关在"牛棚"里,他靠一把算盘和几麻袋草稿纸,算出了精密仪表的"中国公式"
1968年夏天的兰州,一个被关过"牛棚"的年轻人,在家里完成了一篇谁也没法发表的论文。他的全部计算工具是一把旧算盘、一本对数表,和几麻袋用完的草稿纸——四位数以上的运算,稍错一位就要推倒重来。听到楼道有脚步声,妻子就咳嗽一声,他立刻把稿纸塞进抽屉,换上一本政治刊物摊在桌上。
这篇在"地下"藏了十年才面世的《波纹圆板的特征关系式》,后来改变了中国精密仪器弹性元件靠经验、靠外国公式设计的历史。他叫刘人怀,那年28岁。31年后,他成了极少数横跨中国工程院两个学部的院士。
第七志愿:高分考生的兰州大学
1940年7月20日,刘人怀出生在四川新繁县(今成都市新都区新繁镇)一个书香世家。祖父12岁考中清末最后一代秀才,18岁被官派日本振武学校,加入了同盟会;父亲是中学教师,抗战初投笔从戎。家里兄弟姐妹七人,他读初中以前没穿过一件新衣服,常年靠泡菜送饭。母亲3岁教他背《三字经》,全家人认准一个理:再穷也要读书。
他成绩极好,却在1955年遇到一道迈不过的坎——二哥解放前在台湾做工程师,这层"海外关系"让他入团被拒、留苏预备资格落空。1958年高考,他平均分近90分,名校都不敢录取,最后只走了第七志愿:远在西北的兰州大学数学系。那年兰大600名新生,他是分数最高的一个。9月3日到校,高年级同学端来一盆黄河水:沉淀两小时,就能洗脸了。
入学不久他就展现出天赋:一年级被评为全校几名"红专旗手"之一,参加代号"581工程"的中国第一颗人造卫星"东方红"前期研制,还当了三人试制小组组长,他们做的纸火箭能升到几千米高空。但很快,"海外关系"再次把他调出了项目。
24岁,三篇《科学通报》和一个新方法
转机在1959年。江隆基调任兰州大学校长,钱伟长的得意门生叶开源随之前来创建力学专业。1960年9月,刘人怀成为兰州大学首届固体力学班的学生。叶开源给他的毕业论文题目是"圆底扁薄球壳的非线性稳定问题"——这正是钱学森1939年在冯·卡门指导下开创的方向,此后国际力学界跋涉多年,始终没有令人满意的解法。
刘人怀后来用八个字形容被老师带进前沿的感受:"穴壁而窥,见不盈尺;我登泰山,洞视八极。"1963年他毕业留校,1965年,24岁的他在《科学通报》上连续发表三篇论文,其中开顶扁球壳的非线性稳定研究在国际上尚属首次;更重要的是,他与叶开源共同创立了"修正迭代法",让非线性微分方程的求解变得简捷而精确。这个方法后来贯穿了他一生的研究。
1964年夏天,他在兰州一家工厂发现,技术人员仿制某型航空测高计时,对核心元件锯齿形波纹圆板束手无策——没有理论,就无从设计。他回校申请立项,挨了"不务正业"的批评,拿不到介绍信,就独自埋头研究。他后来才知道,当时全世界只有苏联、日本、美国少数人碰过这个难题,而他成了中国第一个发表波纹圆板论文的学者。
一块32毫米补强板,救活六台大装置
文革开始,他因"海外关系"和"与叶开沅等人划不清界限"被关入"牛棚"。就在最艰难的日子里,科研反而一次次找上门来。
1969年9月,全国石化机械第一大厂——兰州石油化工机器厂告急:仿美试制的六台航空煤油铂重整装置(长10.7米、直径1.9米),因椭球封头开孔处强度不足,水压试验只能到60个大气压,而设计要求80个,过不了关,六台设备就要全部报废。
图书馆关着门,世界上也没有现成的厚壳理论,刘人怀苦战三个月,硬是建立起实用的厚壁圆柱壳弯曲理论,给出应力计算公式,提出在边缘焊接一块32毫米厚补强板的补救方案——只花了很少的钱,六台装置全部复活。
第二年,他又接连解决两道"中国第一"的难题:仿荷兰王牌设备试制的首台大型尿素合成塔(设计压力220个大气压),靠他新建的厚球壳弯曲理论改进成功;首台大型换热分离氨组合设备,按西德专利管板要厚230毫米,国内没有一家工厂造得出,他在国际上首次建立高压固定式热交换器厚管板理论,让设备顺利投产。后来设计压力高达2200个大气压的高压聚乙烯反应器,厚壁开孔的应力集中难题同样是他攻下的。
文革结束,他那把算盘打出来的波纹圆板理论也重见天日。他系统研究了波纹板壳、夹层板壳、复合材料板壳、网格扁壳、单层板壳、双金属扁壳六类板壳的非线性弯曲、稳定和振动;提出的精密仪表弹性元件设计公式被工程界采用,彻底改变了依赖经验和外国公式的历史。世界著名力学家帕纳约托普洛斯评价:这些工作体现了当代国际板壳理论领域科学研究的最高水平。
首批洪堡学者,和暨大的十年校长
1978年,刘人怀调入中国科学技术大学近代力学系。1981年2月,他凭借科研业绩成为首批由西德方面亲自挑选的8名中国洪堡学者之一,也是中科大入选的第一人。他先在哥廷根歌德学院学德语,再到波鸿鲁尔大学世界著名力学家策纳教授的研究室任客座教授,论文开始登上国际权威学报。
1986年他到上海工业大学任副校长;1991年调暨南大学任副校长,1995年12月至2006年1月任校长,其间还兼任党委书记。在高校领导岗位20年,他的治校风格就三个字:务实、认真、严格。他一边当校长,一边带着应用力学研究所继续做研究,一生发表论文200余篇、出版专著7部,培养博士35人、硕士90人。
1999年,他当选中国工程院机械与运载工程学部院士;2000年,又当选工程管理学部首批院士——连续两年跨两个学部当选,这在工程院历史上极为罕见。力学与管理这两条看似不相关的线,在他身上是统一的:板壳理论解决的是工程中"受力多少、会不会坏"的问题,管理研究解决的是"事情怎么组织才能成"的问题,他都用同一套严谨的方法对待。
穴壁而窥,见不盈尺;我登泰山,洞视八极。
—— 刘人怀回忆导师叶开源将自己带入板壳非线性力学前沿,中国工程院官网本人自传刘人怀
出生:1940年7月20日,四川省新繁县(今成都市新都区新繁镇)
学历:1963 年毕业于兰州大学数学力学系力学专业(首届固体力学班);1981—1983 年联邦德国洪堡基金会学者(首批8人之一),波鸿鲁尔大学客座教授
身份:暨南大学教授、博士生导师,1995—2006 年任暨南大学校长(1996—2000 年兼党委书记);后任澳门科技大学常务副校长
主要成就:我国板壳结构理论与应用开拓者之一;1965 年与叶开源共同创立修正迭代法;系统建立六类板壳非线性理论;波纹圆板等弹性元件设计公式结束依赖外国公式历史;国际首创高压热交换器厚管板理论,厚板壳理论用于高压超高压容器与铁路高桥墩;参加东方红卫星前期研制;发表论文200余篇、专著7部
荣誉:中国科学院科技成果二等奖(1982)、国家教委科技进步二等奖(1989)、省部级一等奖4项、国家级有突出贡献中青年专家(1990)、广东省劳动模范(2000)
当选院士:1999 年机械与运载工程学部;2000 年工程管理学部首批院士
从新繁县泡菜送饭的童年,到兰州大学的第七志愿;从"牛棚"里的一把算盘,到国际力学家口中的"最高水平";从被取消卫星研制资格的"政审不合格"学生,到横跨工程院两个学部的院士——刘人怀的人生像极了他研究了一辈子的薄壳:外部压力越大,内里那股非线性的韧劲越能撑住形状。
他在自传里写,妻子为他的"地下科研"站岗放哨的那些夜晚,心中藏之,何日忘之。半个多世纪过去,那几麻袋草稿纸上的数字,早已变成中国仪表、中国压力容器里无声的支撑。