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【中国科学报】黄克智:克勤力学 智争朝夕

 

时间:2015-11-16
来源:中国科学报  【责任编辑:】
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  黄克智

  

  黄克智在莫斯科大学进修。

  

  黄克智(右)和方岱宁在学术讨论。

  

  清华固体力学专业“三巨头”(左为黄克智,中为张维,右为杜庆华)

  黄克智(1927年7月21日~)固体力学家,中国科学院院士。江西南昌人,祖籍福建福州。1947年江西中正大学土木工程系毕业,1952年清华大学研究生毕业。清华大学教授、工程力学研究所所长。在断裂力学方面,对工程中重要的幂硬化材料提出新的裂纹尖端奇异场理论,基本解决了国际上的难题,并提供了新的结构缺陷评定方法;在壳体理论方面,提出薄壳统一分类理论,发展了分解合成法与边界层二次近似理论,显著提高了壳体边界层的精度;在应用力学理论解决生产实际问题方面,首创的换热器管板设计方法被颁布为国家标准,比国际同类规范有重大技术性突破,领先于法、美等工业国家的同类设计方法,已在国内工业部门广泛应用。1991年当选为中国科学院院士(学部委员),2003年当选为俄罗斯科学院外籍院士。1988年获国家科学技术进步奖一等奖。1993年获全国普通高校优秀教学成果国家级特等奖,同年获全国教育系统劳动模范并获人民教师奖章。2001年获何梁何利科学技术进步奖。2004年获清华大学首届突出贡献奖。

  他在颠沛流离中求学,凭借着勤奋和努力,严谨治学,终成中国固体力学大家;如今,进入耄耋之年的他仍在带学生、搞科研,每天工作9个小时以上,以敏锐的洞察力继续开拓新的研究领域。

  技术救国,结缘力学

  黄克智1927年生于江西九江,祖籍福建省福州市,世代居住在城市,家中无田产,诗礼传家。曾祖父黄乃麟原是福建省福州市一位有名的“儒医”,家族以“黄书香堂”为名。祖父黄燮曾是清光绪年间的秀才,后又学习新学,经曾任两江总督的沈葆祯先生推荐去南昌高等师范学堂执教英语与数理化,全家遂自闽迁赣。父亲黄以诚为人十分忠厚老实,在南昌邮局辛苦工作了四十多年,靠微薄的薪金抚育9个子女。母亲龚慎修,知书识礼,操持家务,对儿辈念书非常重视,儿辈小学阶段每天下午放学回家后,她都亲自在旁督促指导习字等,为儿辈成才打下了良好的基础。虽然黄克智的父母都不是教育家,但都竭尽全力给予孩子们一个良好的教育环境。

  黄克智从5岁开始进校读书, 成绩始终位居全班第一。学校规定考试前三名可以免收学杂费,父母就把这些学费奖励给他,他用这些钱买一些书或者自己喜欢的东西。黄克智特别喜欢数学,所以这些钱他主要用来买《500难题详解》等书,其中就有鸡兔同笼的问题。这实际上是求解二元或者三元方程,可那时候由于黄克智没学过代数,这些题目解起来很费脑子,但他却乐在其中。

  黄克智对于数学的热爱,不仅仅局限在他的幼年时期,他把这个兴趣延伸到了初中、高中,乃至工作后。扎实的数学推导能力,也为他今后从事力学研究打下了坚实的理论基础。

  黄克智在南昌滕王阁小学毕业后,日本帝国主义侵略的战火已燃至江西。由于南昌是国民政府的空军基地,故经常遭受轰炸。为躲避敌机,黄克智随全家颠沛流离,先在江西省吉安阳明中学,后又在赣县幼幼中学读完初一,不久又转至赣县中学王母渡分校念初二。

  生活动荡、家境贫寒给少年黄克智的学习带来许多困难:他就读的第一个中学在1938年初在江西吉安被日机炸平。他常常为缴不起学费而犯难,寒暑假也只能靠步行一百多里路回家。

  动荡的岁月,拮据的生活,并没有打消黄克智追求科学知识的热情,反而激发起他为祖国发愤读书的志向。他跳过初中三年级,直接考取当时暂迁于江西省遂川的赣省中学(高中)。赣省中学是一所在数理方面对学生要求非常严格的学校,老师们都非常优秀,具有扎实的数学物理功底和丰富的教学经验。对黄克智影响最大的是数学物理老师张森云,他的启发性教学、对学生的严格要求,影响了黄克智的一生,后来黄克智学理工科偏重于数学物理这方面,与他有着密不可分的联系。

  1943年,16岁的黄克智以全国联考江西省第二名的优异成绩考入中正大学,他抱着技术救国的愿望选学土木工程系。在土木工程界权威蔡方荫先生的培养教育下,他受到了较好的工程力学基础教育。蔡方荫深厚的知识、宽厚的胸怀,也影响了他的一生。

  1947年7月,黄克智以全班第一的成绩毕业于中正大学。蔡方荫爱惜人才,极力举荐优秀的学生到著名的学府,他把黄克智推荐给天津北洋大学的李书田院长。黄克智在北洋大学土木工程系任助教一年,从此踏上了高等教育与科学研究的征途。

  1948年,黄克智考取了清华大学研究生,师从著名力学家张维,并兼任助教一年。1952年工程力学研究生毕业后,被分配在清华大学基础课力学教研组任讲师。

  新中国的成立为他创造了实现宏愿的条件。1955年作为第一批进修教师他被送往莫斯科大学数学力学系进修,师从国际著名力学家、前苏联科学院院士拉包特诺夫。留苏3年中,黄克智夜以继日地刻苦攻读,终于取得优异成绩。

  就在院方和导师批准他破格进行博士学位论文答辩前夕,国内开始“大跃进”,学校电召他立即回国,参加组建清华大学工程力学数学系的工作。他的导师感到十分惋惜,希望他获得学位后再回国,但他认为祖国的召唤和需要高于一切,毅然放弃了答辩的机会。回国后他全力以赴地投入到工程力学数学系的创建与教学工作。从此,他一直在清华大学工程力学系工作,至今已长达66年。

  传承师道,硕果累累

  毫无疑问,导师张维在黄克智的科研道路起程时起了最重要的作用。在遇到张维之前,黄克智对自己将来的主攻方向还不明确,用他自己的话说:“是他帮我领进了力学的大门,是他培养我对力学浓厚的兴趣,也是他的言教身传让我学会了如何做一位严谨的科学工作者,如何当好一位称职的大学老师。”

  黄克智在北洋大学任助教的那一年,正值张维、陆士嘉夫妇离开北洋大学去北京的清华大学任教(他们从德国回来后曾在北洋大学任教一年)。虽然,他们人已离开天津,但留给年轻教师和学生们的印象却非常深刻。黄克智常在同事和同学们的言谈中,听到关于二位老师的博学和为人的赞美之辞。当时20岁的黄克智对自己的未来并没有明确的想法,但确定了一个坚定的信念:一定要找到楷模张维老师。一年以后(1948年夏),机会终于来了,黄克智在报纸上看到清华大学土木系招收研究生的广告,他非常兴奋,不顾一切地辞去北洋大学的工作,直奔北京,报考清华大学的研究生。当时的主科目《结构力学》是张维老师亲自出题,共6道题,每题17分,黄克智得了满分102分。就在这张考卷上,张维认识并看中了黄克智,马上决定录取他。双方在相互还没有见过面的情况下,都给对方留下了深刻的印象,师生缘分可谓奇妙。

  录取为研究生以后,黄克智首先选择听张维的壳体理论和陆士嘉的微分方程理论两门课。张维讲授的壳体理论把黄克智引入了一个充满吸引力的境地。不但讲述理论本身,更能讲述理论的不断发展和更新。在讲述轴对称壳体理论时,从瑞斯纳(Reissner)理论,到迈斯纳(Meissner)理论,再到张维自己的导师特克尔(Tolke) 的理论,娓娓道来,引人入胜。当时,黄克智就下定决心,要沿着导师的足迹,深入到壳体的领域里,继续深入研究和发展。

  此后,他在基尔霍夫(G. Kirchhoff)的假设下由柱壳方程推导出了薄壁杆体理论的方程,并且由柱壳方程推导出了中长壳理论的方程,得出各种壳体简化理论不是互相孤立的,它们是壳体理论在不同条件下的简化。而在此之前,戈登威泽(Goldenweizer)的边界效应二次理论是不完全的。在此几次基础上,他还发展了把复杂壳体问题分解为简单问题的分解合成方法。

  1955年10月到1958年9月,黄克智被派到前苏联莫斯科大学数学力学系塑性力学教研组进修,师从拉波特诺夫院士。

  拉波特诺夫早年从事薄壳理论研究,是前苏联学派壳体边界层理论的早年先行者之一,后来成为塑性与蠕变力学的大师。在前苏联进修期间,黄克智对前苏联学派严谨的风格深为叹服,他也深受影响。

  当时,塑性本构理论中材料的强化理论是学术界关注的热点。普拉格(Prager,1956)提出特莱斯卡(Tresca)流动理论平面应力的机动硬化模型,但是布狄安斯基(Budiansky,1957)指出对于特莱斯卡(Tresca)流动理论,机动硬化模型与材料各向同性相矛盾。在单轴拉伸作用下垂直于单轴的另外两个轴方向的塑性应变率却不相等,这成为当时学术界关注的佯谬问题。黄克智指出,造成这种不合理是因为平面应力属于二维应力状态,第三维的应力为零,但第三维的背应力却不为零,因此,机动硬化模型不能局限在二维应力空间中,必须在三维应力空间中讨论问题,才能得到正确结果。

  此外,黄克智还在壳体的蠕变、壳体的承载能力和塑性变形理论、弹性薄壳理论等方面取得了相应的研究成果。

  “文革”期间,黄克智和年轻教师一起组成了断裂力学的研究团队。他自己本人是从零开始,每天刻苦学习,做了十几本学习笔记,带领其团队攻克一个又一个难关,并取得了较大成就。1979年,中国高校交流断裂力学时,清华大学工程力学系的断裂力学团队已经处于国内领先水平。

  "文革"中有一段时期,黄克智曾被下放到江西鲤鱼洲,时间和精力都被耽误了许多。当回到清华后,黄克智发现许多文献已经看不懂了,必须奋起直追。从1961年黄克智被评为副教授,到1978年被评为教授,其间整整隔了17年。回忆起那段岁月,他不无感慨:“‘文革’期间,学校正常的学习和工作都受到了很大冲击。我评上教授的时候,刚好年满50岁。当时很多人都认为我老了,已经过了天命之年,但我自己认为,我和改革开放一样,刚刚开始了新生命!我事业上的春天那时候才真正开始!实际上,我所有的研究成果和成就,95%都是在此之后完成的。”

  事实也的确如此,黄克智至今仍在科研第一线满负荷地工作。他培养的学生中已有3名成为中科院院士,84名研究生(其中有三名获全国百篇优秀博士论文奖)在国际和国内期刊上发表学术论文400篇,其中95%都是在改革开放之后发表的;他在科研方面获得的40多个国际和国家奖项,也是在这之后获得的。“这说明改革开放是正确的选择,是我们知识分子的黄金时代!”黄克智说。

  1991年黄克智当选为中科院技术科学部学部委员(院士),2003年当选为俄罗斯国家科学院外籍院士,2009年获中国力学学会第六届周培源力学奖。

  瞄准前沿,与时俱进

  黄克智在60余年的力学生涯中,数次转变研究方向。他认为作为一个合格的科学研究者,必须具备两个条件:首先研究的目的是为国家发展的需要,所以个人的研究方向必须与国家的需要相结合;其次研究的水平必须紧跟国际的先进水平,不能固守一个项目几十年不变。

  也因此,他从年轻时起每十年转变一个方向——上世纪50年代研究壳体理论;60年代研究塑性和蠕变;70年代研究断裂力学与压力容器;80年代研究相变力学;90年代研究应变梯度塑形理论。

  进入新世纪后,他自己也进入80岁高龄,更感时间的紧迫,就主动改为每5年换一个研究方向。他曾经说过:“科学研究不是固定的,自己每5到10年一般都会改变一个研究领域,这是很有必要的,研究也需要与时俱进。”80岁的他开始研究微纳米尺度力学以及国际最热门的柔性电子元件力学。应该说,他对每一个新方向的开始,并不是对老方向的结束。在每一个研究项目中,他都能得到很好的收获,并带出一批高质量的研究生,和发表一批高水平的文章。

  2012年,年过85岁高龄的黄克智在院士大会上听了刘延东关于我国科技形势报告谈到国外的水力压裂采油的发展情况后,很是兴奋,认为机会来了。国家向他提出了要求。尽管他已如此高龄,尽管他从未搞过地质、岩石,但他却敢于挑战这项任务,马上组织队伍,花几个月的时间采集有关资料,带领学生去拜访石油方面的专家。每天早晨4点起来,攻读、研究大量的陌生文献。他说:“我必须自己先走一步,才能让年轻的同志学起来更容易些,信心也会更足些。”在自己学习几个月后,他就向年轻人传授他学习得到的新知识,每周开课2个小时。

  就这样,他以自强不息、奋斗不止的精神,脚踏实地地带出一批又一批学生,攻克一个又一个难关,最终取得了杰出成就。

  严谨治学,甘做春蚕

  纵观黄克智的成长历程,严谨认真的品格贯穿了他的一生。虽然他没有受益于显赫的家世背景,但凭借着孜孜不倦的努力,小知识分子家庭中成长的他,终成一代固体力学大家。

  幼年时期的动荡与三年的留苏经历,使他养成了勤奋刻苦、严谨认真的习惯,他坚信只有靠自己的努力才能取得成功。这也使得他多年来惜时如金,只争朝夕。上世纪70年代研究管板换热器时,在去往郊区工厂的火车上,他总是坐在自带的小马扎上认真攻读文献……

  由于下放农场超负荷的劳动,黄克智的腰部受伤,几十年来他每天都是半躺着看书,双手高举文献写作;即便现在他已经87岁高龄,仍坚持每天四点起床看文献。当人们还在梦中熟睡时,他一天中最艰难的工作已经完成了一半……

  黄克智本人认为与科研成就相比,自己更大的成就是作为人民教师,因此他更愿意被人们亲切地称呼为“黄老师”。他曾说过自己最主要的成果是以一生的努力,和其他老师一起,带出一支老中青相结合的高水平、团结向上的学术骨干队伍,在清华大学形成了一支实力比较雄厚的固体力学博士生指导力量。

  黄克智培养这支队伍的想法最早是从“文革”后开始的,当时深感国内科学技术发展已经远远落后于西方发达国家,迫切需要建立一支紧跟甚至超越世界科学前沿的强大集体。他下决心要付出更多的努力把失去的十几年宝贵时间补回来,当时他已年过五十,和中青年教师一起重新开始艰苦的学习和追赶过程。从1978年开始,他在清华大学工程力学系建立了一个学习讨论班,每周一次,至今已坚持35年。讨论班也由最初的以小组交流学习心得为目的发展成现在的国际、国内的学术交流论坛,参加人数也由最初的十几个人发展成现在的七八十人。其间,无数的学生被他“挑刺”,批阅学生的论文时,几乎每一个步骤他都要亲自推导。

  在黄克智看来,培养年轻人是使国家强大、兴旺、延续、发展的根本国策,他一生为此而奋斗,并感到无比骄傲与满足。他说如果有来世,还要申请当一名人民教师。

  “总结自己的一生,我有一个深深的体会,”黄克智说,“作为一个共产党员,一位人民教师,除了要有远大的理想和责任感,还必须有博大的胸怀。要做时代的伯乐,愿为年轻人铺路搭桥,要鼓励年轻人超越自己。这本来就是自然规律,承上启下,代代相传,国家才能兴旺发达。”

  黄克智的科研品质是独特的,同时也具有与新中国共同成长的一代科学家的共性。作为传承者,黄克智承上启下,在培养人才、将科技理论应用于工程设计、赶超外国先进技术方面发挥了中流砥柱的作用。(张珩旭,中国科协创新战略研究院 研究实习员;白欣,首都师范大学物理系副教授)

  导师拉包特诺夫写给黄克智的材料证明

  上世纪50年代,为了响应祖国的号召,黄克智毅然决定放弃自己向往多年的苏联博士学位,起程回国参加组建清华大学工程力学系。临行之前,黄克智向导师拉包特诺夫(Ю.Н.Работнов)辞行,说他不能参加博士论文答辩了,祖国需要他立即归国。拉包特诺夫感到很遗憾,给黄克智写了个材料,证明黄克智在苏联进修期间取得了突出的科研成果,其研究已达到苏联的博士学位的水平。这份材料一直被他珍藏着,下面是拉包特诺夫手写黄克智科研成果达到苏联博士学位证明的中译文:

  苏联高教部

  列宁勋章与劳动红旗勋章

  罗莫诺索夫莫斯科国立大学

  数学力学系

  1958年9月29日

  关于中华人民共和国前来

  莫斯科大学塑性力学教研组黄克智同志

  工作的评价

  黄克智同志自1955年9月在莫斯科大学数学力学系塑性力学教研组工作。他工作的题目是在弹性范围与塑性范围薄壁杆件与薄壳理论的研究。他所取得的主要结果如下:

  1. 薄壁杆件理论

  黄克智同志根据壳件理论分析了薄壁杆件理论的近似方程,对理论的适用范围给出了精确化的重要结果,对此种杆件的稳定理论得到了一系列的新结果,同时使薄壁杆件弹塑性形变理论达到了完善得多的程度。这些结果发表在两篇论文中。

  2. 弹性薄壳理论

  黄克智同志提出了柱形壳方程的渐近积分方法,此方法比现有的方法具有大得多的广泛性。这些结果的一部分已在应用数学与力学刊物上发表。

  3. 壳体的承载能力与塑性变形理论

  在这个方向,黄克智同志在很大程度上发展了双层模型,得到了该模型的正确塑性条件与流动规律,并求解了一系列的新问题。

  4. 壳体的蠕变

  黄克智同志系统地研究了非线性流动律,第一次给出了在各种载荷与各种边界条件下柱形壳非常蠕变问题的解。

  以上这些结果经黄克智同志整理成学位论文的形式。塑性力学教研组认为:按这些结果的数量与科学价值,此学位论文已大大地超出通常对副博士学位论文的要求,而应该作为博士学位论文答辩。

  黄克智同志按其科学水平完全符合授予物理数学博士学位,教研组要求为黄克智同志提供在莫斯科大学答辩学位论文的可能性。

  莫斯科大学

  塑性力学教研组

  主任,院士

  尤·尼·拉包特诺夫(签字)

  注:1958年10月因国内形势与工作需要,清华大学通知黄克智同志停止答辩,回国参加建立工程力学系的工作。

  (原载于《中国科学报》 2015-11-06 第3版 生活周刊)

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