袁文伯教授：善度事理的世纪师者

2015-7-20 15:53| 发布者: 安丰贞| 查看: 1340| 评论: 0|来自: 中国科技网

摘要: 从满头青丝到两鬓染霜，袁文伯教授一直在工程力学的科研路上耕耘不辍，坚持“学以致用”和“教学、实践及科研相结合”的治学之道，至今仍旧为学科建设和人才培养贡献着自己的智慧和力量……

从满头青丝到两鬓染霜，袁文伯教授一直在工程力学的科研路上耕耘不辍，坚持“学以致用”和“教学、实践及科研相结合”的治学之道，至今仍旧为学科建设和人才培养贡献着自己的智慧和力量……

　　殷殷学子心拳拳救国情

　　袁文伯1912年生于浙江天台一书香门第。家庭的熏陶使他从小就养成了崇尚读书、认真求学的好习惯。儿时的袁文伯聪颖过人，尤擅数理，其功课以数理见长。中学时代受名师指点，对数理产生了浓厚兴趣。

　　1930年，袁文伯考上当时江浙一带赫赫有名的“浙江省立高级中学”（即后来的“杭州高级中学”），1933年高中毕业后，考取当时国内最著名的工科学府——上海交通大学土木工程学院。

　　袁文伯在上海交通大学读书的四年，正值交大发展的黄金时代。经过20世纪20年代初期的改组，交大完成了向现代大学的转变，加之当时隶属的铁道部的重视，交大成为当时国内办学条件最好的学校，也是国内最具影响力的工科大学之一。

　　“工程学问，非佐以数理，不能深造。”老上海交大的教学，十分注重加强以数理化为主的基础理论教育。良好的大学氛围，严格的教学管理，使袁文伯受到了严谨的科学训练，同时也坚定了实业救国理念。

　　1937年夏，袁文伯大学毕业，抗日战争爆发。袁文伯先后在天台中学、上海大公职业学校任教。

　　1940年夏，袁文伯来到了当时位于浙东丽水的英士大学。抗日战争时期，国民党浙江省政府及其所属单位迁移至丽水地区，分驻全区各地，时间长达8年多。丽水地区一度成为浙江抗战的大后方。在抗战的大背景下，为解决战地青年的求学问题，创办了英士大学。初创时期的英士大学，师资缺乏，办学条件简陋，教室是茅棚，宿舍租用的是农房，一日三餐很是清苦。在这种工作条件和生活条件都极度恶劣的条件下，袁文伯依然坚持在黯淡的青油灯下备课、写讲义。1950年，英士大学遭裁撤废校，袁文伯来到了位于杭州钱塘江畔的教会大学——之江大学（现浙江大学之江校区）工学院土木系任教。

　　在之江任教的袁文伯如鱼得水，一人几乎全揽了之江大学土木工程专业有关结构方面的主要课程，因此得到了十分优厚的待遇，生活上有了很大改观。但在当时的政治环境下，袁文伯预感到作为教会大学的之江大学办学前景不乐观，当时恰逢刚刚创立的中国矿业学院招揽人才，于是他便于1951年8月北上中国矿业学院任教，开始了在矿大的几十年辛勤耕耘。

　　持之以恒大器晚成

　　新中国的成立是中国历史上翻天覆地的大事件，同时也是袁文伯人生的重要转折点。新中国伊始，百废待举，集中力量恢复国民经济，成为新中国牵动全局的中心任务。作为新中国工业建设基础的能源行业更是其他工业发展之基础。为适应全面恢复国民经济的需要，需要扩大矿业高等院校的规模，培养煤矿建设专门技术人才。

　　在20世纪50年代高等教育学习苏联的环境下，中国矿业学院作为一所新型大学，十分重视对苏联的学习，掀起了一场学习俄语的热潮。袁文伯学习俄文不久后就开始尝试阅读并翻译专业书籍的工作。50年代中后期，袁文伯先后翻译了多部俄文专业书籍和教材，如《测量误差原理》《公路上的闸门桥梁和涵洞》《钢梁极限状态》《极限平衡法结构承载能的计算》等著作。特别是后两部著作，与袁文伯主要的研究方向密切相关。除此之外，袁文伯还应约校译了多部著作。

　　当时，北京矿业学院的力学学科集结了一批像袁文伯一样辛勤工作、钻研学术、严谨治学的教师，诸如理论力学教研室的郝桐生、陈至达等老师。郝桐生主编的《理论力学》一书于1965 年由高教出版社出版，至今仍被广泛使用，成为理论力学方面的经典教科书；陈至达后来在非线性有限变形力学方面有较深入的研究，并做出了开创性工作。

　　1966年“文革”开始后，在极左路线的影响下，北京矿业学院正常的办学秩序受到了严重的冲击。1970年上半年，北京矿业学院搬迁到四川华蓥山下的一个偏僻小镇——三汇坝。袁文伯所在的基础部最初被安置在重庆市沙坪坝区的重庆大学。因腿的残疾，袁文伯没有去条件较艰苦的三汇坝山区，而是在重庆大学待了大约一年半的时间，之后重新回到北京。

　　在动荡的年代里，很多人都在忙于政治运动或应付政治运动。袁文伯因行事低调，不事张扬，也没有引起太多人的关注，一定程度上回避了“文革”时的政治动乱，甚至为宁静淡泊的袁文伯提供了较为宽松的环境。1972年袁文伯回京后，因家中的许多书都运到了重庆，所剩存书不是很多。儿子的一位朋友在北京图书馆工作，就帮忙给袁文伯办了一个北京图书馆的借阅证。一有时间，他就到北京图书馆去看书，包括阅读很多专业书籍，这不仅消磨了时间，也提升了自己。“文革”中，许多人的专业都荒废了，但袁文伯仍然坚持学习和研究，并酝酿了他后来主编的140万字的巨著《工程力学手册》的结构体系。

　　1978年，中国的高等教育走上正轨，年近70岁的袁文伯重新焕发了学术的青春。尽管一般来说科学家进行科学创造的最佳年龄多是在25至45岁之间，从现代生理学和心理学研究来看，这一时期是一个人的记忆力、理解力、判断能力的最佳时期，是个人创造力的“黄金时代”。但袁文伯的黄金时代，因太多的战乱和政治运动浪费了很多时间，不过他多年积累的研究终于在科学的春天到来后得以薄发。

　　吊钩实验对极限状态理论的推进

　　上世纪70年代后期，袁文伯承担了三部（煤炭部、冶金部和机械工业部）会战项目——凿井钩头、连接装置、4立方米和5立方米大吊桶的研制工作。通过实验，他解决了大型立井施工机械化设备配套的关键性问题，并提出了钩头受力超出弹性后的屈服承载能力和极限承载能力的计算理论，对钢梁极限承载能力理论的发展作出了贡献。

　　早在1965年，袁文伯就负责主审了由煤炭部组织编制的《煤矿凿井专用设备施工图册》（后简称《图册》），其中前4册为设计图纸，第5册为《凿井专用设备设计计算示例》。当时设计的4吨、6吨吊钩和2m3、3m3吊桶都很笨重，给锻造和使用带来不便，也留下了一系列理论上需要解决的问题。

　　20世纪70年代末，伴随着国家工业建设的发展，煤矿建设规模扩大，矿井增多，井型增大，建井速度也随之加快。为此，各种凿井设备都需要大型化，此前《图册》的设备已不能满足新型矿井建设的需要。在这种情况下，以袁文伯为首的中国矿业学院的研究者们承担了钩头和吊桶新系列的研制工作。

　　矿山中使用的凿井钩头是一种由7个部件组成的旋转设备。这种异型构件的变形破坏特征有其自身的结构特点。袁文伯及其合作者首先到一些矿井对钩头使用情况作了调研，看是否有钩头断裂或强度不足变形严重的事故，这些煤矿都说没有。于是，他们从吊钩实验入手，了解吊钩在常载下继续变形到破坏的全过程，观察吊钩受力超过弹性后的变形情况，为采用合理的安全系数提供资料。

　　他们的吊钩实验分两次进行。

　　第一次实验是在1978年5月~6月，在辽宁煤矿建设局实验室，他们对6吨旧钩、6吨新钩、4吨旧钩、非标准3吨旧钩、地面用10吨起重旧钩，分别进行了电测及破坏性试验，了解吊钩从开始加载，逐步增加荷载直到最后破坏的受力和变形的全过程，为安全系数的确立提供更为精确的认识。试验表明，钩头的塑性区与弹性区都较为明显，有一个弹性核存在；钩头的塑性指标好，未出现断裂迹象。

　　第二次实验是在第一次实验的基础上，经过计算分析、研究讨论，于1978年12月至1979年2月间，他们对重新设计、制造的吊钩采用20#钢加工梯形、I字形、T字形断面各一只，采用35#钢加工梯形、I字形断面各一只，共5只钩进行了电测及破坏性试验，并对不同材质、不同截面形状的钩头性能进行研究比较。这次试验是为测定数据，选择安全系数，设计新型钩头作准备。

　　通过实验和分析，历时近3年的时间，完成了凿井钩头装置的理论研究及新系列5、7、11吨钩头的设计、试制任务，并交付兖州、邯邢煤矿进行工业性实验。

　　通过实验数据分析和理论研究，定出钩头（吊钩）的合理安全系数，既便于设计计算，又符合《安全规程》的要求；同时也定出了连接装置的合理安全系数，使钩头和连接装置成为等强度系统，设计上更为经济、合理了。

　　他们还以此为依据，精心研究设计了新系列5、7、11吨钩头，经过试制、试用、推广，解决了大型立井施工机械化设备配套的关键性设备。在分析研究钩头试验的破坏荷重时提出钩头受力超过弹性后的两个阶段承载能力（即屈服承载能力和极限承载能力）的计算理论，对钢梁极限承载能力理论有所发现和发展。袁文伯的工作通过理论实验和计算确定了吊钩的安全系数值，并广泛应用于冶金、煤炭和机械工业系统。

　　通过实验袁文伯发现了一个很重要的问题，这个问题是一个规律性的认识。过去所有工程上的材料都是在弹性范围内应用的，特别是金属材料，没有人超出弹性范围。尽管吊钩的实际应用是在弹性范围之内，但袁文伯吊钩实验的测定超出了弹性范围，实测到了塑性变形的相关数据。

　　袁文伯所研究的极限承载力是一个理论问题，是对超出弹性范围材料变形的理论探讨。极限状态的研究是袁文伯多年来持续关注的一个重要领域，袁文伯在上世纪50年代翻译的前苏联的有关极限状态的书《钢梁极限状态》和《极限平衡法结构承载能的计算》，都是有关这一问题的研究。

　　根据吊钩实验，吊钩在超过弹性范围进入塑性范围后，弯转并不明显，实际上是没有明显出现塑性铰。

　　第二次试验完成后，袁文伯的研究生吕家立把试验数据整理成一个综合表格拿给袁文伯看，当时想能否用一个理论计算值去符合此表的破坏载荷的试验值。袁文伯让吕家立用结构塑性计算理论的极限承载能力值（极限荷载）试试能否符合。过了几天，吕家立把极限承载能力值计算出来，把与此值相对应的钩口变形也找了出来。计算出来的数值远比实验的破坏载荷少得多，而且此时的变形与荷载仍是单值关系。袁文伯认为结构塑性理论是以理想弹塑性体的应力—应变曲线为依据而建立起来的。对钢材来说，只有一小段OAB部分是合适的，应变超过了B点，就要强化、升高，不再是水平线了。

　　袁文伯指导吕家立将强化最后段近水平的曲线简化作水平线，据此算得极限承载能力（荷载）试一下。次日，吕家立兴奋地跑来告诉袁文伯，据袁文伯的想法计算所得的极限荷载与试验所得的破坏荷重符合得很好，相差不超过百分之十。两人都很高兴。他们发现和创建了新理论、新公式，而根据这个新公式计算出极限荷载与以前试验所得破坏荷重十分符合。

　　为了区分通常的结构塑性计算理论的极限承载能力和他们以强度极限σb为水平线建立起的极限承载能力，他们把前者称为“屈服承载能力”，后者称为“极限承载能力”以示区别。为了说清楚这个成果，他们写了一篇论文《钩头超过弹性后的两个阶段承载能力——屈服承载能力和极限承载能力》，刊登在《中国矿业学院学报》1979年第4期。文中说明理论推导和实验数据非常符合，但并没有说明理论公式是他们的创新。

　　新发现的“极限承载能力”理论和公式是对原有的“结构塑性计算”理论的补充和发展。在实验中发现在原塑性分析的最大荷载，因为钢材有了强化性质，塑性分析中的“塑性铰”不成立、不存在。因此，以“塑性铰”为基础的刚架塑性分析方法便不能成立了。吊钩的破坏荷载可用“极限承载能力”的方法计算出来，吊钩的破坏试验就可以不做，省却很多麻烦。同时，吊钩的极限承载能力理论，根据推理，对钢梁也应该适用。可以把吊钩或钢梁的承载能力分成三个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化（极限）阶段，这样对吊钩、钢梁的安全情况能够具体化了解，即对安全系数的理解更具体化了。

　　吊钩实验不仅使吊钩变得经济、实用和美观，同时又有理论上的突破和发现。但当时的评价包括奖励更多的是从技术成就的角度来评价，而不是着眼于吊钩实验在理论上的发现和发展，这一成果不仅是一项简单的技术成果，更包含着理论上的创新和推进。

　　1981年，步入古稀之年的袁文伯光荣地加入中国共产党，终于完成了他多年的心愿。

　　袁文伯晚年，经过科学训练的头脑清晰而严谨，生活虽屡遭磨难，但依然乐观、知足。2015年1月，104岁的袁文伯辞世。但他那勤勉好学、严谨求真、勇于创新、爱岗敬业的精神永远值得后人学习和追寻。

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