛柯博士生的N.J.Hoff 會(huì)晤

2 深入研究板殼和薄壁結(jié)構(gòu)理論解決世界力學(xué)難題

隨著30年代起飛機(jī)飛行速度越來越高,飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除了要求有光滑的空氣動(dòng)力學(xué)外形,為了以較小的重量和較少的材料承受更大的載荷,由薄板、薄殼和細(xì)長桿件組成的金屬薄壁結(jié)構(gòu)逐漸取代了蒙布桿系結(jié)構(gòu),成為飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式.飛機(jī)機(jī)體薄壁結(jié)構(gòu)分析需用到板殼理論,板殼彎曲及穩(wěn)定性問題在很長的一個(gè)時(shí)期內(nèi)一直是固體力學(xué)研究的前沿課題.自1938年在英國帝國理工學(xué)院航空工程系師從R.Cox 教授攻讀碩士學(xué)位開始,黃玉珊先生就開始了板殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的理論研究.在斯坦福大學(xué)師從鐵摩辛柯教授攻讀博士學(xué)位期間,他又繼續(xù)選擇該問題進(jìn)行研究,并發(fā)表題為“Stiffness of Beams and Cables”的學(xué)術(shù)論文 (Huang 1939).1940年獲得博士學(xué)位歸國后,雖然當(dāng)時(shí)中國的航空以修造為主,黃玉珊先生仍堅(jiān)持從事板殼結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的理論研究工作.1941年起,連續(xù)在中央大學(xué)航空工程學(xué)會(huì)出版的《航空季刊》上發(fā)表《橫條支持之薄平板的皺折》《金屬薄片之應(yīng)力分析》,英國皇家協(xié)會(huì)雜志《Journal of Royal Aeronautical Society》上發(fā)表論文“Buckling of Plates with Lateral Stiffeners”,在中國工程師學(xué)會(huì)主辦的《工程》雜志上連續(xù)發(fā)表《兩端支撐桿的穩(wěn)定》《具有固定邊及自由邊之長方形薄板》和《正方形薄板的平面應(yīng)力》等關(guān)于薄板穩(wěn)定性問題的學(xué)術(shù)論文十余篇,并在中國工程師學(xué)會(huì)貴陽、蘭州和桂林年會(huì)上多次宣讀.同時(shí),他還指導(dǎo)馮元楨研究了側(cè)壓力作用下微彎薄曲桿和薄曲板的穩(wěn)定性問題,創(chuàng)立了該類問題的命題和解法 (Fung 1952).

新中國成立后,隨著國家大力發(fā)展航空工業(yè),再加上學(xué)校與新建的航空工業(yè)在科研方面的聯(lián)系越來越廣泛,1957年黃玉珊先生在沈陽112 廠飛機(jī)設(shè)計(jì)室 (現(xiàn)航空工業(yè)601 所的前身) 主任徐舜壽的邀請(qǐng)下?lián)卧搹S顧問,進(jìn)一步加強(qiáng)了自己的理論研究與祖國航空工業(yè)工程實(shí)踐的結(jié)合.60年代末,在擔(dān)任國防部五院一分院第五研究所顧問、所長之后,黃玉珊先生又及時(shí)針對(duì)導(dǎo)彈、火箭等典型薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性問題開展學(xué)術(shù)研究,有力指導(dǎo)了型號(hào)設(shè)計(jì)工作.

由于在力學(xué)屆的重要影響力和遠(yuǎn)見卓識(shí),黃玉珊先生曾被聘為國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)力學(xué)組成員,應(yīng)邀出席由國家科委和科學(xué)院組織的“全國技術(shù)科學(xué)學(xué)科規(guī)劃”編制會(huì)議,與錢學(xué)森、張維、周培源、杜慶華、錢令希、王仁、陸士嘉、林士諤等學(xué)者一起編制我國第一個(gè)力學(xué)學(xué)科發(fā)展規(guī)劃,并負(fù)責(zé)氣動(dòng)彈性力學(xué)與水動(dòng)彈性力學(xué)部分的編寫.此外,他還擔(dān)任了第二次國家力學(xué)學(xué)科發(fā)展規(guī)劃固體力學(xué)組的負(fù)責(zé)人.1972年,作為國家力學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)理論座談會(huì)固體力學(xué)組召集人,黃玉珊先生組織確定了之后一個(gè)階段我國固體力學(xué)研究重點(diǎn)發(fā)展的三個(gè)方向: 實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)、強(qiáng)度理論、計(jì)算固體力學(xué)與最優(yōu)設(shè)計(jì).

2.1 從物理概念上澄清了彎曲軸和彎曲線的區(qū)別

在計(jì)算梁或機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)力矩時(shí),需要先確定彎曲軸或彎曲線的位置.但在一些薄壁結(jié)構(gòu)工程梁理論的著作中,或是工程計(jì)算時(shí),人們常常容易混淆兩者.為了從物理概念上澄清彎曲軸和彎曲線的區(qū)別,黃玉珊先生在其碩士論文“The difference between the bending center track and the bending axis”中對(duì)此進(jìn)行了研究,并于1941年在發(fā)表于《航空機(jī)械月刊》第五卷的論文《彎曲軸與彎曲線》中進(jìn)一步闡明了兩者的區(qū)別 (黃玉珊 1941).

在文中 (圖7),黃玉珊先生指出: 對(duì)一根不變截面、根部橫截面與梁方向垂直的一端固支懸臂梁,當(dāng)任意集中或分布載荷作用于任意橫截面彎曲中心時(shí),梁的任意截面均只發(fā)生彎曲變形而無扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生.此時(shí),由于各截面彎曲中心的軌跡線為直線,故稱之為彎曲軸.梁所受的扭轉(zhuǎn)力矩就等于外力繞彎曲軸的力矩之和.然而,當(dāng)梁的截面變化時(shí),如飛機(jī)機(jī)翼,彎曲軸并不存在.這是因?yàn)? 此時(shí)截面的彎曲中心無法滿足“當(dāng)任意載荷作用于該處時(shí),所有截面都只發(fā)生彎曲位移,而不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移”的要求.為此,需重新定義梁的彎曲中心為: 當(dāng)集中力作用于某截面彎曲中心時(shí),該截面僅發(fā)生彎曲位移,不發(fā)生扭轉(zhuǎn)位移.而此時(shí)對(duì)于其它截面,允許發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形.這種情況下,各截面彎曲中心軌跡的連線將是一條曲線.

圖7 (a) 黃玉珊先生1941年發(fā)表于《航空機(jī)械月刊》論文《彎曲軸與彎曲線》,(b) 彎曲軸區(qū)別的示意圖

與之容易混淆的彎曲線則定義為: 給定的分布載荷作用于彎曲線上時(shí),所有截面上只產(chǎn)生彎曲位移,而無扭轉(zhuǎn)位移產(chǎn)生.比較彎曲線與彎曲中心軌跡線可知: 彎曲線的位置與梁的材料和所受載荷的特性有關(guān),計(jì)算比較復(fù)雜,且當(dāng)梁承受一處或幾處集中載荷或梁承受分布載荷時(shí),由于不能滿足整個(gè)梁只發(fā)生彎曲而不發(fā)生扭曲變形的要求,彎曲線并不存在.對(duì)于彎曲中心軌跡線,雖然與梁的材料及其分布有關(guān),但其位置不受外加載荷大小和分布情況的影響,因此它只是一條幾何曲線,盡管計(jì)算簡單,但在實(shí)際的應(yīng)力分析時(shí)并無作用.

在實(shí)際工程應(yīng)力分析時(shí),為了簡單起見,考慮到彎曲中心軌跡線始終在彎曲線兩側(cè),常用它代替彎曲線,以此計(jì)算出的最大應(yīng)力與實(shí)際偏差并不大 (黃玉珊先生曾對(duì)Dehavilland 公司的一種機(jī)翼進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明誤差在1%以內(nèi)),可以忽略.

2.2 提出了橫向和縱向載荷作用下矩形板彎曲及穩(wěn)定性分析方法

早期的板殼理論研究中總是假設(shè)板只承受橫向載荷 (外力垂直于板的中面) 的作用.但在實(shí)際中,除了橫向載荷外,如果作用于板的縱向載荷 (外力平行于板的中面) 足夠大時(shí),其對(duì)板彎曲也可能有很大的影響.直至30年代,大部分薄板彎曲問題的研究都沒有考慮橫向和縱向載荷同時(shí)作用對(duì)板彎曲的影響.黃玉珊先生在他的博士論文“Bending of Rectangular Plates Having Forces in the Middle Planes of the Plates”中,提出了一種可以解決這類問題的方法 (Huang 1940).

在1899年發(fā)表于《法國科學(xué)院通報(bào)》的文章中,利維 (M.Maurice Lévy) 提出了一種可以處理受任意橫向載荷作用的兩邊簡支矩形薄板彎曲問題的單三角級(jí)數(shù)解法 (Lévy 1899).雖然該方法由于收斂性好而被廣泛應(yīng)用,但其只適用于求解只有一對(duì)邊簡支、僅受橫向載荷作用的矩形板.為了充分利用該方法在計(jì)算應(yīng)力時(shí)收斂速度快的優(yōu)勢,黃玉珊先生巧妙地將有面內(nèi)縱向載荷Nx、Ny作用的方板彎曲撓度w展開為兩個(gè)單三角傅立葉級(jí)數(shù):

當(dāng)

和

均成立時(shí),橫向和縱向載荷同時(shí)作用下矩形薄板彎曲微分方程

自然滿足.其中D=Eh3/12(1-μ2)表示單位長度板的彎曲剛度,E為彈性模量,h為板厚,μ為泊松比,?2為拉普拉斯算子.

如果作用于板單位面積的橫向載荷q只是x的函數(shù),即q=q0f(x),w1也只隨x變化,板x=0和x=a兩條邊簡支,則式 (2) 簡化為

因此有

將式 (3) 展開,可寫為

如果式 (8) 的特征方程的四個(gè)根均為實(shí)數(shù),則該四階微分方程的通解可以表示為

其中

根據(jù)板的對(duì)稱性可知,Ym必須是偶函數(shù),因此Cm=Dm=0.式 (8) 中的其余兩個(gè)待定系數(shù)Am和Bm可根據(jù)板的兩個(gè)邊y=±b/2 的邊界條件求出.之后將am、Am和Bm代入式 (1) 即可得承受縱向載荷方薄板的彎曲撓度.

在其博士論文中,基于該方法,黃玉珊先生分別給出了: (1) 四邊簡支方板在均布縱向載荷、非均布載荷 (線性變化、呈三角形變化、局部分布、集中作用) 下的三角級(jí)數(shù)解法;(2) 側(cè)邊 (y=±b/2) 固支、彈性支撐以及彈性固支等條件下的解;(3) 相互垂直方向上作用有相等壓縮載荷的方板在四邊簡支、側(cè)邊 (y=±b/2) 固支、彈性支撐及彈性固支等條件下的屈曲條件.該成果曾于1942年在中國工程師學(xué)會(huì)第十一屆年會(huì)上宣讀,受到學(xué)會(huì)嘉獎(jiǎng).

1942年,黃玉珊先生指導(dǎo)研究生馮元楨進(jìn)一步研究了微彎薄曲桿及薄曲板在側(cè)壓力作用下的穩(wěn)定性問題.結(jié)果表明: 對(duì)稱的薄曲桿或薄曲板受到對(duì)稱的側(cè)壓力時(shí),即使是在不對(duì)稱的小擾動(dòng)作用下,其失穩(wěn)的臨界壓力也會(huì)顯著減小.1952年,馮元楨 (Fung 1952) 在給美國NACA(NASA 的前身) 撰寫的一篇報(bào)告 (TN2840 第11 頁) 中指出: 這類問題的命題和解法是黃玉珊先生所創(chuàng)立的.他還在80年代撰文回憶說: “這個(gè)主題,經(jīng)久不衰.目前非線性力學(xué)文獻(xiàn)中,還在做文章.當(dāng)時(shí)我哪里有本事想得出這樣的題目！肯定是黃老師教的.”

2.3 建立了橫向加筋板屈曲分析方法

40年代初,黃玉珊先生根據(jù)航空、船舶等的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了一種分析橫向加筋平板失穩(wěn)問題的方法.黃玉珊先生在其1941年發(fā)表于《Journal of Royal Aeronautical Society》的文章中,利用單三角級(jí)數(shù)方法,分析了橫向加筋板的屈曲問題 (Huang 1941).

對(duì)于如圖8所示的短板 (長度b＜ 寬度a) 或具有很多橫向加強(qiáng)筋的加筋板,由于筋條間板的長度常常小于寬度,板側(cè)邊支撐條件對(duì)屈曲的影響不大,而兩端的支撐條件影響很大,傳統(tǒng)的長板屈曲分析方法不再適用.如果將板的彎曲撓度w寫成傅立葉級(jí)數(shù)形式

圖8 短板和多橫向加筋的薄板

其中Fm(y)只是y的函數(shù).當(dāng)兩個(gè)側(cè)邊 (x=0 和x=a) 簡支時(shí),在側(cè)邊上,w應(yīng)滿足邊界條件

將式 (11) 代入板彎曲的微分方程,可得

由于式 (13) 對(duì)任意0 ≤x≤a成立,則有

解式 (14) 可得

式中:

值得注意的是,雖然式 (14) 中w可表示為無窮三角級(jí)數(shù)形式,但當(dāng)外加載荷接近臨界失穩(wěn)載荷時(shí),板將發(fā)生彎曲,此時(shí)式 (14) 中只有這一項(xiàng)起重要作用.根據(jù)經(jīng)驗(yàn),通常取m=1 即可得板屈曲的最小載荷.如果考慮y=a和y=b邊界支撐的影響,可以同時(shí)得到4 個(gè)方程以求得c1至c4.當(dāng)這4 個(gè)方程的系數(shù)組成的行列式為0 時(shí),板發(fā)生屈曲,由此可確定屈曲載荷.在此基礎(chǔ)上,黃玉珊先生還進(jìn)一步討論了板上、下兩端簡支、固支等四種不同邊界條件下的屈曲問題.

2.4 發(fā)展了整體薄壁圓筒殼體的穩(wěn)定性分析方法

50年代末至60年代初期,黃玉珊先生針對(duì)當(dāng)時(shí)薄殼強(qiáng)度理論中關(guān)于加筋薄壁圓筒殼體受局部徑向載荷強(qiáng)度計(jì)算研究尚不充分的問題,結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要,以Donnell 方程為基礎(chǔ),首先對(duì)短懸臂圓筒殼在邊緣受徑向集中力作用時(shí)根部的應(yīng)力和位移進(jìn)行了計(jì)算.之后,又給出了該問題的三角函數(shù)無窮級(jí)數(shù)解法,進(jìn)一步提高了解的收斂性和代換性,從而在大為減少計(jì)算工作量的前提下獲得了精度滿足工程設(shè)計(jì)要求的結(jié)果.1963年,黃玉珊先生和他指導(dǎo)的研究生諸德培一起,又在上述工作的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮殼體較薄而局部加強(qiáng)不足時(shí)的計(jì)算方法,并討論了解的收斂性和代換性 (黃玉珊1963).在該方法中,黃玉珊先生等將只有邊界受集中載荷時(shí)薄壁圓筒的位移用無窮級(jí)數(shù)的形式表示,其一般項(xiàng)為

式中,n=0,1,2,···,P為滿足特征方程P2±(1±i)kP -n2=0 的八個(gè)根,(v為泊松比,a是圓筒半徑,h為筒壁厚度).

由特征方程得P值后,代入式 (17) 并展開可得位移無窮級(jí)數(shù)的一般項(xiàng)

式中α1,β1,α2和β2分別是特征方程的根P=±α1±β1i;±α2±β2i的實(shí)部和虛部.

將內(nèi)力及位移函數(shù)代入邊界條件并求得式 (18) 中的八個(gè)常數(shù)后,即可給出圓筒根部的最大彎矩、最大膜應(yīng)力、剪應(yīng)力分布,以及邊緣集中力作用位置的最大徑向位移的解析表達(dá)式.進(jìn)一步分析表明,該方法與之前提出的方法相比,不僅具有更好的收斂性和代換性,在其它分布情況的邊緣徑向載荷作用下,只需將載荷展開為傅立葉級(jí)數(shù)形式

求得對(duì)應(yīng)圓筒響應(yīng)后,疊加各項(xiàng)結(jié)果即可得到圓筒在邊緣徑向載荷作用下的總位移.該項(xiàng)工作曾在中國力學(xué)學(xué)會(huì)第一次板殼理論學(xué)術(shù)研討會(huì)上宣讀,得到了廣泛關(guān)注.

由于上述分析中沒有考慮加強(qiáng)肋對(duì)面板彎曲的影響,而且Taylor 給出的整體筒殼彎曲問題解法中由于假設(shè)泊松比為0 而與實(shí)際不符,很難用于指導(dǎo)筒體設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析.1964年,黃玉珊先生將加強(qiáng)平板彎曲方程推導(dǎo)方法與Donnell 簡化圓柱筒殼方程的方法相結(jié)合,導(dǎo)出了比較嚴(yán)格的正交各向異性加強(qiáng)筒殼的八階偏微分方程,為進(jìn)一步研究整體筒殼彎曲和穩(wěn)定性問題打下了基礎(chǔ) (黃玉珊1964a).

在導(dǎo)出方程時(shí),他首先假設(shè)殼體有泊松比影響,而肋條不考慮泊松比的影響.同時(shí),考慮到縱橫截面的形心軸可能不在一個(gè)平面,筒殼沒有中性面,因此在建立方程時(shí)以殼體中面為基準(zhǔn)面.在略去一些高階小量后,建立內(nèi)力和位移的關(guān)系:

式中,Nx,N?,Mx,M?,Tx和T?分別表示縱向和橫向單位長度的力、彎矩和剪力,D為面板的拉壓剛度,E是彈性模量,μ為泊松比,a和t分別為殼體半徑和厚度,x和?分別為縱向和橫向坐標(biāo),u、v、w分別為縱、橫、徑向位移,Fx=fx t和F?=f?t分別是單位長度的縱向和橫向肋條的橫截面積,Sx和S?分別為單位長度縱向和橫向肋條面積繞面板中軸面的面積矩,Cx和C?分別是單位長度肋條扭轉(zhuǎn)剛度,K為面板彎曲剛度.

將上式代入內(nèi)外力平衡關(guān)系,通過微分運(yùn)算消元后即可得Donnell 型嚴(yán)格的整體筒殼方程

式中,gx=1+(1-μ2)fx,g?=1+(1-μ2)f?.

2.5 提出了多空剛構(gòu)彎矩計(jì)算的柱比分析法

隔框的強(qiáng)度分析是薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要課題之一.通常把一個(gè)單獨(dú)的框架或環(huán)稱為單空剛構(gòu),其靜不定次數(shù)一般不超過3.1930年,H.Cross 首先發(fā)現(xiàn)具有三度靜不定的單空剛構(gòu)與偏心受壓短柱的數(shù)學(xué)關(guān)系式類似,但后者的求解更為簡單.因此他提出,可以利用數(shù)學(xué)上算式的相似性,把求解單空剛構(gòu)靜不定彎矩問題轉(zhuǎn)化為求偏心受壓短柱截面應(yīng)力的問題,即先通過求解偏心受壓短柱的方程,得到短柱截面上的應(yīng)力后,再利用柱比關(guān)系式確定剛構(gòu)桿件的彎矩.該方法被稱為柱比分析法,并在工程中廣泛應(yīng)用.然而,當(dāng)該方法用于求解由多個(gè)框架或環(huán)連接而成的多空剛構(gòu)問題時(shí),由于靜不定次數(shù)過多,求解很復(fù)雜.因此,一般認(rèn)為不可能應(yīng)用于分析具有高靜不定度的多空剛構(gòu)問題.

50年代,黃玉珊先生首先給出了適用于求解多空剛構(gòu)彎矩的柱比分析法 (黃玉珊 1958).他以兩空剛構(gòu)為例 (圖9),通過研究相鄰兩空共用桿件的影響,并以厚度δ=1/EJ,斷面形狀與剛構(gòu)中心線形狀一樣的兩個(gè)短柱分別比擬剛構(gòu)的兩個(gè)空,從而得到兩個(gè)短柱修正后載荷應(yīng)滿足的代數(shù)方程:

圖9 (a) 兩空剛構(gòu),(b) 比擬的偏心受壓短柱

式中,P1、MX1等是作用于靜定剛構(gòu)的載荷,可由靜定彎矩求得;F、Q、J、I、H等為短柱截面相關(guān)參數(shù),均為已知量.因此,方程只有P1、P2、MX1、MX2、MY1和MX2六個(gè)待求量,稱之為修正載荷.解方程組 (22) 得到這六個(gè)修正載荷后,代入柱應(yīng)力公式:

即可得柱斷面的應(yīng)力.之后再利用柱比關(guān)系式

得到靜不定彎矩.最終,多空剛構(gòu)上各點(diǎn)的實(shí)際彎矩可表示為M=ms- σ (ms為靜定彎矩),而兩環(huán)之間共用的桿件彎矩為ms-σ1-σ2.

3 我國飛機(jī)疲勞定、延壽和損傷容限設(shè)計(jì)的倡導(dǎo)者和理論奠基人

自1954年彗星號(hào)飛機(jī)失事以來,疲勞問題開始受到重視,安全壽命的概念被廣泛地在國外飛機(jī)設(shè)計(jì)中采用.在我國航空工業(yè)建立和發(fā)展之初,由于技術(shù)積累不足,早期飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要按靜強(qiáng)度準(zhǔn)則設(shè)計(jì).50年代中期起,黃玉珊先生倡導(dǎo)在國內(nèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮疲勞問題.為此,他1957年在《航院學(xué)報(bào)》撰文以大量實(shí)例分析了疲勞問題的重要性 (黃玉珊 1957),并多次就疲勞問題與沈陽飛機(jī)制造廠 (112 廠) 的設(shè)計(jì)人員一起研討.后來,他又被聘為該廠技術(shù)顧問,直接指導(dǎo)殲教1 飛機(jī)的結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算.60年代,他率領(lǐng)西工大一批技術(shù)骨干深入開展疲勞研究,并直接指導(dǎo)西工大為航空研究院強(qiáng)度試驗(yàn)中心建設(shè)了我國第一個(gè)大型全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)水槽裝置,有力地支撐了疲勞試驗(yàn)工作.

但無論是國外還是國內(nèi),早期的飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全壽命設(shè)計(jì)中均是建立在結(jié)構(gòu)無初始缺陷的基礎(chǔ)上,即以結(jié)構(gòu)出現(xiàn)宏觀可檢裂紋作為疲勞壽命的終點(diǎn),認(rèn)為結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞.按照這種設(shè)計(jì)思想,飛機(jī)到了壽命就要退役或轉(zhuǎn)到二線使用.然而實(shí)際工程中,由于結(jié)構(gòu)材料的初始缺陷、生產(chǎn)制造裝配以及服役過程中引入的損傷難以避免,給飛機(jī)安全帶來隱患.這種含裂紋物體的強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展規(guī)律恰恰是斷裂力學(xué)研究的內(nèi)容.而按照早期的安全壽命設(shè)計(jì)思想,疲勞壽命幾乎和斷裂力學(xué)沒有關(guān)系.直到1969年,一架只飛行了100 多飛行小時(shí)的美國空軍 F-111 戰(zhàn)斗轟炸機(jī)因機(jī)翼樞軸斷裂而墜毀,遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全壽命.以美國為首的西方國家70年代初逐漸開始將斷裂力學(xué)的要求融入飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范,并最終在1974年廢除了疲勞強(qiáng)度和安全壽命要求,代之以斷裂強(qiáng)度要求,稱為耐久性和損傷容限規(guī)范.國外設(shè)計(jì)規(guī)范的演變也推動(dòng)了疲勞、斷裂力學(xué)、結(jié)構(gòu)可靠性等學(xué)科的快速發(fā)展.黃玉珊先生一貫站在這些學(xué)科的前沿,對(duì)設(shè)計(jì)思想有很全面的考慮.

現(xiàn)代斷裂力學(xué)理論大約是在上世紀(jì)40 至50年代形成,并在60年代快速發(fā)展成熟.雖然70年代初斷裂力學(xué)才廣泛進(jìn)入我國,但早在60年代黃玉珊先生就敏銳地感覺到斷裂力學(xué)將會(huì)在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域大有作為.他根據(jù)國外航空技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)實(shí)際需要,在國內(nèi)首先提出可以應(yīng)用斷裂力學(xué)來解決飛機(jī)的強(qiáng)度和壽命問題.他親自組織力量,積極研究并應(yīng)用斷裂力學(xué)理論解決飛機(jī)設(shè)計(jì)中的實(shí)際問題.1972年,黃玉珊先生主持了我國《飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度研究概況》調(diào)研報(bào)告的編寫工作并親自撰稿,積極推動(dòng)應(yīng)用斷裂力學(xué)及損傷容限設(shè)計(jì)的研究.同年,他在西工大重新建立了疲勞、斷裂、可靠性等研究組,并組織力量重點(diǎn)調(diào)查全國飛機(jī)疲勞事故及斷裂力學(xué)在國內(nèi)的發(fā)展情況.此后多年中,他不辭辛勞,廣泛地深入到高校、工廠、設(shè)計(jì)院所為技術(shù)人員講授斷裂力學(xué)應(yīng)用課程,致力于以疲勞和斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的耐久性和損傷容限設(shè)計(jì)方法在航空科技領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用.1973年,在上海召開的國產(chǎn)運(yùn)10 飛機(jī)設(shè)計(jì)原則討論會(huì)上,他建議采用基于斷裂力學(xué)的損傷容限設(shè)計(jì)方法,并親自進(jìn)行了原理講演,得到與會(huì)專家學(xué)者的積極響應(yīng).他曾對(duì)我國殲5 飛機(jī)主梁斷裂事故進(jìn)行了精辟地分析,根據(jù)當(dāng)時(shí)飛行載荷情況和主梁斷口存在深度不到1 mm 的孔壁裂紋,判斷主梁發(fā)生了斷裂力學(xué)中應(yīng)力強(qiáng)度因子控制的脆斷.他還最早提議在轟6 飛機(jī)大型鍛件梁框上制造人工裂紋進(jìn)行疲勞試驗(yàn).

為了具體解決飛機(jī)定壽、延壽問題,60 至80年代期間,國家有關(guān)部委曾在北京、南京等地召開了多次會(huì)議,黃玉珊先生不顧腦血栓后遺癥的影響,幾乎參加了每一次研討并發(fā)表重要講話.同時(shí),為了使廣大工程技術(shù)人員能應(yīng)用斷裂力學(xué)來解決這個(gè)重要問題,他指導(dǎo)和參與了《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊》《飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)指南》和《美國空軍損傷容限設(shè)計(jì)手冊》等的編著、翻譯和出版工作,指導(dǎo)翻譯了美國《軍用飛機(jī)完整性大綱》和《損傷容限設(shè)計(jì)要求》,和張相周一起翻譯出版了英國P.斯坦利主編的《斷裂力學(xué)的工程應(yīng)用》（圖10）.1985年,他在全國范圍內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)組織了具有學(xué)術(shù)意義和工程價(jià)值的專題學(xué)術(shù)研討活動(dòng)“疲勞壽命模型評(píng)比”.直至臨去世前,他剛剛完成了專著《疲勞與斷裂》的撰稿.

圖10 黃玉珊先生與他指導(dǎo)的學(xué)術(shù)梯隊(duì)在疲勞、斷裂和可靠性方面的部分著作

70-80年代期間,黃玉珊先生主持或指導(dǎo)過殲教1、殲5、轟6、殲6、殲8 以及運(yùn)10 等多個(gè)型號(hào)飛機(jī)的定壽、延壽和損傷容限評(píng)定工作,先后主持或參加了“殲5 主梁裂紋” “殲6 飛機(jī)使用壽命和檢查周期” “裂紋擴(kuò)展及超載遲滯” “應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊” “飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)指南”和“裂紋檢測概率”等六項(xiàng)重大課題.他所領(lǐng)導(dǎo)的結(jié)構(gòu)疲勞、斷裂與可靠性研究隊(duì)伍始終站在國內(nèi)該領(lǐng)域的學(xué)科前沿,在斷裂力學(xué)及其應(yīng)用領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果,共9 次獲得國家級(jí)和部、省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì),其中國家科學(xué)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)兩次,航空部科技二等獎(jiǎng)五次,國防工業(yè)重大技術(shù)革新獎(jiǎng)一次,對(duì)我國飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)和評(píng)定工作的推廣實(shí)施做出了突出貢獻(xiàn),也有力地推動(dòng)了我國飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)制定、指南編寫等工作.

黃玉珊先生在這一領(lǐng)域的主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)包括:

3.1 深入澄清疲勞與斷裂的區(qū)別

由于對(duì)損傷容限設(shè)計(jì)思想認(rèn)識(shí)不充分,再加上實(shí)踐積累不足,一直至70年代后期,我國飛機(jī)設(shè)計(jì)中仍把安全壽命設(shè)計(jì)作為飛機(jī)滿足設(shè)計(jì)使用壽命和可靠性要求的基本方法,基于斷裂力學(xué)思想的損傷容限設(shè)計(jì)只是逐步開始在飛機(jī)設(shè)計(jì)中嘗試,但并不是強(qiáng)制要求.考慮到我國在飛機(jī)壽命問題上,有按疲勞處理,也有按斷裂力學(xué)處理,方法很不統(tǒng)一,為了加快耐久性和損傷容限設(shè)計(jì)方法在航空科技領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用,黃玉珊先生認(rèn)為幫助大家弄清疲勞和斷裂的關(guān)系,以及安全壽命和損傷容限的概念是很有必要的.為此,他于1978年撰文 (黃玉珊 1978),進(jìn)一步對(duì)疲勞、斷裂和損傷容限的認(rèn)識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)地闡述 (圖11).在該文中,他將構(gòu)件的疲勞壽命分為兩個(gè)階段,宏觀裂紋出現(xiàn)以前的壽命為無裂紋壽命,裂紋擴(kuò)展階段稱為帶裂紋壽命.黃玉珊先生認(rèn)為:從疲勞觀點(diǎn)出發(fā),開始時(shí)認(rèn)為沒有損傷,到一定時(shí)間以后,發(fā)展到損傷可用實(shí)驗(yàn)室中測試手段覺察時(shí)為疲勞壽命.斷裂力學(xué)則認(rèn)為開始就存在損傷,斷裂力學(xué)主要研究裂紋擴(kuò)展階段直到最后破壞為止.從使用中可覺察的裂紋擴(kuò)展,到臨界損傷破壞則屬于損傷容限的范疇.由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可覺察的損傷與實(shí)際使用中可覺察的損傷大小受測試手段和測試人員主觀能力的影響,所以疲勞和損傷容限兩者中間的過渡區(qū)是可變的,而且有時(shí)可能互相重疊.他還指出: 在疲勞問題中,疲勞是斷裂的起因而斷裂是疲勞的結(jié)果,但是疲勞裂紋僅僅是損傷的一個(gè)原因,而損傷還包括材料的缺陷與制造和維修中的缺陷和錯(cuò)誤,以及不能察覺的意外損傷.在破損安全和損傷容限中,斷裂力學(xué)用于剩余強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展壽命的估算與分析.應(yīng)用斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)進(jìn)行飛機(jī)的選材、設(shè)計(jì)、制造和維修以防止斷裂,叫做斷裂控制.對(duì)比分析損傷容限與安全壽命的設(shè)計(jì)思想后,他認(rèn)為: 相比安全壽命,損傷容限思想更為合理,是辯證唯物的觀點(diǎn),符合客觀事實(shí).損傷容限根據(jù)檢查情況對(duì)使用情況不同的飛機(jī)進(jìn)行篩選,分別處理.在役飛機(jī)的延壽采用損傷容限的概念更好,可以更快地確定飛機(jī)的壽命,更容易解決飛機(jī)不能大面積停飛的問題.當(dāng)時(shí),國內(nèi)大量的舊飛機(jī)已經(jīng)使用了多年,然而這些飛機(jī)是根據(jù)什么規(guī)范或者原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的？設(shè)計(jì)時(shí)是否按照安全壽命的思想設(shè)計(jì)？不但無從考證,有的甚至設(shè)計(jì)圖紙也不全.如何確定這些舊飛機(jī)的壽命是當(dāng)時(shí)的一大難題.黃玉珊先生首先提出用損傷容限方法重新評(píng)估這些舊飛機(jī)的壽命,這就是所謂舊飛機(jī)的“定壽、延壽”問題.快刀斬亂麻,為這樣一個(gè)復(fù)雜、困難、茫無頭緒的問題,指出了一條有效的解決途徑,并給出了具體做法的建議.他指出: 在役飛機(jī)的延壽用損傷容限思想更合適.通過調(diào)研,可以獲得許多實(shí)際損傷的位置及其發(fā)展的經(jīng)歷,然后用統(tǒng)計(jì)方法求得必要的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù),并對(duì)較新的機(jī)種做好方案準(zhǔn)備和試驗(yàn)準(zhǔn)備.雖然這些機(jī)型都不是按損傷容限設(shè)計(jì)的,不能按最新的準(zhǔn)則來要求,但可以按照斷裂控制思想,根據(jù)探傷的能力來確定適當(dāng)?shù)臋z修周期.黃玉珊先生提出的用斷裂控制設(shè)計(jì)來代替疲勞壽命的這一思想,奠定了我國舊飛機(jī)定壽、延壽的基礎(chǔ).

圖11 疲勞和斷裂的區(qū)別

鑒于損傷容限思想無論是對(duì)我國舊飛機(jī)定壽、延壽,還是對(duì)新飛機(jī)設(shè)計(jì)均具重大意義,黃玉珊先生對(duì)我國飛機(jī)疲勞和斷裂工作提出一些具體的建議: 首先,無論是對(duì)舊飛機(jī)延壽還是新機(jī)設(shè)計(jì),應(yīng)該考慮用損傷容限的設(shè)計(jì)思想代替安全壽命.對(duì)于所有的飛機(jī),特別是軍用飛機(jī),都需要在靜強(qiáng)度要求以外增加對(duì)損傷容限的考慮.開始可能沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或規(guī)范可以遵循,但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究部門可以先提出損傷容限的強(qiáng)度及驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)試用書,設(shè)計(jì)部門各自擬定考慮斷裂控制的方案,積累經(jīng)驗(yàn)后再考慮制定統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范.在有高溫蠕變環(huán)境下,還需要重視高溫環(huán)境下?lián)p傷擴(kuò)展的情況.同時(shí),結(jié)構(gòu)、材料和工藝都要有措施,設(shè)計(jì)中要注意采用從斷裂角度對(duì)構(gòu)件提出的要求.其次,我國斷裂力學(xué)開展較晚,在航空方面斷裂應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也還不夠,和西方國家相比有較大差距,應(yīng)該加強(qiáng)如彈塑性裂紋擴(kuò)展機(jī)理,角、邊裂紋的擴(kuò)展規(guī)律,平均應(yīng)力和負(fù)載荷對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN的影響,高載遲滯作用機(jī)理及其分析模型,以及如何運(yùn)用統(tǒng)計(jì)理論解決裂紋擴(kuò)展壽命等基本理論問題的研究.同時(shí),應(yīng)該盡早有計(jì)劃有組織地進(jìn)行材料斷裂特性數(shù)據(jù)的測定.測試時(shí)試件尺寸和試驗(yàn)方法應(yīng)該統(tǒng)一,以保證數(shù)據(jù)能普遍采用.對(duì)于材料在腐蝕、高溫環(huán)境下的斷裂特性基本數(shù)據(jù),以及復(fù)合材料的斷裂特性也需要及早注意.另外,還需要關(guān)注損傷的監(jiān)控工作,這是未來航空結(jié)構(gòu)發(fā)展的發(fā)展方向之一.此外,黃玉珊先生還建議: 可以在飛機(jī)上安裝載荷記錄儀對(duì)服役載荷進(jìn)行監(jiān)測,確定飛機(jī)的載荷譜,而載荷譜是斷裂和疲勞問題的基本數(shù)據(jù).然后按損傷折算辦法計(jì)算損傷度,當(dāng)飛機(jī)損傷度達(dá)到某一限額時(shí)停止使用.黃玉珊先生的這些寶貴建議為我國飛機(jī)耐久性和損傷容限設(shè)計(jì)的發(fā)展指明了方向.

1985年,受航空工業(yè)部委托,黃玉珊先生組織了一項(xiàng)具有重要學(xué)術(shù)意義和工程價(jià)值的專題學(xué)術(shù)活動(dòng)-全國范圍內(nèi)的疲勞壽命模型評(píng)比活動(dòng).盡管身體不適,他還經(jīng)常利用夜晚時(shí)間,親自主持會(huì)議,研究制定全盤的工作方針、方向和具體方案,并對(duì)活動(dòng)的進(jìn)展情況及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo).這項(xiàng)活動(dòng)對(duì)推動(dòng)疲勞、斷裂力學(xué)在我國飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

3.2 提出了工程結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算半線性Willenborg 模型

半線性Wheeler 遲滯模型雖然在估算裂紋擴(kuò)展壽命時(shí)準(zhǔn)確性較高,但由于其中的遲滯指數(shù)需通過實(shí)驗(yàn)測定,使用起來不太方便 (Broek 1979).80年代初,黃玉珊先生將半線性原則引入Willenborg 模型,給出了一種被稱為“黃氏模型”的半線性Willenborg 模型 (劉雪惠 1983).

該模型中,將殘余毛應(yīng)力定義為

其中,λ 為待定系數(shù),σ1max和σ2max分別表示超載最大應(yīng)力和超載前最大應(yīng)力（圖12）.

圖12 單個(gè)超載示意圖

將最大、最小有效應(yīng)力表示為

同時(shí),基于Elber (1971) 閉合原理給出Paris (1963) 形式的裂紋擴(kuò)展公式

當(dāng)

則可將裂紋閉合參數(shù)簡寫為

式中待定系數(shù)λ通過試湊即可確定.與其他傳統(tǒng)方法相比,該方法沒有增加試驗(yàn)工作量,很適合在飛機(jī)打樣設(shè)計(jì)階段評(píng)估疲勞裂紋擴(kuò)展使用.

3.3 指導(dǎo)開展動(dòng)態(tài)斷裂問題研究

70年代起,國外學(xué)者陸續(xù)開始關(guān)注裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展特性問題.直到80年代初期,該問題才引起了國內(nèi)學(xué)者的重視.80年代中期,在黃玉珊先生和助手劉元鏞的指導(dǎo)下,研究生李玉龍?jiān)趪鴥?nèi)較早的開展了材料動(dòng)態(tài)斷裂特性研究.他們利用實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值仿真相結(jié)合的手段,研究了金屬材料雙懸臂梁 (DCB) 模型動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展特性 (李玉龍 1985).

在該項(xiàng)工作中,應(yīng)力強(qiáng)度因子根據(jù)有限元法計(jì)算結(jié)果采用位移法求出.他們在裂紋尖端采用六節(jié)點(diǎn)畸變奇異等參元,巧妙地利用這種單元能夠反映裂紋尖端應(yīng)力、應(yīng)變?chǔ)?1/2奇異性的特點(diǎn).同時(shí),為了準(zhǔn)確測定裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展速率,他們將電阻斷裂絲片沿試樣的中心線方向并聯(lián)粘貼在裂紋的前方,并使絲柵方向垂直于裂紋擴(kuò)展方向.裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致電阻斷裂絲片的絲柵依次斷裂,使得其兩端電壓呈現(xiàn)出臺(tái)階狀的變化.兩階躍之間的時(shí)間差就是相鄰兩根電阻絲之間裂紋擴(kuò)展所用的時(shí)間.由此,可以獲得動(dòng)態(tài)裂紋的擴(kuò)展速率.他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 由于實(shí)驗(yàn)機(jī)油缸活塞運(yùn)動(dòng)速率與裂紋擴(kuò)展速率相比小得多,完全可以忽略不計(jì),從起裂到裂紋滯止的大部分階段內(nèi)裂紋幾乎以恒速擴(kuò)展,而裂紋擴(kuò)展速率的大小取決于起裂應(yīng)力強(qiáng)度因子及材料本身的特性.當(dāng)起裂應(yīng)力強(qiáng)度因子K1Q和材料的剪切波速G增大時(shí),裂紋擴(kuò)展速率增大;當(dāng)材料的斷裂韌性K1C增大時(shí),裂紋擴(kuò)展速率減小.裂紋擴(kuò)展速率與起裂應(yīng)力強(qiáng)度因子、材料的剪切波速和斷裂韌性之間的關(guān)系可近似表示為

式中:V為裂紋擴(kuò)展速率,A為與實(shí)驗(yàn)條件相關(guān)的常數(shù).與之類似,裂紋擴(kuò)展長度也隨著起裂應(yīng)力強(qiáng)度因子的增大而增加,隨材料斷裂韌性的增大而減小.其與起裂應(yīng)力強(qiáng)度因子和材料斷裂韌性的關(guān)系可表示為

其中aQ為裂紋擴(kuò)展長度,a0為裂紋初始長度.

通過對(duì)動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展中耗散能量的分析,他們進(jìn)一步指出: 對(duì)于不同的起裂應(yīng)力強(qiáng)度因子K1Q,動(dòng)態(tài)斷裂韌性K1D總是大于靜態(tài)斷裂韌性K1C.在裂紋滯止時(shí),K1D遠(yuǎn)大于此時(shí)的靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子K1Q.在裂紋擴(kuò)展過程中,動(dòng)能起著重要作用.此外,動(dòng)態(tài)斷裂韌性對(duì)起裂應(yīng)力強(qiáng)度因子K1Q的變化并不敏感.裂紋滯止時(shí),動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子總是大于裂紋滯止時(shí)的靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子K1a,并且與系統(tǒng)的動(dòng)能相關(guān).

同時(shí),他們還對(duì)基于DCB 模型的靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的各種近似表達(dá)式進(jìn)行了對(duì)比 (Li 1985),發(fā)現(xiàn)在恒力情況下,公式

具有較高精度.而在恒位移情況下,公式

具有較高精度.式中K1為靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子,P為外載荷,H和B分別為梁的寬度和厚度,δ為銷釘張開位移的一半.

80年代中后期,在黃玉珊先生和助手劉元鏞的指導(dǎo)下,研究生李玉龍又進(jìn)一步研究了DCB梁在階躍載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),并給出了一種測定材料動(dòng)態(tài)斷裂韌性K1D的便捷方法 (李玉龍1987).他們的研究結(jié)果表明,在階躍載荷下,DCB 模型的動(dòng)載影響系數(shù)K1(t)可以近似用三角函數(shù)描述

式中ω為圓頻率.

當(dāng)已知銷釘力時(shí),動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子可表達(dá)為

已知銷釘位移時(shí),KI(t)可表示為

基于該結(jié)果,他們指出: 如果在實(shí)驗(yàn)中測定了裂紋起裂時(shí)間tF,則可基于斷裂判據(jù)

確定材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌性.他們在80年代中期完成的這項(xiàng)工作,為確定動(dòng)態(tài)起裂韌性提供了一種簡單可行的方法.

3.4 指導(dǎo)攻克三維斷裂力學(xué)難題

80年代,損傷容限研究及其在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)入發(fā)展的黃金時(shí)期,然而早期的損傷容限設(shè)計(jì)是在比較成熟的二維斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 含裂紋試樣的承載能力、裂紋的疲勞擴(kuò)展壽命顯著依賴于試件的厚度,傳統(tǒng)的二維斷裂力學(xué)理論無法解釋這一問題.在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于對(duì)性能和安全性要求越來越高的飛機(jī)損傷容限設(shè)計(jì)來說,這一問題無法回避.正在師從黃玉珊先生攻讀博士學(xué)位的郭萬林從一份國外的研究報(bào)告中發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象后,產(chǎn)生了關(guān)于三維疲勞斷裂選題的濃厚興趣.但是,當(dāng)他跑遍北京、西安等地的圖書館,盡可能搜遍各種文獻(xiàn)資料,仍然沒有找到任何可供使用的三維彈塑性斷裂理論或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù).這意味著這一問題的研究在數(shù)學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和當(dāng)時(shí)的計(jì)算分析方面都面臨巨大挑戰(zhàn).關(guān)鍵時(shí)刻,黃玉珊先生給予了他鼓勵(lì)和支持,堅(jiān)定了他攻克這一國際難題的信心和決心.

在黃玉珊先生和他的助手傅祥炯的指導(dǎo)下,博士生郭萬林在仔細(xì)分析了三維裂紋尖端的三軸應(yīng)力約束特性及造成二維理論不足的原因之后,建立了三軸應(yīng)力約束下裂紋尖端應(yīng)力場的基本假設(shè),首次給出了三維彈塑性裂紋尖端應(yīng)力、應(yīng)變場的奇異性結(jié)構(gòu),并通過求解裂紋尖端局部場,得到了裂紋尖端應(yīng)力、應(yīng)變奇異性和角分布隨三軸應(yīng)力約束Tz 的變化規(guī)律,得到了J-Tz 的解析解;求解了三維線彈性裂紋尖端場,證明了在線彈性條件下裂紋尖端局部應(yīng)力場與三軸應(yīng)力無關(guān),不僅澄清了理論界對(duì)該問題的爭議,還為已有線彈性損傷容限分析方法在實(shí)際三維結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù).在三維問題解的基礎(chǔ)上,他還對(duì)平面裂紋問題進(jìn)行了分析,首次發(fā)現(xiàn)在平面應(yīng)變條件下裂紋尖端局部場不再獨(dú)立于外部加載環(huán)境,并從理論上證明了60年代末由J.W.Hutchinson、J.R.Rice 與G.R.Rosengren 給出的I 型裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場的彈塑性解 (稱之為著名的HRR 奇異解) 僅是平面應(yīng)變裂紋尖端場的上限解,澄清了長期以來關(guān)于平面應(yīng)變裂紋尖端場的爭議;基于能量概念,建立了三維線彈性裂紋和彈塑性裂紋的雙參數(shù)斷裂準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則不僅消除了厚度的影響,還初步實(shí)現(xiàn)了裂紋起裂與穩(wěn)定擴(kuò)展的統(tǒng)一.此外,他們還對(duì)三維疲勞裂紋擴(kuò)展問題進(jìn)行了深入研究,提出了三維裂紋向二維穿透裂紋等效的原則,建立了考慮三軸應(yīng)力約束的半解析閉合模型和超載遲滯模型;構(gòu)建了能夠僅憑一種典型工況狀態(tài)下疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù),精確預(yù)測各種三維應(yīng)力狀態(tài)下疲勞壽命的三維疲勞裂紋擴(kuò)展統(tǒng)一模型,在很大程度上減少了壽命預(yù)估對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的依賴性,提高了壽命預(yù)測的可靠性 (郭萬林 1991).郭萬林提出的被國際上稱為“郭因子”的三維約束參數(shù)的有限特性,將難以求解的三維問題簡化成可以求解的問題,從而在國際上率先獲得了對(duì)三維彈塑性裂紋問題的理論解,受到國際學(xué)術(shù)界廣泛承認(rèn)和引用.

3.5 提出了一種考慮裂紋漏檢概率的構(gòu)件破斷全概率計(jì)算方法

由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)中,初始裂紋長度是計(jì)算結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展壽命的關(guān)鍵,工程上主要依據(jù)裂紋檢測概率P(D/a)～a曲線確定.80年代初期,黃玉珊先生在第三屆全國斷裂力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上提出“用可靠性原理修改美空軍損傷容限規(guī)范的建議”,竭力推動(dòng)可靠性研究和損傷容限、耐久性設(shè)計(jì)及評(píng)定相結(jié)合,并針對(duì)某些飛機(jī)典型構(gòu)件進(jìn)行了可靠性分析.考慮到當(dāng)時(shí)這種曲線測定無標(biāo)準(zhǔn)可循,他與林富甲一起提出了一種裂紋檢測概率曲線的統(tǒng)計(jì)測定方法 (林富甲 1982).該方法通過對(duì)含不同長度預(yù)制裂紋實(shí)驗(yàn)件的檢測,確定特定長度裂紋被檢出概率應(yīng)滿足的概率條件,并巧妙利用F分布函數(shù)表簡化檢出概率置信下限的計(jì)算過程.在此基礎(chǔ)上,根據(jù)各個(gè)裂紋長度區(qū)間內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果作圖,即可得到裂紋檢測概率曲線和檢測概率隨裂紋長度a的變化曲線.

由于以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的損傷容限設(shè)計(jì)方法對(duì)裂紋的漏檢概率考慮不足,在黃玉珊先生的指導(dǎo)下,林富甲又進(jìn)一步綜合考慮了飛機(jī)構(gòu)件疲勞與斷裂兩方面特性,提出了一種考慮裂紋漏檢概率時(shí)任一檢查周期內(nèi)構(gòu)件破斷全概率的計(jì)算方法 (林富甲 1983).他們通過研究還發(fā)現(xiàn): 構(gòu)件在一個(gè)檢查周期內(nèi)的破壞概率隨檢查序號(hào)增大而增大.對(duì)一定檢查周期和累積破壞概率而言,較高的結(jié)構(gòu)疲勞壽命或裂紋形成壽命對(duì)應(yīng)較長的總使用壽命.檢查周期越短,裂紋漏檢對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響越大.這一工作被應(yīng)用于某型后掠式飛機(jī)機(jī)翼主梁可靠性分析,并先后獲航空航天科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng).

4 我國航空航天結(jié)構(gòu)強(qiáng)度事業(yè)的杰出學(xué)科帶頭人

4.1 新中國航空飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度事業(yè)的先驅(qū)

新中國成立之初,黃玉珊先生就提出: “飛機(jī)仿制中要考慮自行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中要重視基礎(chǔ)科研,科研中要掌握國外先進(jìn)技術(shù)”.他一貫重視產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,強(qiáng)調(diào)高等學(xué)校的科學(xué)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合,并身體力行.雖然,他早年從事結(jié)構(gòu)力學(xué)理論方面的教學(xué)與研究工作,50年代中期起他的研究工作就與我國的航空航天事業(yè)建設(shè)密不可分.1962年,國防科委召集組建了全國航空航天類專業(yè)教材編審委員會(huì),黃玉珊先生應(yīng)邀擔(dān)任委員并負(fù)責(zé)飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造組的工作.1963年國防部第六研究院航空科學(xué)技術(shù)委員會(huì)成立,黃玉珊先生受邀擔(dān)任結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)組組長,擔(dān)任副組長的有清華大學(xué)杜慶華、南京航空學(xué)院張阿舟以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃文虎等專家學(xué)者.1964年,中國航空學(xué)會(huì)成立,黃玉珊先生任執(zhí)行主席,并被聘為飛機(jī)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度專業(yè)組副組長.同年,在擔(dān)任三機(jī)部 (主管航空) 和國防科委六院聯(lián)合召開的強(qiáng)度組熱應(yīng)力試驗(yàn)設(shè)備會(huì)期間,黃玉珊先生積極倡導(dǎo)并促成了航空研究院強(qiáng)度研究所的建立,這是我國第一所專門從事航空結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的科研院所.1972年,他還擔(dān)任了國防科委飛機(jī)設(shè)計(jì)專業(yè)調(diào)查組副組長.此外,黃玉珊先生還擔(dān)任過中國航空學(xué)會(huì)第一、二屆常務(wù)理事,并長期擔(dān)任結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度分會(huì)主任委員.

黃玉珊先生還多次擔(dān)任航空領(lǐng)域多個(gè)重要型號(hào)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度審查審定工作專題會(huì)議的組長或召集人.例如: 1972年,運(yùn)10 方案審定會(huì),他擔(dān)任強(qiáng)度組組長,參加的還有張阿舟、王德榮、張桂聯(lián)等人;1973年,他擔(dān)任了三機(jī)部運(yùn)8 飛機(jī)載荷審議會(huì)飛行載荷組組長,主持了三機(jī)部航空強(qiáng)度規(guī)劃組組長會(huì)議,組織并主持708 工程疲勞設(shè)計(jì)專題會(huì)議;1975年,在黃玉珊先生的組織下,我國召開了首次飛行器強(qiáng)度工作十年 (1976—1985) 規(guī)劃會(huì)議;僅1978年一年,他就參加或主持了由國務(wù)院、國防科委、中國科學(xué)院等組織的全國性會(huì)議十余次之多.晚年,由于腦血栓后遺癥的影響,黃玉珊先生雖然較少親臨一線參與型號(hào)方案審查或?qū)彾üぷ?但依然抱病為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展不遺余力地工作.從他留下的日記中能夠看到,他所承擔(dān)的工作任務(wù)依然很繁重.1983年,他主持了《中國大百科全書 航空航天卷》中飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)分支的編寫工作,并親自主筆撰寫條目;同年,他還帶病主持了《2000年飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度展望》編寫工作,該成果榮獲教育部高等學(xué)校科技二等獎(jiǎng);1984年,兼任航空工業(yè)部強(qiáng)度中心理事長;1985年,又受邀擔(dān)任由航空工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)組織編寫的《飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)指南》一書的主審,該書后來獲航空工業(yè)部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng).

在黃玉珊先生的領(lǐng)導(dǎo)下,華東航空學(xué)院飛機(jī)工程系的飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)和飛機(jī)制造工程兩個(gè)專業(yè),快速發(fā)展為西工大飛機(jī)設(shè)計(jì)、飛機(jī)工藝、直升機(jī) (1970年調(diào)整至南京航空航天大學(xué))、空氣動(dòng)力、飛機(jī)儀表設(shè)備和導(dǎo)彈等六個(gè)專業(yè)以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等兩個(gè)研究所,聚集了包括陳百屏 (固體力學(xué)專家,結(jié)構(gòu)矩陣方法提出者)、羅時(shí)鈞 (錢學(xué)森先生的首位博士生,空氣動(dòng)力學(xué)專家)、王培生 (空氣動(dòng)力學(xué)專家)、陳士櫓 (飛行力學(xué)專家,我國飛行器飛行力學(xué)的學(xué)術(shù)帶頭人)、葉天麒 (計(jì)算力學(xué)專家)、趙令誠 (氣動(dòng)彈性力學(xué)專家)、劉千剛 (空氣動(dòng)力學(xué)與飛行動(dòng)力學(xué)專家)、諸德培 (飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專家) 等一大批國內(nèi)力學(xué)、航空航天領(lǐng)域的著名專家學(xué)者,在教材和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等都取得出色成績.

黃玉珊先生還擔(dān)任過由西工大師生自主設(shè)計(jì)的“延安一號(hào)”和“延安二號(hào)”的總工程師 (圖13).前者從開始設(shè)計(jì)到首飛成功,整個(gè)過程歷時(shí)不到半年,后者是我國自主設(shè)計(jì)的第一型直升機(jī)(1970年由于西工大直升機(jī)專業(yè)調(diào)整至南京航空學(xué)院,延安二號(hào)轉(zhuǎn)至南航繼續(xù)研制,1975年9月4日在南京首飛成功).在“延安二號(hào)”的初期設(shè)計(jì)階段,黃玉珊先生不僅有力組織了研制工作,還親自檢查設(shè)計(jì)圖紙,發(fā)現(xiàn)并解決了機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重大缺陷.

圖13 黃玉珊先生擔(dān)任過總工程師的 (a) 延安一號(hào),(b) 延安二號(hào)

4.2 我國飛行器自激勵(lì)振動(dòng)研究的奠基人

飛機(jī)的機(jī)翼、尾翼,導(dǎo)彈的彈翼等很容易在高速飛行時(shí)發(fā)生顫振,對(duì)飛行安全構(gòu)成極大地威脅.早在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期,英國的DH-9 型與德國的D-8 型飛機(jī)就曾因?yàn)槲惨眍澱穸?之后隨著飛機(jī)的飛行速度越來越高,顫振問題成為飛機(jī)研制中的一個(gè)非常重要的課題.50年代初期,當(dāng)我國剛剛能夠制造低速小型螺旋槳飛機(jī)時(shí),黃玉珊先生就開始在各單位普及和推廣動(dòng)強(qiáng)度方面的知識(shí).1957年,沈陽112 廠受命研制我國第一款噴氣式飛機(jī)“殲教1”,時(shí)任該廠飛機(jī)設(shè)計(jì)室主任的我國著名飛機(jī)設(shè)計(jì)師徐舜壽就邀請(qǐng)黃玉珊先生擔(dān)任顧問,指導(dǎo)殲教1 的設(shè)計(jì)工作,并于當(dāng)年請(qǐng)他在沈陽主持專題研究顫振問題達(dá)一周之久.當(dāng)時(shí)參與研討的還有力學(xué)所胡海昌、北大周光炯和南航陳基建等國內(nèi)專家.研討內(nèi)容包括: (1)在飛機(jī)方案論證設(shè)計(jì)階段,如何估計(jì)顫振問題及顫振的常規(guī)計(jì)算方法和試驗(yàn)項(xiàng)目？ (2)今后112 廠設(shè)計(jì)室如何針對(duì)顫振問題開展工作,如何取得國內(nèi)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)的配合？這期間,除了進(jìn)行基本理論的講解外,黃玉珊先生還介紹了美、英、蘇等國飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)所采用的顫振計(jì)算方法,并指導(dǎo)了利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行翼面強(qiáng)度和氣動(dòng)彈性分析的算法.這一時(shí)期,他一方面多次親赴112 廠指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員通過計(jì)算和試驗(yàn)解決殲教1 飛機(jī)設(shè)計(jì)中遇到的顫振問題,另一方面積極安排西工大趙令誠與112 廠技術(shù)人員一道專攻顫振問題,并負(fù)責(zé)顫振模型試驗(yàn)工作.1958年2月,在航空工業(yè)部組織召開的質(zhì)量安全會(huì)上,他又著重講解了殲教-1 飛機(jī)顫振模型實(shí)驗(yàn).50年代末60年代初,西工大課題組與112 廠密切合作,順利完成了殲教-1 飛機(jī)顫振模型實(shí)驗(yàn).

1962年,黃玉珊先生不僅大力推動(dòng)將氣動(dòng)彈性力學(xué)研究納入國家力學(xué)學(xué)科發(fā)展規(guī)劃,同時(shí)他還積極組織西工大第一研究室重點(diǎn)研究飛機(jī)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)彈性問題,并舉辦了氣動(dòng)彈性力學(xué)講習(xí)班.1963年,我國一種新型飛行器試飛失敗,黃玉珊先生應(yīng)邀參加了故障診斷與分析,隨即產(chǎn)生了要加強(qiáng)氣動(dòng)彈性力學(xué)問題研究以及這方面專業(yè)人才培養(yǎng)工作的想法.在黃玉珊先生的指導(dǎo)下,趙令誠編著了我國有關(guān)氣動(dòng)彈性力學(xué)的第一本著作《氣動(dòng)彈性力學(xué)》,這本教材被作為當(dāng)時(shí)國防工業(yè)院校統(tǒng)編教材使用.同年,時(shí)任西工大飛機(jī)系系主任的黃玉珊先生還把西工大飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)64 屆本科班改為氣動(dòng)彈性專門化班.他親自修改課程設(shè)置,給學(xué)生聯(lián)系顫振分析的畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì),為國家培養(yǎng)了第一批氣動(dòng)彈性專業(yè)人才.隨后,在黃玉珊先生和趙令誠帶領(lǐng)下,西工大先后承擔(dān)完成了殲教1 飛機(jī)顫振模型試驗(yàn)、導(dǎo)彈彈翼超音速風(fēng)洞顫振試驗(yàn),殲6 改型機(jī)機(jī)翼、殲7 改型機(jī)機(jī)翼、大型運(yùn)輸機(jī)T 形尾翼顫振和飛機(jī)壁板非線性顫振分析與試驗(yàn)等重大課題研究,為我國航空航天飛行器顫振問題的解決做出了突出地貢獻(xiàn).1966年,黃玉珊先生還倡導(dǎo)并親自組織了振動(dòng)訓(xùn)練班,訓(xùn)練班學(xué)員中絕大多數(shù)人后來都成長為航空部各單位最早的技術(shù)骨干.

除了積極倡導(dǎo)和指導(dǎo)氣動(dòng)彈性力學(xué)研究外,黃玉珊還是我國飛機(jī)前輪擺振領(lǐng)域的開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者.在他的主持下,西工大率先成立了飛機(jī)前輪擺振課題組,并于1960年建成了我國第一臺(tái)可用于實(shí)際型號(hào)研制的擺振實(shí)驗(yàn)設(shè)備.它實(shí)際上也是我國1984年以前新機(jī)研制與舊機(jī)改型中前輪擺振實(shí)驗(yàn)的唯一設(shè)備.殲5、殲6、殲7、殲12、強(qiáng)5、運(yùn)12 和一種新農(nóng)用飛機(jī)等多個(gè)型號(hào)飛機(jī)的前輪擺振實(shí)驗(yàn)均是在這臺(tái)設(shè)備上完成的.此外,我國飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究與實(shí)驗(yàn)中心于1984年建成的大型擺振實(shí)驗(yàn)設(shè)備,也是在黃玉珊先生的直接指導(dǎo)下設(shè)計(jì)和建造的.1984年出版的由諸德培等編著、黃玉珊先生指導(dǎo)和審閱的專著《擺振理論與防擺措施》,至今仍是國內(nèi)外全面闡述擺振理論、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和使用方面問題的唯一書籍.

4.3 有限元方法在我國飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的倡導(dǎo)者

早在50年代初期,黃玉珊先生發(fā)現(xiàn): 英、美的結(jié)構(gòu)力學(xué)教材體系側(cè)重位移法求解,而我國普遍沿用的蘇聯(lián)教材則偏重于力法求解.這一時(shí)期,電子計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展,他敏銳地感覺到電子計(jì)算機(jī)將會(huì)在結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算中發(fā)揮非常重要的作用.因此,他要求廣大師生積極學(xué)習(xí)矩陣力學(xué)方面的知識(shí),提前做好足夠的知識(shí)儲(chǔ)備.

1956年,波音公司工程師M.J.Turner 等人在航空科技期刊上發(fā)表了一篇題為 “Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures” 的論文,采用有限元技術(shù)計(jì)算飛機(jī)機(jī)翼的強(qiáng)度.當(dāng)時(shí)把這種解法稱為直接剛度法,這被認(rèn)為是有限元法在工程學(xué)界應(yīng)用的開端.這篇文章剛剛問世一年多,也就是在1958年,黃玉珊先生就廣泛舉辦講座,向科研人員介紹這一新方法,并指導(dǎo)他的研究生開展這方面的研究,為推動(dòng)有限元方法在我國航空工程中的應(yīng)用做出了重要地貢獻(xiàn).

4.4 我國航天強(qiáng)度環(huán)境研究的卓越領(lǐng)導(dǎo)者

自50年代末擔(dān)任國防部第五研究院顧問開始,黃玉珊先生就一直注重將所學(xué)知識(shí)用于解決航天結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)際問題,他在薄壁圓筒穩(wěn)定性方面的一系列研究成果有力地指導(dǎo)了我國導(dǎo)彈、火箭事業(yè)的發(fā)展.60年代初期,他在實(shí)驗(yàn)觀察到: 薄壁圓筒在受軸壓發(fā)生失穩(wěn)時(shí),除了失穩(wěn)菱形波中三角板棱邊彎曲變形和板自身的剪切變形外,其縱向邊也會(huì)發(fā)生很大的壓縮變形.他仔細(xì)分析了帕格斯利 (A.Pugsley) 等人的理論分析與試驗(yàn)結(jié)果符合性較差的原因后,提出應(yīng)同時(shí)考慮剪切與壓縮變形,并采用塑性極限分析的能量原理導(dǎo)出了新的理論公式.新公式除了能更準(zhǔn)確地求出平均坍垮載荷外,還能夠給出坍垮載荷的上、下限 (黃玉珊 1964b).

在該方法中,基于實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果,黃玉珊先生認(rèn)為: 失穩(wěn)后薄壁圓管的平均坍垮載荷應(yīng)該包括棱的彎曲、斜棱的壓縮以及三角板的塑性壓縮三部分.基于能量守恒原理,這三部分可分別表示為 (假設(shè)沿管周向菱形波的個(gè)數(shù)為3 時(shí))

式中,P1、P2和P3分別為棱彎曲、斜棱壓縮和三角板的塑性壓縮載荷,t和R分別為圓管壁厚和半徑,P0是圓管受單純壓縮時(shí)的屈服載荷 (P0=2πRtσT,σT為材料屈服應(yīng)力).

由此,圓管的平均坍垮載荷為三部分的疊加,即

這與試驗(yàn)值

吻合得較好.此前,Pugsley 未考慮斜棱壓縮給出的理論值

與實(shí)驗(yàn)值相比誤差較大.

國家航天事業(yè)發(fā)展之初,在錢學(xué)森推薦下,1962年國防部第五研究院擬調(diào)黃玉珊先生到該院第五研究所 (后改名航天702 所) 工作,但由于在西工大教學(xué)、科研和學(xué)科建設(shè)方面的任務(wù)較重,黃玉珊先生決定西工大和第五研究院兩邊工作,并于同年開始兼任第五研究院一分院技術(shù)顧問.1964年5月,國務(wù)院總理周恩來任命黃玉珊先生兼任國防部第五研究院一分院第五研究所(以下簡稱第五研究所) 所長.此后幾年間,他常常不辭辛苦地往返北京、西安兩地,有時(shí)甚至每年在北京工作近半年之久.

在擔(dān)任第五研究所技術(shù)顧問期間,黃玉珊先生圍繞著解決火箭結(jié)構(gòu)各種力學(xué)實(shí)際問題,為技術(shù)人員提供專業(yè)理論技術(shù)支持和指導(dǎo).其中,在靜、熱力學(xué)強(qiáng)度方面涉及到加筋貯箱內(nèi)壓、軸壓彈塑性和波紋管穩(wěn)定性、蒙皮強(qiáng)度分析、帶膈板容器強(qiáng)度、翼面強(qiáng)度和剛度、機(jī)身翼面桁條力的擴(kuò)散、DF-2 艙段熱應(yīng)力對(duì)軸壓穩(wěn)定性影響、尾翼熱應(yīng)力計(jì)算及其對(duì)蒙皮剛度影響等方面的研究工作.在動(dòng)力學(xué)方面,黃玉珊先生指導(dǎo)過振動(dòng)理論、運(yùn)輸振動(dòng)測量與計(jì)算、顫振分析等方面的技術(shù)發(fā)展,并率先提出運(yùn)輸振動(dòng)研究中要關(guān)注隨機(jī)振動(dòng)問題.黃玉珊先生說當(dāng)時(shí)“國內(nèi)沒有人搞隨機(jī)振動(dòng),你們先搞,走走看,摸清問題,運(yùn)輸作為隨機(jī)考慮是一個(gè)方向,如需要也可以給疲勞提供數(shù)據(jù)”.直到如今,這個(gè)問題依然受到重視,由此可見黃玉珊先生的遠(yuǎn)見卓識(shí).另外,黃玉珊先生在導(dǎo)彈顫振分析方面開展了卓有成效的工作.在顫振技術(shù)發(fā)展方面,黃玉珊先生率先垂范,曾親自擔(dān)任某型號(hào)顫振分析任務(wù)的負(fù)責(zé)人,組織開展了全彈翼舵的模態(tài)試驗(yàn)、剛度試驗(yàn)、多輪剛度分析和顫振臨界速度計(jì)算,首次完成了航天領(lǐng)域?qū)楊澱穹治龊蛣偠确峙溲芯?他提出的剛度指標(biāo)分配的思想和方法,至今仍然有相當(dāng)重要的指導(dǎo)意義.

1964年,在正式兼任第五研究所所長后,除行政管理工作外,黃玉珊先生最關(guān)心的是研究所的專業(yè)發(fā)展和人才隊(duì)伍建設(shè).在他的大力支持下,制定了“強(qiáng)度與環(huán)境試驗(yàn)研究十八年規(guī)劃”.1965年5月,黃玉珊先生向當(dāng)時(shí)七機(jī)部副部長錢學(xué)森匯報(bào)并探討了第五研究所的發(fā)展規(guī)劃,錢學(xué)森先生高度肯定了規(guī)劃的前瞻性與跨學(xué)科特點(diǎn).該規(guī)劃充分預(yù)計(jì)了未來航天系統(tǒng)的驗(yàn)證需求,將靜強(qiáng)度拓展到靜、動(dòng)、熱強(qiáng)度三個(gè)方面;確立了開展力學(xué)環(huán)境、自然環(huán)境和空間環(huán)境等三個(gè)方向的試驗(yàn)研究.自此,第五研究所的專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展方向,正式地由單一強(qiáng)度研究試驗(yàn)發(fā)展為強(qiáng)度與環(huán)境的綜合性研究試驗(yàn).

黃玉珊先生在培養(yǎng)航天科技人才方面也傾注了大量的心血,在擔(dān)任第五研究所顧問和所長期間,他經(jīng)常開展各類力學(xué)相關(guān)問題的培訓(xùn)和答疑,第五研究所的很多專家都得到過黃玉珊先生的親自指點(diǎn).一方面,他對(duì)火箭貯箱強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析、翼面穩(wěn)定性及破壞強(qiáng)度計(jì)算、小展弦比翼面設(shè)計(jì)方法、加筋艙段結(jié)構(gòu)力的擴(kuò)散、低溫貯箱后過渡段溫度應(yīng)力對(duì)屈曲強(qiáng)度的影響、翼前緣熱屈曲的分析方法等進(jìn)行了具體的技術(shù)指導(dǎo),這些具體技術(shù)問題的解答直到現(xiàn)在來看都有指導(dǎo)意義.另一方面,黃玉珊先生在指導(dǎo)青年科技工作者時(shí),非常注重治學(xué)方法的言傳身教,他常常強(qiáng)調(diào)“工作中不要怕走彎路,有關(guān)的東西要摸摸.科學(xué)研究要探討,各種各樣的假設(shè)要討論,不要輕易否定.往往以前被否定的東西,后來看看又是對(duì)的” “經(jīng)典著作一定要讀的” “數(shù)學(xué)不一定要系統(tǒng)學(xué),用什么,補(bǔ)什么;過幾年也補(bǔ)得差不多了.具體的工作第一次要做的,但是不能陷在里面” “你們做計(jì)算一定要根據(jù)實(shí)踐,不能空談自己假設(shè).試驗(yàn)要參加的,發(fā)現(xiàn)問題先記下來”.他指導(dǎo)過的張駿華后來成長為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專家,著有《導(dǎo)彈強(qiáng)度設(shè)計(jì)手冊》《導(dǎo)彈與運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)指南》《導(dǎo)彈與運(yùn)載火箭復(fù)合材料設(shè)計(jì)指南》和《結(jié)構(gòu)可靠性分析與計(jì)算》等四部著作,吳家駒成長為隨機(jī)振動(dòng)方面的專家,在航天隨機(jī)振動(dòng)研究方面享有盛譽(yù).

1965年,按照國家要求,國防部五院一分院 (現(xiàn)航天科技集團(tuán)一院) 8700 余名行政、技術(shù)人員集體轉(zhuǎn)業(yè),干部按照國家規(guī)定套改地方干部行政級(jí)別,其中唯一一名被確定為技術(shù)一級(jí)的就是黃玉珊先生,可見當(dāng)時(shí)他在航天結(jié)構(gòu)強(qiáng)度領(lǐng)域具有很高的技術(shù)權(quán)威.

5 高瞻遠(yuǎn)矚的航空高等教育家

黃玉珊先生把一生精力傾注于黨和國家的教育和科技事業(yè).他自1931年考入中央大學(xué)之后,除了1937—1940年在中英庚款資助下赴英國和美國攻讀碩士和博士學(xué)位外,一生中再?zèng)]有離開過自己的祖國.新中國成立后,黃玉珊先生隨南京大學(xué)航空工程系并入華東航空學(xué)院,1956年隨華航舉家“西遷”至西安,后又在西工大飛機(jī)工程系工作,致力于我國航空科技和教育事業(yè),桃李滿天下,為母校的人才培養(yǎng)和學(xué)科發(fā)展而傾盡畢生精力.作為著名的力學(xué)和航空教育家,黃玉珊先生不僅具有深厚的學(xué)科基礎(chǔ)功底,還具有先進(jìn)的教育理念、對(duì)學(xué)科發(fā)展的高度洞察力和與時(shí)俱進(jìn)的戰(zhàn)略眼光.

1940年,尚不滿23 歲的黃玉珊先生博士畢業(yè)之際,經(jīng)時(shí)任中央大學(xué)航空工程系主任羅榮安教授的大力推薦,被聘為中央大學(xué)教授.羅榮安教授十分欣賞黃玉珊先生,認(rèn)為其“青出于藍(lán)”,于是把自己講授多年的課程“飛機(jī)結(jié)構(gòu)”交給他負(fù)責(zé).黃玉珊先生講課內(nèi)容新穎,講解生動(dòng),見解精辟,常常是以問題為導(dǎo)向切入,闡釋深入淺出,理論聯(lián)系實(shí)際,深受學(xué)生歡迎.他在回答學(xué)生問題時(shí),從不擺架子,不怕麻煩,親自精心地一一解答,仔細(xì)解算,反復(fù)推演,簡明扼要地把問題解答的一清二楚,總能給大家一種茅塞頓開的感覺,深受學(xué)生們的贊許.中央大學(xué)1941 屆學(xué)生、后來師從黃玉珊先生獲得碩士學(xué)位的馮元楨曾評(píng)價(jià)他授課“忽然間我們看見了基本守恒方程;忽然間我們學(xué)過的微分方程活了,從那里面流出了許多有用的結(jié)果.慢慢地,我們原來教本里的無數(shù)曲線有了根源,不再那么嚇人或者煩人了.”我國著名空氣動(dòng)力學(xué)與飛行力學(xué)專家劉千剛教授曾回憶說: “1947年我在中央大學(xué)航空系讀書的時(shí)候,那時(shí)黃老師教我們‘工程數(shù)學(xué)’課.當(dāng)時(shí)由于時(shí)局動(dòng)蕩,學(xué)校經(jīng)常罷課,我們都無心念書,但對(duì)黃老師的課大家卻非常重視.黃老師以其淵博的知識(shí)、精辟的講解把大家吸引住了.記得有一次講波動(dòng)方程,他用彈琴時(shí)琴弦的振動(dòng)和打鼓時(shí)鼓皮的振動(dòng)結(jié)合數(shù)學(xué)公式來進(jìn)行講解,概念十分清晰,使得很抽象難懂的問題一下子都變得很清楚了.現(xiàn)在雖然事隔40 多年,但當(dāng)時(shí)講課的情景仍然歷歷在目,好像不久前剛聽過他講課似的.”

黃玉珊先生雖然平時(shí)科研任務(wù)繁重,但仍然堅(jiān)持每年給本科生開一門專業(yè)課.他曾先后在中央大學(xué)、浙江大學(xué)、中央工業(yè)專門學(xué)校、重慶大學(xué)、華東航空學(xué)院、西安航空學(xué)院和西工大主講過“飛機(jī)結(jié)構(gòu)” “材料力學(xué)” “結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)” “飛機(jī)設(shè)計(jì)” “飛機(jī)強(qiáng)度” “飛機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)” “彈性穩(wěn)定學(xué)”“工程數(shù)學(xué)” “航空概論”和“氣球”等課程十余門,親自編寫、編譯了多部著作、教材,包括《結(jié)構(gòu)學(xué)》《飛機(jī)構(gòu)造和強(qiáng)度計(jì)算》《飛機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)》和《板殼力學(xué)》,獨(dú)譯《開口薄墻支桿的彎曲扭轉(zhuǎn)變形》,與楊彭基教授等合譯《非金屬材料施工法及其應(yīng)用》,與許玉贊、顧松年教授合譯《飛機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)》和《飛機(jī)各部分設(shè)計(jì)》等專著.黃玉珊先生的治學(xué)思想突出“廣與深”相結(jié)合.他認(rèn)為學(xué)問要在“廣”的基礎(chǔ)上求“深”,深而再廣,廣而再深.這一點(diǎn)在他編寫的教材中體現(xiàn)得很突出.例如,他編寫《飛機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)》時(shí)就打破常規(guī),首先講解結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原則和計(jì)算形式,然后再按靜力平衡關(guān)系、變形協(xié)調(diào)關(guān)系這兩條主線展開.當(dāng)時(shí)使用過這本教材的教師和學(xué)生都說“初讀這本書覺得盡是‘骨頭’,但是越讀越覺得這本書提綱挈領(lǐng),推演精練,概念準(zhǔn)確,見解獨(dú)到,的確是一本用華羅庚讀書‘厚薄法’才能讀出味道來的好書！”他還用英文撰寫《飛機(jī)結(jié)構(gòu)學(xué)》講義四大章近400 頁,所收集的材料豐富而精辟,可以和當(dāng)時(shí)世界上該領(lǐng)域最新的教材相媲美.這也說明了黃玉珊先生學(xué)問的博大精深,不僅自己對(duì)知識(shí)的理解非常透徹,還善于用凝練的語言將復(fù)雜難以明白的知識(shí)點(diǎn)清晰明確地表達(dá)出來.

除了生前完成的著作之外,黃玉珊先生還曾著手編寫了《飛機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)及強(qiáng)度計(jì)算》《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定學(xué)》《飛機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)》《空氣彈性力學(xué)》《高等飛機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)》《應(yīng)用彈塑性力學(xué)》以及《飛行器強(qiáng)度計(jì)算》等教材或著作.可惜的是,后來因?yàn)榉敝氐念I(lǐng)導(dǎo)工作,再加上身體疾病的影響,直到去世前這些教材或著作也未能完成.察看他留下了的手稿,很難想象一個(gè)腦血栓后遺癥導(dǎo)致右手寫字吃力的人是如何完成這些工作的.例如《疲勞與斷裂》,全書共十章,已完成一至五章并送科學(xué)出版社審查.書稿近200 頁,完成于1984年,都是他一字一字親手寫的,字體異常工整.

黃玉珊先生善于啟發(fā)和放手發(fā)動(dòng)年輕工程技術(shù)人員,要求他們不僅要有強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力,而且要安心和熱愛自己的工作.他善于解決問題,待人誠懇熱情,從高層領(lǐng)導(dǎo)到后輩學(xué)生,都愿意找他商討或請(qǐng)教問題,甚至經(jīng)常有人不遠(yuǎn)千里而來,即使他臥病期間也從無例外.許多知名人士在學(xué)習(xí)或工作過程中都曾得到黃玉珊先生的指導(dǎo).力學(xué)、航空航天等領(lǐng)域的專家學(xué)者,如馮元楨(美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院院士,中科院外籍院士，黃玉珊先生指導(dǎo)的第一位研究生)、沈申甫 (美國工程院院士,中央大學(xué)航空系1941 屆學(xué)生)、張阿舟 (我國著名飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專家航空工程專家、固體力學(xué)家、教育家,中央大學(xué)航空系1941 屆學(xué)生),虞光裕 (我國第一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)專家,中央大學(xué)航空系1941 屆學(xué)生)、諸德超 (計(jì)算力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)專家,航空教育家)、諸德培 (飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專家,黃玉珊先生指導(dǎo)的研究生)、朱思俞 (計(jì)算機(jī)專家,黃玉珊先生指導(dǎo)的研究生)、郭萬林 (中國科學(xué)院院士,力學(xué)專家,黃玉珊先生指導(dǎo)的研究生)、李玉龍(沖擊動(dòng)力學(xué)專家,黃玉珊先生指導(dǎo)的研究生) 等都是他當(dāng)年的學(xué)生.

黃玉珊先生非常注重青年教師的培養(yǎng).60年代初期,他就在西工大率先建立了重點(diǎn)培養(yǎng)教師制度,選派青年教師擔(dān)任各位老教授的科研助手.像朱思瑜、諸德培等都曾擔(dān)任過他的助手.改革開放以后,他又廣泛聯(lián)系,親自推薦青年人才出國進(jìn)修.原華東航空學(xué)院院長、西工大首任校長壽松濤曾評(píng)價(jià)黃玉珊先生“不僅在學(xué)術(shù)上數(shù)一數(shù)二,而且是‘學(xué)校的老母雞,要多下蛋,多孵小雞’”.除了積極為學(xué)校培養(yǎng)人才外,他還多次受三機(jī)部、國防科委等委托,組織全國范圍內(nèi)的學(xué)習(xí)班或培訓(xùn)班.在中國航空航天結(jié)構(gòu)強(qiáng)度領(lǐng)域,許多廠、所的中、青年業(yè)務(wù)骨干、院校的骨干教師也是在他指導(dǎo)下得到迅速提高的.2017年,剛剛度過了98 歲生日的馮元楨得知航空學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度分會(huì)要舉辦紀(jì)念黃玉珊百歲誕辰的學(xué)術(shù)活動(dòng)時(shí),微笑著說“他是我的老師” “我在重慶時(shí)是黃老師第一個(gè)研究生”.他仔細(xì)讀著一些有關(guān)黃玉珊先生的簡介和相片,在首頁“You are forever in our hearts!!”一行字下面,簽下了自己的名字 (圖14).之后他反復(fù)對(duì)家人念叨著說“我光簽個(gè)名字是不夠的,我應(yīng)該多做些什么事情來紀(jì)念老師” “因?yàn)槲液忘S老師的關(guān)系,超出老師和學(xué)生,更像是父親和兒子”.

圖14 98 歲的馮元楨拍照紀(jì)念黃玉珊先生誕辰100 周年 (2017年)

黃玉珊先生在教育過程中非常注重學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng).他認(rèn)為培養(yǎng)學(xué)生不僅要教他們牢固掌握專業(yè)理論知識(shí),還應(yīng)該加強(qiáng)他們工程實(shí)踐中的鍛煉.早在1942年中央大學(xué)時(shí),他就組織師生為中華滑翔總會(huì)成功設(shè)計(jì)了一架初級(jí)滑翔機(jī).1958年,他親任總工程師試制成功“延安一號(hào)”飛機(jī).1960年,他主持設(shè)計(jì)、制造了一種小型氣墊飛行器.他還一貫強(qiáng)調(diào)高等學(xué)校的人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)和科研工作直接地面向工程實(shí)際.他倡導(dǎo)要在大學(xué)生中開展課余科研訓(xùn)練活動(dòng),主張學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)課題要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,選題全部來自工業(yè)部門.他所指導(dǎo)的研究生論文選題幾乎百分之百地來自航空航天工程實(shí)際.例如: 研究生諸德培的畢業(yè)論文《前輪擺振問題》、劉元鏞的畢業(yè)論文《小展弦比機(jī)翼的剛度矩陣法》選題都是來源我國自主設(shè)計(jì)的第一型殲擊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中強(qiáng)度計(jì)算問題;研究生劉雪惠的畢業(yè)論文《聚交三角形盒式機(jī)翼的工程應(yīng)力分析方法》是以殲擊機(jī)三角形機(jī)翼的應(yīng)力分析為背景的;王家琳的研究生論文《關(guān)于圓形筒殼的Donnell 方程的研究》,則是針對(duì)導(dǎo)彈殼體分析提出的理論問題.他還推薦當(dāng)時(shí)還是三年級(jí)本科學(xué)生的林超強(qiáng) (空氣動(dòng)力學(xué)專家) 的論文在《航院學(xué)報(bào)》發(fā)表,極大地鼓舞了學(xué)生開展科研的積極性.他堅(jiān)持人才培養(yǎng)必須緊緊圍繞航空和國防工業(yè)對(duì)人才需求的特點(diǎn),倡導(dǎo)通才教育和專才教育相結(jié)合的人才培養(yǎng)模式,注重學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng),這些教育理念至今都不過時(shí).

6 結(jié)束語

黃玉珊先生是我國航空航天結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的先驅(qū),一位杰出的力學(xué)家和教育家.他不滿14歲考入大學(xué),18 歲成為我國最早一批航空學(xué)子.抗戰(zhàn)烽火正酣時(shí),在美國學(xué)成卻毅然回國,受聘中央大學(xué)航空系教授,時(shí)年不足23 歲,被稱為“娃娃教授”.50年代中期,毫不猶豫地舉家遠(yuǎn)離富饒的故土南京,來到當(dāng)時(shí)條件艱苦的西安創(chuàng)業(yè).從此扎根西北,無怨無悔地把自己的學(xué)識(shí)貢獻(xiàn)給祖國的航空事業(yè),投盡畢生精力,直至生命的最后一刻.他從進(jìn)入中央大學(xué)讀書,至70 歲離世于西工大,期間除在帝國理工和斯坦福大學(xué)學(xué)習(xí)外,從沒有離開過他工作的單位;自進(jìn)入中國第一屆航空機(jī)械特別研究班開始,直至離世,從沒有離開過他熱愛的航空力學(xué)領(lǐng)域.他始終站在科學(xué)陣地的前沿,為我國開拓了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域;他一生著書立說,為后人留下寶貴財(cái)富;他把滿腔心血獻(xiàn)給了人民教育事業(yè),桃李滿天下.他的行動(dòng)就是“熱愛祖國、顧全大局、艱苦創(chuàng)業(yè)、獻(xiàn)身航空”華航西遷精神的最佳寫照.他以高尚的道德修養(yǎng)、遠(yuǎn)見卓識(shí)、無私的奉獻(xiàn)精神和卓越的成就,讓我們心里永遠(yuǎn)銘記！

致 謝作者受《力學(xué)進(jìn)展》主編戴蘭宏研究員邀請(qǐng),撰寫此文,紀(jì)念黃玉珊先生誕辰105 周年.論文的寫作過程中,西工大劉元鏞教授、黃其青教授、李亞智教授、殷之平副教授和航天科技集團(tuán)702 所榮克林研究員、賈亮研究員等提供了史料并對(duì)初稿提出了寶貴的意見,作者在此一并致謝.