同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院教授孫秀婷聚力隔振理論與技術(shù)研究 解決實(shí)踐中的技術(shù)難題

■ 文/譚云川

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)于振動(dòng)控制也提出了更高的要求。隔振理論與技術(shù)實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新研究一直都是學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點(diǎn)，其面臨的挑戰(zhàn)性問題是如何獲得寬頻隔振帶和實(shí)現(xiàn)多方向的隔振。

同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院教授孫秀婷，多年來一直致力于時(shí)滯控制低頻非線性隔振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)。除此之外，在動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)科領(lǐng)域，孫秀婷還獲得國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目資助，主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)，青年項(xiàng)目1項(xiàng)，省部級(jí)面上項(xiàng)目1項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等多項(xiàng)科研項(xiàng)目，并入選2018年第四屆中國(guó)科協(xié)青年托舉人才項(xiàng)目和2016年上海市青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃項(xiàng)目。

潛心篤志 求學(xué)路上的追夢(mèng)者

孫秀婷出生于上海的一個(gè)傳統(tǒng)大家庭中。孫秀婷回憶道，她的父輩因?yàn)闀r(shí)代原因沒有受過高等教育，在她兒時(shí)印象中，父輩們由于沒有學(xué)歷的加持，每天只能從事簡(jiǎn)單重復(fù)性的工作，家中時(shí)常能聽到他們對(duì)于未來生活的擔(dān)心以及工作發(fā)展的無奈。為此，孫秀婷便暗下決心要發(fā)奮讀書，用知識(shí)改變自己的命運(yùn)。2005年，她順利考入了同濟(jì)大學(xué)工程力學(xué)系，本科學(xué)習(xí)期間孫秀婷就對(duì)理論力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)等課程產(chǎn)生了濃厚的興趣。之后，孫秀婷又以優(yōu)異的成績(jī)獲得直博資格，毅然決然報(bào)考了導(dǎo)師徐鑒教授開展的非線性振動(dòng)抑制的研究，加入了動(dòng)力學(xué)與控制研究團(tuán)隊(duì)。

孫秀婷回憶道，徐鑒教授并沒有因?yàn)閷O秀婷是女生而區(qū)別對(duì)待，反而對(duì)男女學(xué)生的培養(yǎng)一視同仁，同樣嚴(yán)格。無論是課題選取、各類考核，還是未來規(guī)劃上，徐鑒教授對(duì)他們都給予了最大的支持與鼓勵(lì)。讀博期間，徐鑒教授給了孫秀婷聯(lián)合培養(yǎng)雙博士的機(jī)會(huì)，讓她有幸進(jìn)入香港理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位。2015年，孫秀婷獲得兩校雙博士學(xué)位后進(jìn)入上海理工大學(xué)力學(xué)教研室任職。2019年，孫秀婷通過全球招聘進(jìn)入同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院任教授。

滿懷著對(duì)高學(xué)歷的憧憬與向往，孫秀婷如愿進(jìn)入了更高的學(xué)府，學(xué)習(xí)了更深層次的知識(shí)。同時(shí)，孫秀婷也逐漸從科學(xué)探索中找到了樂趣，并激發(fā)了她對(duì)科研工作的熱情。孫秀婷說，那時(shí)她接觸到了一大批優(yōu)秀的女性，從師母到師姐，看到她們對(duì)自己事業(yè)的辛勤耕耘、對(duì)于科研探索的熱愛與執(zhí)著，對(duì)孫秀婷觸動(dòng)很大，并受到了潛移默化的影響。在孫秀婷看來，女性在科學(xué)研究上更具有細(xì)心、認(rèn)真、耐心等品質(zhì)，這也正是科研之路上必不可少的優(yōu)秀特質(zhì)。

心懷使命 科研路上的堅(jiān)持者

孫秀婷坦言，多年來能讓她始終堅(jiān)持在一線做科研工作，源于3個(gè)動(dòng)力。

第一，國(guó)家對(duì)于科研人員的迫切渴求?！皩?shí)踐告訴我們，國(guó)際先進(jìn)技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)越來越難以獲得，必須把創(chuàng)新主動(dòng)權(quán)、發(fā)展權(quán)和關(guān)鍵核心技術(shù)掌握在自己手中。為此，更需要科研人員能夠沉下心來，潛心研究。”近年來，上?？莆瘜?duì)于航空航天、光刻機(jī)、芯片、自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域的投入，對(duì)于“卡脖子”技術(shù)的強(qiáng)烈關(guān)注，不但給了孫秀婷他們技術(shù)成果應(yīng)用的平臺(tái)，而且有效地提升了科研人員的自信。

第二，自己的科研楷模徐鑒教授。徐鑒教授作為國(guó)家杰青、動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域?qū)W術(shù)帶頭人，其學(xué)風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)、勇于創(chuàng)新，至今仍保持一線科研工作狀態(tài)，積極參加各種學(xué)術(shù)會(huì)議，還會(huì)抽時(shí)間定期指導(dǎo)孫秀婷團(tuán)隊(duì)的發(fā)展。徐鑒教授對(duì)于前沿和關(guān)鍵問題的把握，更是極具敏感性和準(zhǔn)確性，讓孫秀婷敬佩不已。

第三，身邊人的影響。孫秀婷記得，她第一次走進(jìn)香港理工大學(xué)的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)為隔聲降噪實(shí)驗(yàn)搭建的隔音間，在隔音間內(nèi)任何聲音都會(huì)被厚厚的波浪型海綿吸收。當(dāng)時(shí)她在隔音間里待了10來分鐘就覺得非常難受，她卻發(fā)現(xiàn)一個(gè)本科交流生在隔音間里做實(shí)驗(yàn)，一做就是兩個(gè)多小時(shí)，讓她看到了身為科研人員最基本的素質(zhì)，這件小事也讓她至今記憶猶新。

苦心孤詣 勇攀高峰的奮斗者

每一項(xiàng)科研成果的取得，都離不開背后辛勤汗水的澆灌。歷經(jīng)近10年持續(xù)不斷的科研攻關(guān)，孫秀婷的創(chuàng)新成果豐富并拓展了非線性動(dòng)力學(xué)與控制相關(guān)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用范圍，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)抑制的智能調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。此外，孫秀婷在動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)科領(lǐng)域的國(guó)際著名權(quán)威期刊發(fā)表多篇論文，這些創(chuàng)新性成果還得到了同行的高度評(píng)價(jià)。

其學(xué)術(shù)成果的創(chuàng)新性主要是基于仿生的思想，實(shí)現(xiàn)了一種新型可推廣于多方向的非線性被動(dòng)隔振結(jié)構(gòu)，通過幾何非線性實(shí)現(xiàn)高靜低動(dòng)特性，在一定條件下其隔振效果優(yōu)于準(zhǔn)零剛度隔振結(jié)構(gòu)；提出了一類時(shí)滯控制低頻非線性隔振系統(tǒng)，揭示了時(shí)滯和非線性共同作用下的隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)遷過程，明確了時(shí)滯、非線性等因素的控制機(jī)理；基于動(dòng)力學(xué)分類分析和轉(zhuǎn)遷過程，建立結(jié)構(gòu)參數(shù)與多個(gè)低頻隔振指標(biāo)之間的關(guān)系，提出結(jié)構(gòu)和控制的優(yōu)化準(zhǔn)則。同時(shí)，孫秀婷的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)也獲得了動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的一致認(rèn)可。

孫秀婷介紹，隨著工程結(jié)構(gòu)的大型化和復(fù)雜化，低頻振動(dòng)甚至是超低頻振動(dòng)出現(xiàn)在各種實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中。例如，航天結(jié)構(gòu)大尺寸太陽帆板和天線的基頻出現(xiàn)在10E-2Hz量級(jí)，在姿態(tài)切換時(shí)所施加的驅(qū)動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)低頻或超低頻振動(dòng)；大跨度橋梁結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生基頻在10E-1Hz量級(jí)的振動(dòng)。在載運(yùn)裝備的研究中發(fā)現(xiàn)，小于1Hz的極超低頻或低頻率晃動(dòng)會(huì)引起暈船，而在4~8Hz橫向振動(dòng)中暈車反應(yīng)時(shí)常出現(xiàn)。抑制這種類型的振動(dòng)手段之一是進(jìn)行振動(dòng)隔離。然而，在經(jīng)典的線性隔振理論分析下的隔振結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足對(duì)振動(dòng)隔離的需求。首先，與中高頻基頻結(jié)構(gòu)不同，在超低頻或低頻誘發(fā)的振動(dòng)中，結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)超大幅值響應(yīng)從而形成非線性振動(dòng)；其次，線性隔振結(jié)構(gòu)的有效隔振頻帶起始于結(jié)構(gòu)固有頻率，如果要降低隔振頻帶，就必須降低隔振結(jié)構(gòu)的剛度，導(dǎo)致隔振結(jié)構(gòu)承載能力下降，這與工程結(jié)構(gòu)對(duì)承載力的需求相悖。因此，創(chuàng)新振動(dòng)隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是解決問題的關(guān)鍵，也是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

此外，孫秀婷通過觀察發(fā)現(xiàn)自然界中哺乳動(dòng)物、鳥禽類、人類的腿部在強(qiáng)沖擊和大振幅環(huán)境時(shí)變激勵(lì)下能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)穩(wěn)定和振動(dòng)隔離，其骨骼構(gòu)型、關(guān)節(jié)和肌肉的協(xié)調(diào)動(dòng)作不但能夠在靜態(tài)環(huán)境下提供靜態(tài)承載能力，而且可以提供大范圍頻帶內(nèi)的振動(dòng)隔離。究其原因是關(guān)節(jié)的柔性和角度的調(diào)節(jié)給垂直方向提供了可調(diào)節(jié)的負(fù)剛度和非線性剛度，受此啟發(fā)，設(shè)計(jì)了新的振動(dòng)隔離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有別于靜態(tài)的“準(zhǔn)零剛度”結(jié)構(gòu)，形成了“結(jié)構(gòu)具備可調(diào)節(jié)性”為特色的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，為結(jié)構(gòu)進(jìn)一步智能化提供了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。提出并設(shè)計(jì)了以負(fù)剛度和非線性剛度可調(diào)性為特征的單/多方向新型仿生低寬頻隔振構(gòu)型，建立了仿鳥腿隔振結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，突破了線性隔振器有效隔振帶寬的限制瓶頸，不但可以在多方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)確定的低頻和超低頻振動(dòng)隔離，也可以在主要方向上實(shí)現(xiàn)在一定帶寬上低頻和超低頻的振動(dòng)隔離，體現(xiàn)出仿生-力學(xué)結(jié)構(gòu)-功能實(shí)現(xiàn)一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特色。

孫秀婷構(gòu)建的新型仿生振動(dòng)隔離的結(jié)構(gòu)，突破了線性隔振器振動(dòng)隔離有效頻帶的限制，其理論機(jī)理需要得到明確，特別是這種新型結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)負(fù)剛度和非線性剛度為特征，為新型隔振結(jié)構(gòu)工作機(jī)理的認(rèn)知和解析帶來很大挑戰(zhàn)。其難點(diǎn)是需要避免大振幅振動(dòng)和幾何非線性誘發(fā)的多穩(wěn)態(tài)、分岔等非線性失穩(wěn)，突破的關(guān)鍵在于在低寬頻環(huán)境下，協(xié)同和創(chuàng)新多種解析分析方法，認(rèn)識(shí)主結(jié)構(gòu)參數(shù)、仿生結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)對(duì)非線性動(dòng)力學(xué)行為的轉(zhuǎn)遷及多種動(dòng)態(tài)行為共存的影響規(guī)律，并對(duì)隔振性能指標(biāo)進(jìn)行綜合優(yōu)化。因此，孫秀婷首先建立被隔振主體結(jié)構(gòu)與仿生結(jié)構(gòu)可調(diào)性參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，從理論上綜合解析結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)對(duì)低頻帶寬振動(dòng)隔離有效性的影響機(jī)理；其次，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和Lyapunov穩(wěn)定性兩個(gè)方面，提供仿生非線性隔振結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定工作的參數(shù)判據(jù)；最后，針對(duì)工程結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)抑制速度和精度的需求，需要建立對(duì)干擾和誤差進(jìn)行分析和補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化判據(jù)。

這些研究初步形成了新型仿生低寬頻隔振結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，豐富并深化了以非線性動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)涵，基于力學(xué)原理為工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)并對(duì)自然規(guī)律提出了見解和認(rèn)知。

長(zhǎng)相清秀的孫秀婷，讓你很難把她與科學(xué)家三個(gè)字聯(lián)系起來。一個(gè)女人事業(yè)上的成功，除了自身努力之外，更離不開家人的支持，這才讓孫秀婷可以心無旁騖地投入到科研和教學(xué)工作中。孫秀婷坦言，她的家庭生活與工作之間沒有出現(xiàn)過特別嚴(yán)重的矛盾，但家庭瑣事與工作時(shí)間發(fā)生沖突在所難免。每當(dāng)這時(shí)，孫秀婷的處理方式很簡(jiǎn)單。她說：“如果能夠事先預(yù)判到這樣的沖突存在，那我會(huì)提前做好準(zhǔn)備；但如果是臨時(shí)安排，我會(huì)優(yōu)先選擇把工作上的問題處理好。”

談及未來發(fā)展，孫秀婷說以她的一家之言，對(duì)于動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域未來的發(fā)展具有局限性?？偟膩碚f，動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域的研究對(duì)象會(huì)更復(fù)雜更廣，基于現(xiàn)階段發(fā)展迅猛的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域的發(fā)展將為復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、人機(jī)交互的動(dòng)力學(xué)協(xié)同問題、機(jī)器人與環(huán)境共融問題提供基礎(chǔ)和指導(dǎo)。而她個(gè)人重點(diǎn)方向主要放在仿生智能結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)與控制問題上。研究重點(diǎn)將放在仿生柔性變剛度結(jié)構(gòu)的強(qiáng)非線性動(dòng)力學(xué)分析方法和多自由度智能變剛度柔性結(jié)構(gòu)的智能調(diào)控控制方法上。

如果說新時(shí)代是奮斗者的時(shí)代，那么孫秀婷就是科研路上的奮斗者。孫秀婷深知，選擇了科研就意味著還有很多未知需要探索，還有哪些不可能將會(huì)變?yōu)榭赡苣?？她相信不久的將來，科技?chuàng)新會(huì)給出一個(gè)個(gè)滿意的答案。