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走进同济大学,寻觅亚洲最古老试验机百年身世——访同济大学航空航天与力学学院院长李岩、原副院长韦林、Tinius Olsen全球销售总监 Martin Wheeler

仪器信息网 2018/06/05 09:47:36 点击 844 次
默克
[导读] 悬挂着“同济440001”设备标牌的10万磅杠杆式拉伸试验机,常会引起参观者的极大兴趣与万分惊讶:这台百年试验机在同济大学实验中心教师长期精心管理和维修下,不但完好无损,而且还能正常的开展拉伸试验。

  百年名校同济大学的力学实验中心是国家级实验教学中心,每当兄弟院校的力学同仁与领导到该实验中心学习交流时,一定少不了参观安置在实验中心的那台百年试验机——悬挂着“同济440001”设备标牌的10万磅杠杆式拉伸试验机(以下简称“440001”),也常常会引起参观者的极大兴趣与万分惊讶:这台百年试验机在同济大学实验中心教师长期精心管理和维修下,不但完好无损,而且还能正常的开展拉伸试验,特别是进行徐变静载试验时具有较高的精度。但这台据称亚洲范围内尚能运作的最古老的试验机的真正“身世”却鲜为人知。

悬挂“同济440001”设备标牌的10万磅杠杆式拉伸试验机

  据介绍,这台“440001”正是由美国Tinius Olsen公司(天氏欧森)的创始人Tinius Olsen先生设计并制造的。近日,“440001”迎来一次特殊的身世揭秘。Tinius Olsen全球销售总监 Martin Wheeler走进同济大学力学实验中心,并邀请同济大学航空航天与力学学院院长李岩教授,以及同济大学对这台“440001”最为了解的原副院长韦林教授共同回顾了这台“440001”的故事和渊源。仪器信息网编辑有幸对三位进行采访,并聆听了整个故事的回顾,现将实录整理成文,一起走进这台“440001”的百年故事。(故事稍长,快速了解请点击以下13min视频,视频由Tinius Olsen公司制作)

  走进同济大学航空航天与力学学院——力学学科历史悠久

  同济大学力学实验中心设立在同济大学航空航天与力学学院,据学院院长李岩教授介绍,航空航天与力学学院的力学学科有着悠久的历史。2004年1月,航空航天与力学学院在原同济大学工程力学与技术系和上海市航空工业学校的基础上成立,而工程力学与技术系在1956年就设立了,在力学方面有着非常悠久的历史。目前,学院教职员工共约90人,教授26位,副教授30位。学科设置方面,本科两个专业,一个就是非常有历史的工程力学专业;另一个则是飞行器制造工程专业,为国家航空航天事业培养人才。研究生培养,有两个一级学科硕士点,一个是力学,一个是航空与航科学与技术,还有一个力学的一级学科博士点。同时还有五个二级学科方向,包括固体力学、流体力学、动力学与控制、工程力学、航空航天材料与结构。近几年,学院逐渐在力学、航空与航、复合材料与结构方面,逐渐形成了三个特色鲜明的研究方向。这三个方向也是相互支撑、三足鼎立的,基础是力学,在此之上开展复合材料与结构,以及航空航天的相关研究工作。

同济大学航空航天与力学学院院长李岩

  同济大学是一个以工科为主的大学,学生也以工科为主,多数学生都要学习力学相关课程,同时也要参加力学的相关实验研究。在力学学科人才培养方面,航空航天与力学学院承担了全校广范围的基础力学课,包括材料力学、理论力学、流体力学等等。同时包括独立设课的课程实验,学院每年力学相关实验课程达到5000个学时,30000个课时。

  在悠久力学学科发展的基础上,学院先后获批了国家级的力学教学示范中心、力学虚拟的国家力学教学示范中心等,即承担了两个国家级力学教学示范中心。力学学科的发展离不开先进的力学测试仪器设备,学院具有比较齐全的力学测试仪器设备,并兼具很高的整体测试水平。从小尺度力学的测试(如学院复合材料方向,从纳米、纤维尺度的测试),到常规材料尺度力学的测试,再到大型结构力学测试(如土木结构、航空航天结构的测试)等,学院都可以完成。从载荷形式来看,从静载到载荷,高频动态力学性能测试等都能完成。除了一次性测试、疲劳测试外,学院还可以实现各种环境下测试、振动方测试等。

  忆历史——寻觅亚洲最古老试验机百年身世

  踏进同济大学力学中心的陈列室,几台“古董”试验机赫然眼前,让人仿佛穿越到了上世纪工业革命时期,陈列室尽头,一间独立的陈列室内,单独陈列着那台“440001”。韦林教授对这台跨世纪百年试验机背后的传奇故事进行了详细描述:

同济大学航空航天与力学学院原副院长韦林教授

  “2004年,我曾接待美国Tinius Olsen Testing Machine Co.的亚洲地区负责人,当他看到我们那台扛杆式拉伸万能试验机时,就告诉许多关于Tinius Olsen 先生与这台试验机的故事。

  他说:Tinius Olsen 先生早期时是一位机械工程师,年轻时从家乡挪威来到美国费城,他的才华被当地的量具厂老板里勒兄弟所赏识,并邀请其加入了其公司。有一次他与里勒先生在船码头喝咖啡时,突然有一条船的蒸汽锅炉发生了爆炸,他们就想是否可制造一架机械来预测钢材料的强度条件,避免结构的强度破坏?通过多次试验与改进后,Tinius Olsen 先生发明了这台扛杆式拉伸万能试验机。到了1880年前后Tinius Olsen 先生申请了这台试验机专利,并因此正式成立了Tinius Olsen Testing Machine Co.公司,现在这家公司已是第五代后裔经营的家族企业。按照公司运行的推算,我们实验中心的那台扛杆式拉伸万能试验机应该是生产于1880年前的跨世纪百年试验机。亚洲地区负责人又说:这是他所看到亚洲地区目前仍可使用最老的拉伸万能试验机。

  在2010年期间我又发了一封信件给了在美国费城的Testing Machine Co.,希望他们能对我们这台扛杆式拉伸万能试验机提供更详细的消息。不久我收到了对方市场销售主管的回复,他在回信中附上一本杂志上刊登Tinius Olsen 公司早期创业的文章,文章中内容证实了那位亚洲地区负责人的介绍。这样看来我们这台试验机还真是一台见证同济实验历史的试验机,难怪在试险机上悬挂着“同济440001”设备标牌。

“同济440001”设备标牌

  同济大学是1907年建校的百年老校,但抗战时上海的旧校址曾被日本侵略者炸为平地,那么这台试验机是如何留存下来的?据我的老师:李宗瑢教授告诉我,这台试验机是在一九五二年全国教育院系调整时,从上海交通大学搬移到同济大学来的,关于这次的搬移还有一个特别不平凡的故事。

  我的另一位老师:原同济大学副校长黄鼎业教授,在上世纪八十年代初到美国学术访问时,相交了美国水力水文学报主编周有德教授,随后周先生回国时参观了我们实验中心,当他看见这台扛杆式拉伸万能试验机时,突然情不自禁的叫了起来。

  周先生激动的告诉我们,上世纪三十年代,他大学毕业后被留在上海交通大学实验室做王达时先生的助教时,这台扛杆式拉伸万能试验机就是由他保养,这是实验室的宝贝疙瘩,当抗战期间日本侵略上海时,上海交通大学师生撤离到大西南,但这位周先生仍挂念着这台宝贝试验机。

  抗战胜利后,他急忙赶回学校原址,可是试险机已不见踪影,经多方寻找才在炼钢炉前找到大部分零件,原来日本军国主义在二次大战临近结束前,将这台试验机拆走,准备冶炼制造枪炮,由于抗日战争胜利结束,日本军国主义者未来得及熔化,这真是万幸啊!通过修复后这台拉伸万能试验机又接着为上海交通大学的实验教学服务。

  后来周先生回母校多次寻访这台牵挂的试验机,但一直没有看到,这次在同济大学遇到“故友”,真是今生有缘。听了这个故事我们也是感悟万千。

  我们已经知道这台标有RLEHLE BRC× PHILA商标的试验机是Tinius Olsen先生与里勒先生在美国费城的量具公司生产,现在我们已无法寻找到里勒先生的后裔,但在Tinius Olsen的公司还留存着早期的一些资料,我们很希望通过Tinius Olsen的公司能帮助我们找到这台试验机上所刻RLEHLE BRC× PHILA的商标和 16494产品编号的详细信息,

  在我们实验中心内除了珍藏这台跨世纪的试验机,还保留着另一台挂着同济440002设备标牌的早期油压式万能试验机(瑞士),我们认为这些跨世纪的力学试验设备不但沉淀着百年同济大学的文化底蕴和发展历史,也见证了中国教育发展史和教育工作者无私奉献的精神。现在我也将这些事情告诉我们实验中心的青年教师,希望他们能与前辈一样为中国的教育事业做出卓越的奉献,让这些与我们朝夕相处的跨世纪试验机继续陪伴着我们的教育里程。”

Tinius Olsen全球销售总监 Martin Wheeler

  韦林教授的描述也激起Tinius Olsen全球销售总监Martin Wheeler先生的很大兴趣。Martin Wheeler先生补充道,“1869年,一位名为Tinius Olsen挪威年轻工程师,为了梦想来到美国费城,一次偶然的机会,他的才华被当地一家名为Riehle的量具厂老板所赏识,并邀请其加入了他们的公司,随后,便有了Tinius Olsen先生在一百三十多年前设计‘440001’的故事,Tinius Olsen先生也即现在Tinius Olsen公司的创始人。

  在那个时候,这台设备被用来测试金属、合金以及建筑材料(当下,我们依然还有这方面的需求)。如今,试验机的应用范围已大大扩展,应用包括测试高强度金属、合金、轻量级高强度的合金、复合材料、纺织品、土工布、智能纺织品、元器件以及整机设备等。我认为同济大学在维护保养这台机器上,做得非常出色,它也是独一无二的。当然,当下市场上还存在很多Tinius Olsen的老设备,比如使用了五、六十年,仍在使用和校准,但像同济大学这台年岁这么大的试验机,确实不多。我认为保护工程、文化遗产十分重要,同时,对于学生也很有好处,因为透过这些‘遗产’,他们可以看到世界工业的发展历程。

  Tinius Olsen公司可能是最早把试验机应用到教育,研发和生产的试验机制造商之一。早期的试验机,比如这台130多年前的‘440001’,都是手工操作的,以图形的形式输出结果,测试曲线的每个点需要由操作者用针在纸张上刺点来记录,因此数据采样频率通常是每2秒一个点(或者称为2Hz),然后操作者用铅笔将针孔连接来得到测试曲线,从而描述材料强度与性能之间的函数关系。

‘440001’用来衡量力值的砝码

  到了20世纪50年代,技术上开始引入电子驱动系统,通过马达驱动来加载力值。力值显示在刻度盘上,测试图表以笔式图表记录仪来实现。这时的采样频率在3到4Hz。

  20世纪70年代,数字显示器取代了刻度盘,试验机演变成为闭环系统,传感器被用来测量力值和位移。

  20世纪80年代,开始用微处理器进行数据的捕获和处理,真正意义上的模拟类型系统成为现实。从此,数据采样频率开始明显上升。现在我们回头看看那些老的处理器,他们看起来很简单,但是在那个时候,是一场巨大的革命。这意味着在那个时候测试结果由手动计算发展成为试验机闭环工作,完全不需要人工干预。

  20世纪90年代,电脑就成为了测试系统的一部分。随着计算机的引入,测试曲线可以在测试过程中实时在屏幕上显示,测试结果可保存下来并在测试后进行重新计算,当然也可以将测试报告以PDF等格式打印出来。

  再发展到当下,我们不会单独去讲设备或者机架,而是一个真正意义上完整的测试系统,或者说是一站式工作台,机架只是这个工作台的一部分。我们可以将各种附件和装置连接到设备上来进行材料性能和强度的测试,采样频率也提高到1000Hz。当然,如今我们关注的是半自动化、全自动化在材料测试中的应用,以及如何利用光学系统将测试报告和测试数据关联起来,这些都是近些年来的发展趋势。”

  看今朝——自动化技术全面发展,2016再回中国市场

  当下,Tinius Olsen基于其优越的历史技术积累,在欧美占据很高的市场份额,相比其他几个早已将中国市场视为重中之重的跨国品牌,Tinius Olsen似乎进入中国市场更晚一些。对此,Martin Wheeler先生表示:“90年代初我来过中国,那是个令人振奋的年代,工业开始真正的发展,中国开始大量出口,制造业也在迅速发展。但遗憾的是,最初我们很难找到合适的合作伙伴。之后,我们在纺织行业找到了一个很好的合作伙伴,并在这个行业中迅速崛起。Tinius Olsen品牌也逐渐在纺织行业被广泛使用,并为行业客户所熟知。

  2016年,试验机相关技术,尤其是半自动化、全自动化方面的发展加快了步伐,并向前迈进了一大步。同时,视频系统开始用来协助测试材料的性能。此时,我们觉得这是Tinius Olsen再次进入中国市场的最好时机,因为我们认为Tinius Olsen具备了相关的产品及这些新技术的能力。另外,我们认为中国市场是有需求的,尤其是制造业。整个制造业正在进入一个先进数字化制造的阶段,而这正是我们能够真正发挥作用的地方。中国的工业领域、相关制造商、科研人员,也确实可以用到我们的产品和技术,我们也相信Tinius Olsen可以帮助他们。因此,2016年Tinius Olsen在上海建立了一个产品和培训中心,并建立了一个充满活力和能力的团队来帮助我们的客户,来满足他们的需求。这就是为什么Tinius Olsen再次来到中国的原因,我们确信在这个领域,Tinius Olsen将有很多机遇。

  交流中,Martin Wheeler还谈到了与科研用户的合作,他认为,作为一个试验机制造商,Tinius Olsen需要与像李院长、韦教授等这样的研究人员密切合作,因为他们站在材料科学和材料工程的最前端,设备商需要了解这个行业的发展方向,这样才能提供技术和产品来满足他们的发展需求。他们按照自己的方式逐步发展,设备商则需要沿着同样的道路,跟着他们的步伐走下去,为他们的需求提供产品、技术支持,从而最终走向制造业实现落地。所以,Tinius Olsen必将与科研用户携手合作。

  同时Martin Wheeler也对Tinius Olsen自己的工程师感到非常自豪,他们大量参与了标准制定的过程,比如美国的ASTM标准,和全球的ISO标准。Tinius Olsen许多工程师都是这些标准委员会的成员,他们始终在做出着很大的贡献,从科研人员那里得到反馈,并应用在产品研发中,让产品可以与时俱进,并满足客户的需求。

  对于合作,李岩教授也表示,首先,科研成果与设备仪器是紧密联系的。一方面,科研工作中需要有非常可信赖的仪器设备,来保证研究中测试的数据是可靠的;另一方面,高水平成果的取得,与高水平测试设备也是紧密相关的。其次,科研工作者还要与科研设备商多多交流沟通,沟通不畅往往造成信息割裂,如设商做出了非常好的设备,但科研工作者不知道,或科研工作者有需求,设备生产厂家却不知道等,加强交流对于双方都会有很大帮助。

  另外,李岩教授还反应,大多数科研工作者还面临着经费紧张的问题,越先进的设备其成本也一定是越高的,每个科研工作者都去自己购买设备并不现实,这就造成许多先进的设备大多科研工作者都用不到。同时,建议搭建一个科研平台,比如高校和设备商共同建立,让一些设备实现共享。如此,在共享过程中,设备商也可以获得很多的信息与收益。

  展未来——极端环境、多尺度、原位、自动化、光学测量

  关于力学测试的研究热点及未来发展,李岩教授认为,以下几方面是当下的研究热点:一是极端环境下的力学性能测试,从国家和科研需求来看,极端环境要求越来越多,这方面还没有更好的设备能满足需求;二是从尺度来讲,一方面是往极小尺度方向,在微纳尺度上的性能测试需求也逐渐增加;另一方面是往大尺度方向,大型结构复杂加载状态下的力学性能测试,比如航空航天结构,其应力是非常复杂的,需要多种加载,而且是要多点响应的设备,将来这方面的需求也是非常大的;三是原位加载的设备,虽然已经有部分相关设备,但技术还不完善,比如说在观察扫描电镜的时候,能够在加载的同时观察微观形貌变化的设备,如果这方面设备能再普及一些,会对力学方面的研究起到很大的促进作用。

  Martin Wheeler先生也补充道,材料力学和测试应用中,有两大方向在飞机和汽车等领域得到广泛发展:一是高强度材料,一是轻型材料。这也是材料科学的发展方向,就试验机而言,也将是两个需要长期突破的重要方向。而单就试验机技术来讲,近期,主要有以下两方面发展趋势:

  第一个趋势是半自动和全自动化。自动化是为了追求更完美的可重复性、优异的可追溯性,在如今变得越来越重要。如果你是向航天工业提供紧固件的供应商,或是提供用于手术的医疗设备的供应商,那么你的产品的可追溯性和材料的可靠性就十分重要,你必须确保每件产品都是100%的零差错。因此,试验机的可追溯性就变得至关重要。所以,当你在做测试的时候,良好的可重复性和可追溯性可以改善测试的不确定性。同时,对于制造商来说,生产力也很关键,试验机只是一个系统、一个工具,而这个工具应该帮助制造商提高生产力,这便是系统的自动化。

  第二个领域是光学测量。今天看到的这台130多年前的“440001”试验机的输出是一组结果,以及一个2D格式的图形数据,来呈现材料的强度和性能。且在接下来的一百年里,并没有发生太大的变化,当然采样频率有所提高,变得更自动化,更快地得到结果,更精确,更高的分辨率,但还依然是2D形式的图形数据。Tinius Olsen投入了大量的精力和资金来研发满足需求的摄像系统。这个摄像系统当然不仅仅是一个网络摄像机、一些图片或一系列的视频帧,而是能够嵌入实时应变数据的视频文件。这意味着在测试后,它可以在虚拟测试环境中重新播放,重新分析,重新计算结果,并且有符合要求的可追溯性。Tinius Olsen目前可以做到,试验机工作站的输出结果,是2D图形数据与嵌入应变数据的实际测试视频。这也将是材料科学与材料测试的一个发展方向。

[来源:仪器信息网]
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