——记清华大学航天航空学院教授庄茁

　　本刊记者  黄雪霜  王 辉
　　

　　
　　2014年9月，在清华大学礼堂举行的学校第十四届研究生“良师益友”的颁奖晚会现场，主持人邀请“良师益友特别奖”获得者庄茁登上颁奖台，接着邀请颁奖嘉宾黄克智院士上台。87岁高龄的黄院士拿出了中国科学院给他配发的高龄院士专用手机，说这部手机只要按一个特定按钮，就会给紧急联系人拨通带有定位信息的电话，“手机上仅有两位紧急联系人，第一位是我的夫人，另一位就是我的学生——庄茁。他学问做得好，为人好，在我所带过的学生中管理工作也是做得最好的......”黄先生的特殊颁奖词博得了全场师生的热烈掌声。
　　庄茁早年在土木工程和结构力学领域研究深造，1995年在爱尔兰国立都柏林大学博士毕业学成回国，成为巍巍学府、水木清华中的清华人。他全身心投入到固体力学、断裂力学和非线性有限元的科研和教学工作，2005-2012年担任航天航空学院党委书记，历经几十年峥嵘建树，起于力学，又向“天”“地”拓展，融入在清华工程力学和航空航天学科的深厚底蕴和飞速发展潮流中，注定了他要与时代同行，担当责任。
　　

从不言弃  砥砺前行
——由浅入深感悟力学之美

　　“给我一个支点，我将撬起整个地球。”2000多年以前，阿基米德一句名言尽显了力学的神奇魅力。
　　力学之美在哪里？在庄茁看来，力学是一门技术基础科学，有它作为基点，其他工科都可以实现触类旁通。力无形，迫万物以动，力学应用于研究大尺度的各种建筑结构或者机械设备；也应用于研究小尺度的各种材料和电子器件，研究它们的强度、刚度和稳定等基本力学性能。力学在空天、土木、能源、交通、环境、海洋等领域的应用中大放异彩。
　　虽然对如今研究的学科爱之深切，但庄茁坦言并非早有立志学习力学。他成长在“文革”动乱的年代，经历过1968-1974年的“上山下乡”洗礼，他对每一次学习的机会都倍感珍惜。所以，当他有机会到沈阳建筑大学学习土木工程的时候，虽然与儿时的清华梦有一定的距离，但他依然欣然前往。在专业学习的过程中，他渐渐领略到力学的神奇魅力，笃定选择了继续攀爬象牙塔，到重庆大学攻读结构力学硕士学位，从此开启他与力学30多年的情缘。
　　庄茁始终是一个积极进取的人。在其内心深处，有一颗不屈向上的心鞭策着他一路向前求索。在重庆大学读研的时候，一次导师带他到清华找力学大师黄克智教授和徐秉业教授咨询问题。因为他是学生，导师以他没有资格直接面见大师为由把他留在了宾馆里。内心倔强的庄茁当时就暗下决心：早晚会有资格，但我一定要努力。
　　20世纪80年代末，在出国潮尚未涌动之前，庄茁就已经计划远跨重洋去追寻可以攻玉的他山之石。1991年，他被公派前往爱尔兰国立都柏林大学攻读博士学位，与许多出国留学生不同，他是一开始就抱着要学成回国的心态出去的，“总想这一生应该给祖国做些贡献”。
　　但这一路“洋插队”并不容易，世上没有免费的午餐。在西方，人们形容做博士论文的过程是走入几乎看不见尽头的长长隧道，唯有克服困难，坚忍不拔者才能成功。除了专业上的学习，他还面临着语言关，为早日将这一难关攻克，他白天与学校师生交流，晚上坚持面对电视节目跟着播音员练口语，而这些也只是他出国生活的一点花絮。聪明加之勤奋，功夫不负有心人，1995年9月他终于完成了博士论文的研究工作，写出了270页的论文，编写了近万条的计算机程序，通过了由英国帝国理工学院和爱尔兰国立大学两国教授组成的答辩委员会的答辩，获得了爱尔兰国立大学博士学位。
　　4年的留学生活使他认识到，祖国太需要学有所成的人回来建设，在国外能够得到的在国内暂时得不到，而在国内能够得到的在国外永远得不到。回国前的一个月，庄茁完成了一件埋藏在他心底多年的心愿：给清华黄克智院士写了一封求职信，介绍了自己的基本情况，并表达了能够直接聆听黄先生教诲的愿望。没想到很快就收到了黄先生的热情回信。这封回信更激发了庄茁回国工作的热情，他毅然踏上了归国之路，圆梦清华。
　　彼时的清华园内，在钱学森、钱伟长、张维、杜庆华、黄克智、王永志院士和杨卫院士等几代清华人的辛勤耕耘下，工程力学系已经成为中国力学界、工程热物理界的翘楚，在“两弹一星”“载人航天”等重大科技工程中发挥了重要作用，为推动我国经济和国防建设做出了重大贡献。沐浴在清华得天独厚的优良环境下，立足自身积累和优势，庄茁在清华开启了新的征程——
　　

固本求源  顶天立地
——聚焦科研结硕果

　　20世纪力学家对世界科学最主要的贡献，包括断裂力学和有限元。而庄茁科研的关注点也正是聚焦在这两个领域。
　　断裂力学主要是研究含裂纹材料和工程结构中的裂纹扩展规律，从而提出抗断裂设计方法，以保证材料和结构的安全工作；或者利用裂纹扩展，形成更多的自由表面。早在留学期间，庄茁就立足国际前沿，将断裂力学与有限元结合进行动态断裂力学的研究。这些研究当时在国内还是空白。回国后，他把在国外的研究成果带回来，在国内开展动态断裂力学方面的基础和工程应用研究，取得了显著成绩。
　　西气东输工程是我国在20世纪90年代启动的4个重大工程项目之一，是西部大开发的标志性工程。4000多公里的天然气高压管线西起新疆，东抵上海，一路穿过沙漠、戈壁、山区、河网等复杂地形、地质条件，其高压超过100个大气压和直径大于1米的特点增加了管道断裂控制的难度。立足国家重大需求，庄茁带领清华团队与中石油管材所合作，结合材料实验，提出了动态裂纹韧性减速扩展机制，建立了流固耦合理论模型并发展了非线性有限元计算程序，解决了西气东输管道断裂可靠性评估的关键技术。他们具有自主知识产权的天然气管道动态断裂程序被国际上公认为两套成功的程序之一。该成果获得2015年北京市科技成果奖三等奖。
　　天然气管道需要安全止裂，而飞机穿盖弹射救生系统则需要座舱盖裂纹扩展，把飞行员弹出即将坠毁的飞机，安全救生。立足国防的重大需要，庄茁带领团队提出了基于连续体壳的曲面壳体上裂纹任意扩展的断裂力学理论模型，发展了具有自主知识产权的三维壳体和实体扩展有限元程序，将其应用于模拟座舱盖穿盖弹射系统，实现了对航空有机玻璃微观断裂机制的精细化描述，揭示了座舱盖透明件多裂纹扩展及相互作用的机理，解决了国内长期单纯依靠实验进行穿盖系统设计的瓶颈问题。上述理论与方法指导了多项工程项目的成功实施，突破了穿盖弹射救生系统的关键核心技术，对弹射救生专业的发展产生了巨大的推动作用。在定性状态下，飞行员弹射出舱时头部、肩部、膝部的平均载荷仅为国军标要求的十分之一。在军、地数百架高级教练机上推广应用，截止目前，已成功帮助10余名飞行员在紧急情况下弹射出舱，成功救生，军事和社会效益显著。该成果获2017年军队科技进步奖（公示）。
　　近年来，微纳米科技方兴未艾，成为国际研究的前沿热点。在各种金属微器件中，材料的力学行为呈现强烈的尺寸效应。研究微纳米尺度下的晶体材料塑性行为及其尺寸效应，具有重要的理论意义和应用前景。庄茁指导研究生提出了基于离散位错机制的晶体塑性理论模型，建立了考虑单臂位错源长度和背应力的流动应力公式，准确预测了亚微米尺度（100纳米～10微米）晶体材料强度和变形的尺寸效应；建立了耦合离散位错动力学与连续介质有限元的计算方法，揭示了在微金属柱压缩中由于位错匮乏形成完美晶体、应变软化和热激活退火硬化的反常规本构行为。该成果在国际力学重要期刊发表论文50余篇，文章他引700余次。其中1篇博士论文在2011年（柳占立，导师庄茁）获得全国优秀博士学位论文。他负责的国家自然科学基金重点项目在2016年的结题评审中评为A（优秀），专家组评价“取得了一系列具有国际领先和先进水平的研究成果。成果建立的亚微米尺度塑性理论和计算模型得到了国内外同行的验证和广泛使用，成功地揭示了位错机制主导的晶体材料塑性变形新特点，具有重要的科学意义”。2018年，他们以该成果撰写了一本英文专著，将在国际著名出版公司爱思维尔和清华大学出版社联合出版。
　　庄茁及其团队的科研成果还被应用到多个国防重点型号研制中，相关成果在2007年获得国防科学技术进步奖一等奖。2015年，他作为原国防“973”项目首席科学家，带领团队，承担了设计新型材料防护冲击波的任务。情系国防铸利器，带着清华人特有的荣耀和使命感，庄茁和他的团队责无旁贷、奋力前行。
　　“固本求源创新，顶天立地树人”，庄茁跨出的每一步都遵循着清华前辈们多年凝聚的理念和实践，他还有更深刻的领悟：“‘固本’谓之注重理论基础，广其基方能增其厚；‘求源’谓之追溯知识源泉，传承发展。这‘固’和‘源’又隐喻着工程力学系的固体力学、流体力学和热物理等主要专业，‘顶天’意指学科建设和科学探索的国际前沿性，‘立地’意指解决国民经济和国防建设的重大工程和科学问题......”
　　继承的同时致力创新，庄茁在力学领域的多年耕耘和学术贡献，取得了国内外同行的广泛认可。他先后被选为北京市科协委员，北京力学会理事长、中国宇航学会航天运载系统专业委员会委员，中国力学学会常务理事，计算力学专业委员会主任委员，国际计算力学学会理事等。他在计算力学领域具有广泛的国际影响，在国际重要学术会议上作大会主旨报告5次，邀请报告30余次，担任国际会议共同主席1次。2017年获得英国斯旺西大学荣誉博士学位，该大学曾被誉为欧洲计算力学中心，这是英国一所大学所能给予的最高荣誉。
　　

水木清华  山高水长
——春风化雨润芳华

　　“学在清华是福气。水木清华、清芳挺秀的环境，校园中蓬勃昂扬、奋发向上的青春理想，书声琅琅、生动活泼的学习氛围深深感染了每一位清华人......”“学在清华是享受。清华这本书很厚，百年文化传承底蕴深远......”“学在清华是挑战......站在群山万壑之中，每一位新同学都会思考：如何找到自己？我的位置在哪里？”
　　在2014级研究生新生入学教育活动中，庄茁以“春风化雨育人，自强不息创新”为题，分别从“学生为本，学者为先”“学术为是，学风为要”“创新意识，学术环境”“立足中国，面向世界”4个方面分享了他对“学在清华”的理解。水木清华，山高水长。虽不是土生土长的清华人，但多年在实践中潜移默化，庄茁对清华的理解早已有了自己独特的感悟。沐浴在清华深厚的历史文化底蕴中，庄茁对传承一直都怀有敬意。在清华园中，从来不乏几代师生同心戮力，向着科研的高峰接力攀登的故事。庄茁所在的团队，同样如此。
　　黄克智院士是国际著名力学家、我国固体宏细微观本构理论及断裂力学的奠基人与开拓者，也是清华工程力学系的创始人之一。他从1948年至今为祖国健康工作了70年，带领不同时期的中青年研究团队攻坚克难，在薄壳理论、断裂力学、多场耦合与相变力学和微纳米力学等方面成果丰硕。他几乎每10年就拓展一个新的方向，而且都能够做到国际领先水平。
　　在黄克智院士身边学习、工作20多年，庄茁受益匪浅，而在他看来最重要的就是懂得怎样不断创新、不息自强。他早年是以土木工程为主线的研究背景，刚到清华，黄院士就劝他赶紧补上塑性力学这一课；之后接触到国际著名商用软件ABAQUS，为其中计算大变形的核心理论和计算程序所困时，黄院士又劝他赶紧补上非线性大变形本构理论，而且还和他“一起学习应力的率本构关系”。页岩气高效开采是国家重大需求，当庄茁关注其中的水力压裂、体积改造等关键力学问题时，耄耋之年的黄先生组织他们学习岩土力学的本构模型，推导理论公式，建立页岩气水平井和水力压裂力学模型，编写计算程序......
　　“在他身边，感受最深的是严师诲人不倦，是慈父春风化雨，是同事协同创新。”庄茁说。因为受益匪浅，感受深刻，在黄先生关怀下成长起来的庄茁如今也努力给下一代师生带来这样的感受。
　　他指导的柳占立的博士论文入选全国优秀博士学位论文。为拓宽柳占立的国际视野，庄茁推荐他到美国西北大学从事博士后研究，师从国际著名力学大师、美国三院院士彼利契柯教授学习计算力学。“出去是为了更好地回来”，出国前的叮咛记在了柳占立的心里，与当年自己的恩师一样，学成的柳占立毫不犹豫地选择回国。如今已经成为清华航院的副教授，集“青千”和“优青”荣誉于一身。他承担本科生国家级精品课、研究生校级精品课的教学工作和课程建设，获得多项基金资助。师生合作出版了1部英文专著和即将出版第2本英文专著，发表了几十篇高水平文章。如今，由柳占立指导的博士生也茁壮成长起来。
　　从黄克智院士、庄茁教授、柳占立副教授到新一代研究生，四世同堂，这是血脉的延续，更是精神的传承。水木清华几代人，亦师亦友亦同事，在不同的时代将科研成果做到世界领先水平，用言传身教培育更多的优秀学子。几十年持续的奉献与求索，才有了今天世界瞩目的成就和更可期待的未来。
　　百年清华，立德树人。德高为师，身正为范。在清华教书育人，庄茁和他的前辈一样，力求以身作则。教书育人35年，他先后培养了博士生34名（3人校优博，1人全国优博），硕士生35名（含航天员翟志刚和刘伯明，3人校优硕），博士后10名。他曾是清华大学国家级力学实验教学示范中心主任，校级精品课“计算固体力学”负责人，主讲国家级精品课“材料力学”。他被称为我国非线性有限元理论和力学计算的首席专家，举办了13届全国非线性有限元高级讲习班，担任主讲，培训了1000余人。
　　勤奋耕耘结硕果，桃李芬芳正芳华。多年来，庄茁先后发表了280余篇学术期刊文章，出版专著4部、编著9部，译著4部，文章和著作被引用6000余次。6次获清华大学教学成果奖，3次获清华大学研究生“良师益友”奖，其中2014年获校研究生“良师益友特别奖”。还先后荣获2006年北京市教育创新标兵、2008年北京市教育教学成果奖一等奖和2009年高等教育国家级教学成果奖一等奖，2012年钱令希计算力学成就奖，2016年全国优秀科技工作者荣誉等。
　　在庄茁身上，体现着清华对教师、干部“双肩挑”的要求。2005年，他被任命为清华大学航天航空学院党委书记。学校对新航院的发展寄予了厚望，提出了“入主流，有特色，上水平”的要求。如何将航院在短时间内推向新的高度？是庄茁等面临的首要难题。从原来的教学、科研，到管理角色的转变，凭借一贯的果敢和创新，庄茁和其他院领导成员一起，开天辟地，叩问寰宇。
　　他们提出“人才费楼、班评点室”的建设目标，着力人才培养、教师队伍建设、科研经费和学院科研楼建设，通过成立钱学森力学班，接受国内外学科评估，创立航空宇航学科博士点和申报力学国家重点实验室，依靠原工程力学系的基础优势，推动航空宇航学科的发展，形成今日的“力学引航，神舟竞渡”的可喜局面。
　　庄茁在任院党委书记的8年时间里，航院的发展令人瞩目、欢欣鼓舞。他的努力获得了师生的认可：2008年航院党委获“北京高校先进基层党组织”荣誉，2009年庄茁获校优秀党建与思想政治工作者的称号，2010年校党委安排他向李源潮汇报航院党委创先争优活动......在学院师生的印象中，他有着率领众人攻坚克难的魄力和勇气，也有着对他们嘘寒问暖的细心亲和。帷幄整体，关注个体。执教教研相长，从政政绩斐然。他的潜力在清华园里得到了尽情的发挥。
　　2018年，庄茁刚好“为祖国健康工作50年”。但是他的脚步并未停歇，为了保持身心健康，他坚持每周半天的体育锻炼，遵守良好的生活习惯。他的工作重心是所热爱的教书育人和科研创新，时而也将多年的经历和感悟留下笔墨，为年轻一代积累精神财富。他总结自己的成长道路，概括为：向无凌人志，自强不息；常存济世心，厚德载物；敢于迎困苦，玉汝于成。作为一名中国人，他的核心价值观是忠于祖国和人民，将自己毕生的智慧和力量奉献给祖国。“祖国终将选择那些选择了祖国的人。”这是黄克智等清华前辈传给他的信念，带着这样的信念，庄茁的脚步还在前行。
　　
　　
　　　　
专家简介：
　　
　　庄茁，清华大学航天航空学院教授，先进力学与材料中心主任，原国防“973”项目首席科学家。1995年获爱尔兰国立大学都柏林大学院博士学位，2017年获英国斯旺西大学荣誉博士学位。在动态断裂力学、非线性有限元和亚微米尺度晶体塑性的理论和计算等方面做出国际领先的科学成果；在飞机穿盖弹射救生系统、西气东输管线韧性止裂和页岩水力压裂体积改造等国家重大工程中做出重要的技术成果。培养博士研究生34名和硕士研究生36名。发表学术论文280余篇，含SCI期刊130余篇；出版图书17部，含专著3部（英文1部）、编著9部和译著5部。论文和著作他引6000余次。获得国家级和省部级的科技和教育成果奖励10余项，全国优秀科技工作者，享受国务院政府特殊津贴。北京市科协委员，北京力学会理事长。中国力学学会常务理事、计算力学专业委员会主任委员。国际计算力学学会理事。教育部高等学校力学类专业教学指导委员会副主任委员。