【北航师说】陈玉丽与她的固体力学

点击数:    |    加入时间:2024-04-29

4月28日,第十九届中国青年女科学家奖颁奖典礼在京举行,北京航空航天大学航空科学与工程学院教授陈玉丽获得中国青年女科学家奖个人奖,全国仅20人。

“中国青年女科学家奖”是欧莱雅和联合国教科文组织“为投身于科学的女性”计划在中国的发展和延伸,由中华全国妇女联合会、中国科学技术协会、中国联合国教科文组织全国委员会以及欧莱雅中国于2004年联合设立,已成为专门面向广大女科技工作者的全国性奖项。截止第19届,共有204位女科学家脱颖而出,她们弘扬科学家精神,矢志科技报国。让我们一起听听陈玉丽与科学的故事。

陈玉丽,北京航空航天大学教授、博士生导师,航空科学与工程学院飞行器结构强度系主任,国家杰出青年科学基金获得者,教育部青年长江学者,航空航天国家级实验教学示范中心主任、飞行器强度与结构完整性学科方向带头人。主要从事多尺度复合材料力学、新型材料结构设计等方面研究,曾获中国力学学会自然科学奖一等奖(排名第1)、中国力学学会青年科技奖、北京市教育教学成果一等奖(排名第1)、国家级教学成果二等奖(排名第1)。目前担任中国力学学会副秘书长、力学名词审定工作委员会委员等学术职务,以及国际期刊《Composites Part A》和《Forces in Mechanics》的Associate Editor,《力学学报》《Acta Mechanica Sinica》《固体力学学报》《航空学报》《应用力学学报》《Nano Mater Sci》《Curr Mech Adv Mater》等期刊的编委/青年编委。

“We can do both”

“小时候看《太空堡垒》,觉得那些飞来飞去的东西非常酷,所以很想造宇宙飞船。结果我选的这个‘飞行器设计’其实是大气层以内的飞行器。后来发现,设计飞机的难度和精彩程度与研究宇宙飞船不相上下。”陈玉丽这样回忆起自己本科选择飞行器设计专业的原因。今日的她已经是国家级领军人才、北航航空航天国家级实验教学示范中心主任及飞行器结构强度系主任。

陈玉丽在报告现场

除了对飞船的浪漫想象,陈玉丽选择飞行器设计的原因还有“喜欢画图”。她在学习中发现了自己对固体力学的兴趣。“比起运用已有规律开展炫酷设计,我更喜欢那种追根溯源寻求基本原理的极简美感。”陈玉丽说,“力学课程里面你就总能找到那种逻辑推理的感觉,从简单的基本定律和假设出发,层层递进,环环相扣,最终推导出一些有趣或美妙的结果,非常令人着迷。”

尽管在大家熟知的中学物理中,力学是物理的一部分,但在通常的学科分类中,力学和物理一样,都是一级学科。著名的航天工程学家冯·卡门曾说:“科学家发现已有的世界,工程师创造未来的世界。”那力学呢?陈玉丽自豪地引用冯·卡门的话说:“We can do both,我们两者都能做。力学既可以‘阳春白雪’,挑战理论前沿;又可以‘落地生根’,服务于众多技术和工程需求。所以钱学森先生说我们力学是一门‘技术科学’,既有科学的基础性,又有技术的应用性。”

大三开始考虑选专业和保研,全年级4个专业共280多人,陈玉丽以专业第一、年级第一保送。就这样,她加入了清华大学固体力学专业黄克智院士的课题组,开始从事多尺度复合材料力学方面的研究。获得博士学位后,又到美国俄亥俄州立大学进行计算力学方面的研究,并于2011年回到北航。

陈玉丽在做报告

为国造才

“北航本科阶段学习了几十门课程,从中我找到了自己喜欢的专业,还动手制作了小飞机,广泛了解了飞行器的发展需求;在攻读博士学位时,我更多关注理论探索,寻求材料和结构变形和失效的力学机理。两个阶段的学习都让我受益良多。在后来的科研工作中,我既会探究现象背后的机理,并根据机理预测可能的力学行为,还会考虑如何将研究与实际应用结合,服务于国家的工程需求。”陈玉丽说。

“世界本身是跨越多个尺度的,小到原子、量子,大到天体、星系。力学研究也跨了很多尺度,从纳米管、石墨烯到航空母舰、宇宙飞船。对于一个材料,把它的微观结构和宏观性能两者之间关系打通,是我们力学需要做的事情。” 陈玉丽说,“比如,给我们一个材料的微观结构,我们就能通过多尺度理论或计算去预测它的宏观性能。”

高性能先进材料一直是航空航天等国之重器的发展关键和重要基础。一方面,陈玉丽面向世界学术前沿,力求拓展连续介质理论与方法,搭建微纳尺度和宏观尺度、离散和连续的桥梁,准确描述多尺度复杂材料系统的变形和失效行为;另一方面,她面向国家对于高性能材料的迫切需求,力求拓展材料结构设计维度,得到突破现有性能区间的新型复合材料设计方法,推动新一代材料设计理论的发展和材料性能的提升。她的研究成果发表在材料科学综合类期刊《PNAS》、《Advanced Materials》及固体力学顶尖期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》等高水平期刊,获得国家发明专利授权14项,并受邀在《Composites Science and Technology》、《复合材料学报》、《固体力学学报》等期刊撰写综述文章。

例如,陈玉丽建立的离散-连续融合的多尺度力学理论框架,指导了材料的结构设计和优化评估。“这些工作其实我自己都挺喜欢的。像纳米纤维复合材料的增韧模型,最后特别漂亮地推出来了一个解析解。只不过想要更好地预测材料性能还需要进一步考虑很多实际应用中的复杂因素。”陈玉丽在讨论自己的工作时,总是习惯不断从机理到应用全面地审视,实际上她提出的理论模型早已被写进了国内外的力学教材,其中“刚度阈值”的工作还被收入国际复合材料手册,相关的国家发明专利也在航空航天领域得到了应用。

微观和宏观的打通应该是双向的,还需要能够反过来,从宏观到微观。为此,陈玉丽和她的团队开始探索如何从宏观性能的需求出发,设计能够满足性能需求的微观结构。他们从大自然和生活中获取灵感,创造性地提出了可根据目标需求定制和调控力学性能的多层级结构/超材料设计方法。

小小的刺猬,背上的尖刺,竖起来可以威胁和刺伤捕食者,从高空坠落时又能缓冲冲击,对其中任意一根刺的损伤也很少会传递给其他刺。在陈玉丽看来,这样离散的结构能带来超常的性能和更加宽广的设计空间。以此为灵感,陈玉丽团队提出了“三维像素”的概念,用几百根可弯曲的吸管,搭建出了一种像刺猬背刺一样的抗冲击力学超材料:当重物砸向这个“吸管刺猬”的时候,承受冲击的吸管会被压短,对物体形成缓冲,同时也不会损坏“刺猬”本身,而冲击物的痕迹会被保留,可用于还原现场。这种结构的材料,为可变形飞行器以及火箭和飞船的回收、可重复使用的冲击防护系统设计提供了全新的思路。

以刺猬为灵感的吸管阵列超材料。右图第一行展示了“吸管刺猬”对冲击物的缓冲效果和形状记忆效果;第二行则展示了如果将吸管提前全部压扁,就将失去缓冲能力

观察生活,从随处可见的小物件中获得研究灵感,是陈玉丽和她的团队独具特色的一点。他们还从积木、啪啪圈、冰箱贴、哑铃等物件中发现有趣的力学现象,深度挖掘其中的关键问题,并用于材料和结构的创新设计。比如,“我们用类似搭积木的形式,实现材料性能的私人定制,通过图形化的方式就能在超材料中快速实现任何你想要的性能。”陈玉丽说。类似地,她的团队还将能“啪”一下快速变形的啪啪圈设计成超快变形的超材料,用于太空中的垃圾捕获;将相互错动时“咔哒咔哒”的魔术贴设计成模仿“傅里叶变换”的可编程力学超材料,可用于刚柔并济的智能抓手和自适应的汽车悬挂;模仿可以相互卡扣的哑铃,提出了“自锁吸能”的概念,设计了可以自由组装、灵活调控的吸能结构。

上课是天大的事儿

除了科研工作,陈玉丽还是北航航空航天国家级实验教学示范中心的主任,中心获批2个全国科普教育基地。对她来说,“上课是天大的事儿。”

陈玉丽在课堂上

左:陈玉丽《复变函数》的教学课堂;右:《复变函数》由同学主讲的翻转微课堂

“北航的传统就是科教融通,在教学中做研究,在研究中做教学,教学和科研相辅相成,相互促进。建校初期北航的本科毕业设计就是造飞机,‘师生大干一百天’,设计制造出了新中国第一架轻型客机‘北京一号’,还完成了北京到上海的航线试飞。”虽然从事偏理论的研究,但陈玉丽很喜欢北航重视实践教学的风格。她担任学院教学副院长期间,组织搭建了新一代全数字化飞行器科教协同创新中心,促进多专业、多学科的学生合作共同设计一架数字飞机,设计之后还能模拟试飞、评估验证,甚至进行飞行对抗。中心不仅实现了校内跨学院开放,还实现了国内研究院所/知名高校/工业软件优势企业共建共享。

“现在做飞行器设计的学生要比我们那时候幸福多了。”陈玉丽读本科飞行器设计时,个人的设计落到实处最多只能是做个小航模,现在建成的这一组实验室,做到了许多她曾经没有机会做的事。陈玉丽笑着说,“现在已经有6个学院参与进来一起做了,总体、发动机、航电、飞控、材料,还有人工智能,这些不同专业的学生通力合作,设计目标都是来源于航空航天企业的,最终的设计成果,除了还没有真的造出来,基本已经是个五脏俱全的真飞机了。”

这一切似乎是个水到渠成的过程,“也没有想着我要在教学上做什么或者得到什么,只是觉得作为‘老师’就应该把课上好,所以自然而然地就去认真准备,要不然觉得自己不好意思站到讲台上。认真备课、认真上课,就这样一年一年坚持下来,忽然发现这些年其实积累了很多东西。”

对于自己课题组内的学生,她也有着自己独特的、多维度的培养方式。既要求严格,又很包容。“除了每周组会,我组里每年都有一次‘谈人生、谈理想’的活动,讲一讲这一年来的生活、学业等各方面的趣事、经历和感悟。大家可以很放松地开开玩笑。”

近年来,陈玉丽培养学生获校“研究生十佳”“五四奖章”、工信部创新奖、国家奖学金等,她也获得“我爱我师’优秀青年教师、优秀共产党员等称号。

陈玉丽指导的潘飞博士(现已获聘航空科学与工程学院副教授)获得“研究生十佳”荣誉

(内容来源:微信公众号“果壳”《陈玉丽:一个温婉女孩与她的固体力学》采访/撰文:靳小明 竹子)

(审核:李建伟)

编辑:贾爱平


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