走進同濟大學，尋覓亞洲zui古老試驗機百年身世——訪同濟大學航空航天與力學學院院長李巖、原副院長韋林、Tinius Olsen銷售總監(jiān) Martin Wheeler

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[導讀] 懸掛著“同濟440001”設備標牌的10萬磅杠桿式拉伸試驗機，常會引起參觀者的極大興趣與萬分驚訝：這臺百年試驗機在同濟大學實驗中心教師長期精心管理和維修下，不但完好無損，而且還能正常的開展拉伸試驗。

百年名校同濟大學的力學實驗中心是guo家級實驗教學中心，每當兄弟院校的力學同仁與領(lǐng)導到該實驗中心學習交流時，一定少不了參觀安置在實驗中心的那臺百年試驗機——懸掛著“同濟440001”設備標牌的10萬磅杠桿式拉伸試驗機(以下簡稱“440001”)，也常常會引起參觀者的極大興趣與萬分驚訝：這臺百年試驗機在同濟大學實驗中心教師長期精心管理和維修下，不但完好無損，而且還能正常的開展拉伸試驗，特別是進行徐變靜載試驗時具有較高的精度。但這臺據(jù)稱亞洲范圍內(nèi)尚能運作的zui古老的試驗機的真正“身世”卻鮮為人知。

據(jù)介紹，這臺“440001”正是由美國Tinius Olsen公司(天氏歐森)的創(chuàng)始人Tinius Olsen先生設計并制造的。近日，“440001”迎來一次特殊的身世揭秘。Tinius Olsen銷售總監(jiān) Martin Wheeler走進同濟大學力學實驗中心，并邀請同濟大學航空航天與力學學院院長李巖教授，以及同濟大學對這臺“440001”zui為了解的原副院長韋林教授共同回顧了這臺“440001”的故事和淵源。

同濟大學力學實驗中心設立在同濟大學航空航天與力學學院，據(jù)學院院長李巖教授介紹，航空航天與力學學院的力學學科有著悠久的歷史。2004年1月，航空航天與力學學院在原同濟大學工程力學與技術(shù)系和上海市航空工業(yè)學校的基礎上成立，而工程力學與技術(shù)系在1956年就設立了，在力學方面有著非常悠久的歷史。目前，學院教職員工共約90人，教授26位，副教授30位。學科設置方面，本科兩個專業(yè)，一個就是非常有歷史的工程力學專業(yè);另一個則是飛行器制造工程專業(yè)，為guo家航空航天事業(yè)培養(yǎng)人才。研究生培養(yǎng)，有兩個一級學科碩士點，一個是力學，一個是航空與航科學與技術(shù)，還有一個力學的一級學科博士點。同時還有五個二級學科方向，包括固體力學、流體力學、動力學與控制、工程力學、航空航天材料與結(jié)構(gòu)。近幾年，學院逐漸在力學、航空與航、復合材料與結(jié)構(gòu)方面，逐漸形成了三個特色鮮明的研究方向。這三個方向也是相互支撐、三足鼎立的，基礎是力學，在此之上開展復合材料與結(jié)構(gòu)，以及航空航天的相關(guān)研究工作。

同濟大學是一個以工科為主的大學，學生也以工科為主，多數(shù)學生都要學習力學相關(guān)課程，同時也要參加力學的相關(guān)實驗研究。在力學學科人才培養(yǎng)方面，航空航天與力學學院承擔了全校廣范圍的基礎力學課，包括材料力學、理論力學、流體力學等等。同時包括獨立設課的課程實驗，學院每年力學相關(guān)實驗課程達到5000個學時，30000個課時。

在悠久力學學科發(fā)展的基礎上，學院先后獲批了guo家級的力學教學示范中心、力學虛擬的guo家力學教學示范中心等，即承擔了兩個guo家級力學教學示范中心。力學學科的發(fā)展離不開力學測試儀器設備，學院具有比較齊全的力學測試儀器設備，并兼具很高的整體測試水平。從小尺度力學的測試(如學院復合材料方向，從納米、纖維尺度的測試)，到常規(guī)材料尺度力學的測試，再到大型結(jié)構(gòu)力學測試(如土木結(jié)構(gòu)、航空航天結(jié)構(gòu)的測試)等，學院都可以完成。從載荷形式來看，從靜載到載荷，高頻動態(tài)力學性能測試等都能完成。除了一次性測試、疲勞測試外，學院還可以實現(xiàn)各種環(huán)境下測試、振動方測試等。

憶歷史——尋覓亞洲zui古老試驗機百年身世

踏進同濟大學力學中心的陳列室，幾臺“古董”試驗機赫然眼前，讓人仿佛穿越到了上世紀工業(yè)革命時期，陳列室盡頭，一間獨立的陳列室內(nèi)，單獨陳列著那臺“440001”。韋林教授對這臺跨世紀百年試驗機背后的傳奇故事進行了詳細描述：“2004年，我曾接待美國Tinius Olsen Testing Machine Co.的亞洲地區(qū)負責人，當他看到我們那臺扛桿式拉伸wan能試驗機時，就告訴許多關(guān)于Tinius Olsen 先生與這臺試驗機的故事。

他說：Tinius Olsen 先生早期時是一位機械工程師，年輕時從家鄉(xiāng)挪威來到美國費城，他的才華被當?shù)氐牧烤邚S老板里勒兄弟所賞識，并邀請其加入了其公司。有一次他與里勒先生在船碼頭喝咖啡時，突然有一條船的蒸汽鍋爐發(fā)生了爆炸，他們就想是否可制造一架機械來預測鋼材料的強度條件，避免結(jié)構(gòu)的強度破壞?通過多次試驗與改進后，Tinius Olsen 先生發(fā)明了這臺扛桿式拉伸wan能試驗機。到了1880年前后Tinius Olsen 先生申請了這臺試驗機，并因此正式成立了Tinius Olsen Testing Machine Co.公司，現(xiàn)在這家公司已是第五代后裔經(jīng)營的家族企業(yè)。按照公司運行的推算，我們實驗中心的那臺扛桿式拉伸wan能試驗機應該是生產(chǎn)于1880年前的跨世紀百年試驗機。亞洲地區(qū)負責人又說：這是他所看到亞洲地區(qū)目前仍可使用zui老的拉伸wan能試驗機。

在2010年期間我又發(fā)了一封信件給了在美國費城的Testing Machine Co.，希望他們能對我們這臺扛桿式拉伸wan能試驗機提供更詳細的消息。不久我收到了對方市場銷售主管的回復，他在回信中附上一本雜志上刊登Tinius Olsen 公司早期創(chuàng)業(yè)的文章，文章中內(nèi)容證實了那位亞洲地區(qū)負責人的介紹。這樣看來我們這臺試驗機還真是一臺見證同濟實驗歷史的試驗機，難怪在試險機上懸掛著“同濟440001”設備標牌。

同濟大學是1907年建校的百年老校，但抗戰(zhàn)時上海的舊校址曾被日本侵略者炸為平地，那么這臺試驗機是如何留存下來的?據(jù)我的老師：李宗瑢教授告訴我，這臺試驗機是在一九五二年全國教育院系調(diào)整時，從上海交通大學搬移到同濟大學來的，關(guān)于這次的搬移還有一個特別不平凡的故事。

我的另一位老師：原同濟大學副校長黃鼎業(yè)教授，在上世紀八十年代初到美國學術(shù)訪問時，相交了美國水力水文學報主編周有德教授，隨后周先生回國時參觀了我們實驗中心，當他看見這臺扛桿式拉伸wan能試驗機時，突然情不自禁的叫了起來。

周先生激動的告訴我們，上世紀三十年代，他大學畢業(yè)后被留在上海交通大學實驗室做王達時先生的助教時，這臺扛桿式拉伸wan能試驗機就是由他保養(yǎng)，這是實驗室的寶貝疙瘩，當抗戰(zhàn)期間日本侵略上海時，上海交通大學師生撤離到大西南，但這位周先生仍掛念著這臺寶貝試驗機。

抗戰(zhàn)勝利后，他急忙趕回學校原址，可是試險機已不見蹤影，經(jīng)多方尋找才在煉鋼爐前找到大部分零件，原來日本在二次大戰(zhàn)臨近結(jié)束前，將這臺試驗機拆走，準備冶煉炮，由于 戰(zhàn)爭勝利結(jié)束，日本 者未來得及熔化，這真是萬幸啊!通過修復后這臺拉伸wan能試驗機又接著為上海交通大學的實驗教學服務。

后來周先生回母校多次尋訪這臺牽掛的試驗機，但一直沒有看到，這次在同濟大學遇到“故友”，真是今生有緣。聽了這個故事我們也是感悟萬千。

我們已經(jīng)知道這臺標有RLEHLE BRC× PHILA商標的試驗機是Tinius Olsen先生與里勒先生在美國費城的量具公司生產(chǎn)，現(xiàn)在我們已無法尋找到里勒先生的后裔，但在Tinius Olsen的公司還留存著早期的一些資料，我們很希望通過Tinius Olsen的公司能幫助我們找到這臺試驗機上所刻RLEHLE BRC× PHILA的商標和 16494產(chǎn)品編號的詳細信息，

在我們實驗中心內(nèi)除了珍藏這臺跨世紀的試驗機，還保留著另一臺掛著同濟440002設備標牌的早期油壓式wan能試驗機(瑞士)，我們認為這些跨世紀的力學試驗設備不但沉淀著百年同濟大學的文化底蘊和發(fā)展歷史，也見證了中國教育發(fā)展史和教育工作者無私奉獻的精神。現(xiàn)在我也將這些事情告訴我們實驗中心的青年教師，希望他們能與前輩一樣為中國的教育事業(yè)做出的奉獻，讓這些與我們朝夕相處的跨世紀試驗機繼續(xù)陪伴著我們的教育里程。”

韋林教授的描述也激起Tinius Olsen銷售總監(jiān)Martin Wheeler先生的很大興趣。Martin Wheeler先生補充道，“1869年，一位名為Tinius Olsen挪威年輕工程師，為了夢想來到美國費城，一次偶然的機會，他的才華被當?shù)匾患颐麨镽iehle的量具廠老板所賞識，并邀請其加入了他們的公司，隨后，便有了Tinius Olsen先生在一百三十多年前設計‘440001’的故事，Tinius Olsen先生也即現(xiàn)在Tinius Olsen公司的創(chuàng)始人。

在那個時候，這臺設備被用來測試金屬、合金以及建筑材料(當下，我們依然還有這方面的需求)。如今，試驗機的應用范圍已大大擴展，應用包括測試高強度金屬、合金、輕量級高強度的合金、復合材料、紡織品、土工布、智能紡織品、元器件以及整機設備等。我認為同濟大學在維護保養(yǎng)這臺機器上，做得非常出色，它也是du一無二的。當然，當下市場上還存在很多Tinius Olsen的老設備，比如使用了五、六十年，仍在使用和校準，但像同濟大學這臺年歲這么大的試驗機，確實不多。我認為保護工程、文化遺產(chǎn)十分重要，同時，對于學生也很有好處，因為透過這些‘遺產(chǎn)’，他們可以看到世界工業(yè)的發(fā)展歷程。

Tinius Olsen公司可能是zui早把試驗機應用到教育，研發(fā)和生產(chǎn)的試驗機制造商之一。早期的試驗機，比如這臺130多年前的‘440001’，都是手工操作的，以圖形的形式輸出結(jié)果，測試曲線的每個點需要由操作者用針在紙張上刺點來記錄，因此數(shù)據(jù)采樣頻率通常是每2秒一個點(或者稱為2Hz)，然后操作者用鉛筆將針孔連接來得到測試曲線，從而描述材料強度與性能之間的函數(shù)關(guān)系。

到了20世紀50年代，技術(shù)上開始引入電子驅(qū)動系統(tǒng)，通過馬達驅(qū)動來加載力值。力值顯示在刻度盤上，測試圖表以筆式圖表記錄儀來實現(xiàn)。這時的采樣頻率在3到4Hz。

20世紀70年代，數(shù)字顯示器取代了刻度盤，試驗機演變成為閉環(huán)系統(tǒng)，傳感器被用來測量力值和位移。

20世紀80年代，開始用微處理器進行數(shù)據(jù)的捕獲和處理，真正意義上的模擬類型系統(tǒng)成為現(xiàn)實。從此，數(shù)據(jù)采樣頻率開始明顯上升。現(xiàn)在我們回頭看看那些老的處理器，他們看起來很簡單，但是在那個時候，是一場巨大的革命。這意味著在那個時候測試結(jié)果由手動計算發(fā)展成為試驗機閉環(huán)工作，*不需要人工干預。

20世紀90年代，電腦就成為了測試系統(tǒng)的一部分。隨著計算機的引入，測試曲線可以在測試過程中實時在屏幕上顯示，測試結(jié)果可保存下來并在測試后進行重新計算，當然也可以將測試報告以PDF等格式打印出來。

再發(fā)展到當下，我們不會單獨去講設備或者機架，而是一個真正意義上完整的測試系統(tǒng)，或者說是一站式工作臺，機架只是這個工作臺的一部分。我們可以將各種附件和裝置連接到設備上來進行材料性能和強度的測試，采樣頻率也提高到1000Hz。當然，如今我們關(guān)注的是半自動化、全自動化在材料測試中的應用，以及如何利用光學系統(tǒng)將測試報告和測試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，這些都是近些年來的發(fā)展趨勢。”

看今朝——自動化技術(shù)全面發(fā)展，2016再回中國市場

當下，Tinius Olsen基于其*的歷史技術(shù)積累，在歐美占據(jù)很高的*，相比其他幾個早已將中國市場視為重中之重的跨國品牌，Tinius Olsen似乎進入中國市場更晚一些。對此，Martin Wheeler先生表示：“90年代初我來過中國，那是個令人振奮的年代，工業(yè)開始真正的發(fā)展，中國開始大量出口，制造業(yè)也在迅速發(fā)展。但遺憾的是，zui初我們很難找到合適的合作伙伴。之后，我們在紡織行業(yè)找到了一個很好的合作伙伴，并在這個行業(yè)中迅速崛起。Tinius Olsen品牌也逐漸在紡織行業(yè)被guang泛使用，并為行業(yè)客戶所熟知。

2016年，試驗機相關(guān)技術(shù)，尤其是半自動化、全自動化方面的發(fā)展加快了步伐，并向前邁進了一大步。同時，視頻系統(tǒng)開始用來協(xié)助測試材料的性能。此時，我們覺得這是Tinius Olsen再次進入中國市場的時機，因為我們認為Tinius Olsen具備了相關(guān)的產(chǎn)品及這些新技術(shù)的能力。另外，我們認為中國市場是有需求的，尤其是制造業(yè)。整個制造業(yè)正在進入一個先進數(shù)字化制造的階段，而這正是我們能夠真正發(fā)揮作用的地方。中國的工業(yè)領(lǐng)域、相關(guān)制造商、科研人員，也確實可以用到我們的產(chǎn)品和技術(shù)，我們也相信Tinius Olsen可以幫助他們。因此，2016年Tinius Olsen在上海建立了一個產(chǎn)品和培訓中心，并建立了一個充滿活力和能力的團隊來幫助我們的客戶，來滿足他們的需求。這就是為什么Tinius Olsen再次來到中國的原因，我們確信在這個領(lǐng)域，Tinius Olsen將有很多機遇。

交流中，Martin Wheeler還談到了與科研用戶的合作，他認為，作為一個試驗機制造商，Tinius Olsen需要與像李院長、韋教授等這樣的研究人員密切合作，因為他們站在材料科學和材料工程的zui前端，設備商需要了解這個行業(yè)的發(fā)展方向，這樣才能提供技術(shù)和產(chǎn)品來滿足他們的發(fā)展需求。他們按照自己的方式逐步發(fā)展，設備商則需要沿著同樣的道路，跟著他們的步伐走下去，為他們的需求提供產(chǎn)品、技術(shù)支持，從而zui終走向制造業(yè)實現(xiàn)落地。所以，Tinius Olsen必將與科研用戶攜手合作。

同時Martin Wheeler也對Tinius Olsen自己的工程師感到非常自豪，他們大量參與了標準制定的過程，比如美國的ASTM標準，和的ISO標準。Tinius Olsen許多工程師都是這些標準委員會的成員，他們始終在做出著很大的貢獻，從科研人員那里得到反饋，并應用在產(chǎn)品研發(fā)中，讓產(chǎn)品可以與時俱進，并滿足客戶的需求。

對于合作，李巖教授也表示，首先，科研成果與設備儀器是緊密聯(lián)系的。一方面，科研工作中需要有非常可信賴的儀器設備，來保證研究中測試的數(shù)據(jù)是可靠的;另一方面，高水平成果的取得，與高水平測試設備也是緊密相關(guān)的。其次，科研工作者還要與科研設備商多多交流溝通，溝通不暢往往造成信息割裂，如設商做出了非常好的設備，但科研工作者不知道，或科研工作者有需求，設備生產(chǎn)廠家卻不知道等，加強交流對于雙方都會有很大幫助。

另外，李巖教授還反應，大多數(shù)科研工作者還面臨著經(jīng)費緊張的問題，越設備其成本也一定是越高的，每個科研工作者都去自己購買設備并不現(xiàn)實，這就造成許多設備大多科研工作者都用不到。同時，建議搭建一個科研平臺，比如高校和設備商共同建立，讓一些設備實現(xiàn)共享。如此，在共享過程中，設備商也可以獲得很多的信息與收益。

展未來——環(huán)境、多尺度、原位、自動化、光學測量

關(guān)于力學測試的研究熱點及未來發(fā)展，李巖教授認為，以下幾方面是當下的研究熱點：一是環(huán)境下的力學性能測試，從guo家和科研需求來看，環(huán)境要求越來越多，這方面還沒有更好的設備能滿足需求;二是從尺度來講，一方面是往極小尺度方向，在微納尺度上的性能測試需求也逐漸增加;另一方面是往大尺度方向，大型結(jié)構(gòu)復雜加載狀態(tài)下的力學性能測試，比如航空航天結(jié)構(gòu)，其應力是非常復雜的，需要多種加載，而且是要多點響應的設備，將來這方面的需求也是非常大的;三是原位加載的設備，雖然已經(jīng)有部分相關(guān)設備，但技術(shù)還不完善，比如說在觀察掃描電鏡的時候，能夠在加載的同時觀察微觀形貌變化的設備，如果這方面設備能再普及一些，會對力學方面的研究起到很大的促進作用。

Martin Wheeler先生也補充道，材料力學和測試應用中，有兩大方向在飛機和汽車等領(lǐng)域得到guang泛發(fā)展：一是高強度材料，一是輕型材料。這也是材料科學的發(fā)展方向，就試驗機而言，也將是兩個需要長期突破的重要方向。而單就試驗機技術(shù)來講，近期，主要有以下兩方面發(fā)展趨勢：

個趨勢是半自動和全自動化。自動化是為了追求更的可重復性、優(yōu)異的可追溯性，在如今變得越來越重要。如果你是向航天工業(yè)提供緊固件的供應商，或是提供用于手術(shù)的醫(yī)療設備的供應商，那么你的產(chǎn)品的可追溯性和材料的可靠性就十分重要，你必須確保每件產(chǎn)品都是99.99%的零差錯。因此，試驗機的可追溯性就變得至關(guān)重要。所以，當你在做測試的時候，良好的可重復性和可追溯性可以改善測試的不確定性。同時，對于制造商來說，生產(chǎn)力也很關(guān)鍵，試驗機只是一個系統(tǒng)、一個工具，而這個工具應該幫助制造商提高生產(chǎn)力，這便是系統(tǒng)的自動化。

第二個領(lǐng)域是光學測量。jin天看到的這臺130多年前的“440001”試驗機的輸出是一組結(jié)果，以及一個2D格式的圖形數(shù)據(jù)，來呈現(xiàn)材料的強度和性能。且在接下來的一百年里，并沒有發(fā)生太大的變化，當然采樣頻率有所提高，變得更自動化，更快地得到結(jié)果，更，更高的分辨率，但還依然是2D形式的圖形數(shù)據(jù)。Tinius Olsen投入了大量的精力和資金來研發(fā)滿足需求的攝像系統(tǒng)。這個攝像系統(tǒng)當然不僅僅是一個網(wǎng)絡攝像機、一些圖片或一系列的視頻幀，而是能夠嵌入實時應變數(shù)據(jù)的視頻文件。這意味著在測試后，它可以在虛擬測試環(huán)境中重新播放，重新分析，重新計算結(jié)果，并且有符合要求的可追溯性。Tinius Olsen目前可以做到，試驗機工作站的輸出結(jié)果，是2D圖形數(shù)據(jù)與嵌入應變數(shù)據(jù)的實際測試視頻。這也將是材料科學與材料測試的一個發(fā)展方向。