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勇做科技自立自强的“先进结构”


——北理工先进结构技术研究院建设侧记

【编者按】2021年是中国共产党成立100周年,是实施“十四五”规划、开启全面建设社会主义现代化国家新征程的第一年。在全党开展党史学习教育之际,党委宣传部特别推出“永远跟党走、奋进新征程”专题报道,全面展现学校加强党的领导党的建设取得的成绩,生动讲好北理工人的奋斗故事,广泛凝聚学校事业发展的磅礴力量,以优异成绩迎接中国共产党百年华诞。

高水平研究型大学要把发展科技第一生产力、培养人才第一资源、增强创新第一动力更好结合起来,发挥基础研究深厚、学科交叉融合的优势,成为基础研究的主力军和重大科技突破的生力军。

——摘选自习近平总书记在两院院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话

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先进结构研究院实验楼

“学校成立先进结构技术研究院(以下简称‘研究院’)的目的很简单,国家需要什么,我们就去竭力解决什么。”提及建设初衷,北京理工大学校长助理、研究院院长、党委书记杨亚政说道。简单朴素的话语背后,是北理工人矢志强国、为国铸剑的使命担当。

2015年,学校力邀材料与结构力学领域专家、中国科学院院士方岱宁到校工作,领衔建设先进结构技术研究院。研究院面向国家重大需求和世界科技前沿超前布局,发挥基础研究深厚、学科交叉融合的优势,建立先进结构技术的新设计理论、新概念、新工艺、新实验手段与表征方法,解决重大需求领域的关键问题。

经过六年的发展建设,研究院现有教师70余人、300多名学生,汇聚了一支跨学科、多领域的高质量人才队伍,形成了两校区占地6000平米的布局规模,建设北京市重点实验室和10个行业联合实验室,拥有投入近1.4亿元的国际高水平科研仪器设备,为学校人才培养、科学研究、学科建设等工作提供了强劲动力。

“减重量”+“承更重”,面向科技前沿不断突破

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先进结构技术研究院外部标识牌

在北京理工大学良乡校区先进结构研究院实验楼内,一个个看似简单普通的结构件摆放在一楼的展厅中。其实,在每一个普通外表的背后,都有着不平凡的贡献。“别看这物件看着普通,却在国家重大需求中立下过大‘功劳’!摆在最中间的这个筒体是一些大型设备的主承力结构。相较于之前的结构,其自身重量减少了40%,却可以承受50余吨的轴压。”研究院副院长李营介绍道。

一般来说,要提升零部件的性能和指标,大多会选择使用新型材料来改进整体结构性能。但是研究院的老师们却“反其道而行之”,他们以先进结构设计为突破口,通过结构设计的创新和改善,来改进结构性能。“现代科技高端设备结构正向着轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化、仿生化等方向发展。先进结构设计与制造技术的研究应用是推动重大需求领域设备跨代提升的关键技术保障。”研究院名誉院长方岱宁院士谈道。

面向国家建设世界科技强国的战略目标,研究院着力加强基础前沿探索和关键技术突破,立足先进结构研究,全力攻坚现代高端装备的前沿基础科学问题与重大工程技术问题。2016年,研究院获批建设“轻量化多功能复合材料与结构北京市重点实验室”。

除了为飞机、火箭等研发轻量化部件,满足“上天”需求外,研究院还面向地面设备开展结构功能复合化问题研究。2016年至2019年,研究院雷红帅教授带领团队和中车集团联合开展了磁悬浮列车复合材料悬浮架结构研制工作。由于磁悬浮列车中磁悬架结构造型十分复杂,其结构的研制在国际上始终是一个难题。

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复合材料悬浮架结构研制工作得到新华社报道

“前期的试验中,我们失败了很多次,生产出来的结构件总是不符合预期尺寸。”雷红帅教授说。即使经历很多次失败,团队从未放弃,他们通过结构优化设计、工艺力学仿真、模具设计和低成本制造等技术途径,突破了大尺寸主承力复合材料异型部件的一体化设计与制造关键技术问题,在成本降低的基础上大幅提高了抗振动性能,且通过了静强度与刚度、模态阻燃、烟毒、老化和油漆附着力等工程应用检测,在国际上首次研制成功全复合材料磁悬浮列车磁悬架结构。该成果将应用于我国新一代高速磁悬浮列车。

诸如此类的突破数不胜数,六年来,研究院坚持问题导向,不断加强原创性、引领性科技攻关,研制了具有自主知识产权的多场多氛围环境微纳米压痕仪、鼓泡仪;发明了国际首台全自动三维编织机,解决了大尺寸异型结构轻量化设计与制造难题;提出了异型大尺寸主承力结构的拓扑优化设计方法……从一次又一次的技术攻关中,研究院促进了科学技术研究的源头创新,也为科技研发和工业高端装备攻关和质量保障提供了技术支撑。

在面向科技前沿开展创新研究的同时,研究院充分发挥科研育人优势,注重科教融合,鼓励学生突破自我、提升创新意识,培养了具有突出创新能力、能够解决前沿问题的学生。2022年即将毕业的同学中,已有17位同学与研究机构、企业等单位签署了就业协议,研究院为航天院所、研究机构、企业等单位输送了一批批优秀的科技人才。

交叉+融合,面向学科前沿勇攀高峰

新一轮科技革命和产业变革突飞猛进,科学研究范式正在发生深刻变革,学科交叉融合不断发展,科学技术和经济社会发展加速渗透融合。研究院瞄准“卡脖子”关键核心技术难题,不断打通学科间壁垒,真正做到学科交叉的“完美”融合。

“我们要研制出一个三维数字可视化测试表征平台,既可以呈现超高温加载下材料内部缺陷损伤的过程、内部变形场测量,还能将损伤过程参数提取、损伤强度定量分析。”研究院副院长徐宝升介绍道。乍一听“超高温测试技术”或许抽象难懂,实际上,这一技术就是用来探测分析材料在极端高温状态下被破坏的原因。超高温材料一旦受热变形,导致内部制造缺陷处产生热应力集中,则会引发断裂破坏。如果不能准确分析超高温材料破坏的模式与失效的机理,则无法攻克在重点领域的材料使用难题。同时,超高温测试技术对中国严格封锁、仪器也被禁止卖给我国,牢牢地“卡住了我们的脖子”。

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学院青年教师正在做实验

“学院的老师们来自多个专业领域,来到研究院,就是要‘强强联合’,共同突破技术难关。”研究院党委常务副书记蔡婷婷介绍道。近年来,研究院瞄准国家重大需求,打通学科壁垒,将力学、材料学、化学、物理等学科高度交叉融合,打破技术封锁、解决“卡脖子”难题,努力成为基础研究的主力军和重大科技突破的生力军。2020年11月,由方岱宁院士领衔的“基于可移动X射线成像的材料超高温内部变形场与缺陷损伤在位测试仪器”项目,获批国家自然科学基金委员会国家重大科研仪器研制项目。

在研究院老师们的眼里,学科交叉融合都十分有趣,有时可以是用改变结构和材料来玩起“隐身游戏”,给潜艇披上一身“隐身衣”;有时可以是利用“3D”“4D”打印的力学设计方法仿真“集成天线辐射结构”,减小天线的体积却可以收到更强信号;甚至有时候也可以用碳纤维材料来“织毛衣”。“我们像织毛衣一样,把一个个零散的异形结构编织成一个整体,提升结构的整体性能。由于形状复杂,在编织的过程中,不能有一丝一毫的差池。”研究院副院长徐宝升说道。

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研究院用“3D”“4D”打印方法研制的热连接结构件

研究院突破学科边界,打破壁垒,开展航天器尾喷管的结构创新设计,有效解决了喷管零部件容易脱落不稳固的问题,打造了一个“完美”的整体结构。“在‘编织’尾喷管的过程中,多学科交叉融合,让我们拥有了更加广阔的视野,也有了更加深厚的知识积累。”在交叉引领机制下,研究院师生将实事求是、追求卓越的科学精神融入到每一个奋斗的日夜,在国家航空航天领域热防护材料与结构研究中取得了丰硕成果,为长征五号火箭等研制提供了科技支撑。

此外,研究院还自主研发了多丝材金属增材制造装备、多场原位微焦点CT与工业DR/CT系统、高温在位加载CT成像仪器……已经形成了“设计-制备-评价”的闭环过程,在较短的时间内具备了成熟的科研仪器设备条件与科研场地条件。

引才+聚才,引培并举,队伍不断壮大

“功以才成,业由才广”。一流学科的建设,除了要有一流的平台支撑,更离不开一流人才的耕耘和建设。研究院始终坚持“以业聚才、以人聚人,引培并举”,紧紧抓住前沿科技方向,通过引进国内外高水平人才,精准培养高层次人才,提升创新发展“加速度”。

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方岱宁院士为学生授课

方岱宁院士到校工作后,着力建设先进结构技术研究院新兴交叉融合大平台,汇聚了以学术领军人才为核心、青年骨干教师及博士后为中坚力量的跨学科、多领域的高质量人才队伍,形成一支具有特色、“品牌”效应的力学、材料科学与工程、机械工程等多学科交叉融合的创新团队。研究院不断创新人才引育机制,坚持以才引才。随着青年科技工作者的不断加入,形成了人才引进的头雁效应和倍增效应,逐步建立起了“团队、成果、人才”的协同发展和良性互动,青年科技工作者已成为研究院科技创新的主力军。

2018年以来,研究院连续四年获批国家重大项目,国家自然科学基金的年均总经费都超过了1亿元,专任教师人均科研经费年均超300万,研究领域方向涉及到海陆空天等各方面。“经过方院士的指导及在团队的历练,众多青年教师纷纷成长为所在科研方向的‘顶梁柱’。他们积极向上、团结协作、合力攻坚,为研究院营造了良好的氛围。”曾参与到国家重大科研仪器研制项目的青年教师曲兆亮介绍。

此外,方岱宁院士每周都会给年轻教师、学生开组会,也是年轻教师难得的学习机会。“我们往往被‘大家’的精神层次和站位高度所熏陶,正因为‘大平台、大团队’效应,很多海内外优秀学子,甚至具有国际学术影响力,领域技术影响力的人才也因此慕名而来。”团队青年教师廉艳平讲道。“支持青年人才‘挑大梁、当主角’是我到学院后最大的感受。作为青年教师,能够有机会参与到国家重大科研项目中,有压力,更有动力。”青年教师彭志龙分享道。

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先进结构技术研究院实验楼内景

“栽下梧桐树,引来金凤凰。”研究院努力构筑集聚全球优秀人才的科研创新高地,以吸引更多高端人才、专业人才,形成“以业聚才,以人聚人”的良性循环,打造了一支院士领衔、国家级青年人才担当重任的人才队伍。为进一步激发人才活力,打造高水平创新团队,充分发挥团队优势,优化“引立留长”新生态,营造良好氛围,研究院成立了教授委员会,从引进、考评到培育,全方位助力人才成长、促进人才发展。目前,研究院国家级青年人才连续6年新增不断线,高层次高端人才占比达到30%以上,人才引育成效凸显。

2021年8月,研究院党委正式成立,标志着研究院发展迈向了新的阶段。未来,研究院将坚持以高质量党建引领研究院事业高质量发展,始终坚持“四个面向”,瞄准“卡脖子”关键核心技术难题,攻坚克难、集智攻关,以更多战略性、关键性重大科技成果,为全面建设中国特色世界一流大学作出更大贡献。


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