概述

简介

结构力学研究

细观力学模型

复合材料界面

简历

著作

概述

蒋咏秋，1920年9月生于厚余。1942年毕业于武汉大学土木工程系。1947年考取美国明尼苏达大学土木工程系攻读研究生。1950年获博士学位。1951年回国后，长期在西安交通大学任教，历任数理力学系副主任、工程力学系主任，教授。1997年起任美国明尼苏达大学客座教授。有《弹性力学基础》等多部著作，并在国内外学刊上发表多篇学术论文。曾任陕西省科协副主席、陕西省力学学会副理事长，现任中国复合材料学会常务理事、西安市政协副主席、九三学社西安市主任委员。享受政府特殊津贴。

简介

蒋咏秋，1920年9月10日出生于江苏省常州市武进县。少年时期正值军阀混战，故而经常停学逃难。七七事变后，沪战相继爆发，家乡沦陷，他自己流亡至四川，被收容在合川县四川中学读高中。国耻家仇，促使他刻苦学习，后以全班第一名的成绩保送到西北工学院学习。他立志“航空救国”，就读于航空工程系，后又转入当时迁到四川乐山县的武汉大学土木工程系学习。在艰苦的学习环境中，又以全系最优成绩于1942年获得工学士学位。抗日战争胜利后，他考取自费留学。1947年到美国明尼苏达大学攻读硕士及博士学位，主修结构力学，副修工程数学，仅以一学年的时间获得了硕士学位，并获得凯文奖学金。继之，又用了两年时间以优异成绩获得了博士学位。毕业后，在美国明尼阿波利斯市哥尔多建筑结构设计事务所任工程师，从事房屋结构应力分析和设计工作。他设计的许多工厂、学校、教堂至今完好地耸立在美国明尼苏达州的各地。

中华人民共和国成立后，祖国号召在国外的留学生回国参加建设。伍修权在联合国大会的发言，激荡了他的心。这时，西北农学院向他发了聘书，他谢绝了美国师长、同学及同事们的挽留，抛弃了优厚的生活待遇和工作条件，毅然于1951年1月回国，并自愿到环境较艰苦的西北地区工作，担任西北农学院水利系主任及教授。他开设结构力学、钢筋混凝土结构及钢木结构设计、工程数学等课程。

1957年院系调整，他调到西安交通大学，先后任水利系、数理力学系副主任和工程力学系主任。他是该校工程力学专业的创始人之一。蒋咏秋为力学专业第一届新生作专业报告；并与其他教师一起制订专业教学计划、师资培养计划及筹建实验室。他亲自讲授弹性力学、塑性力学等课，并自编教材、指导学生写毕业论文和下厂进行生产实习。他所在的工程力学系已为祖国培养出一大批优秀的力学人才。该系在改革开放后，发展更快，已建立起机械结构强度和振动国家重点实验室、博士点、博士后流动站和国家重点学科（固体力学）。

在“文化大革命”期间，蒋咏秋虽然受到迫害，但他坚信中国共产党和社会主义，坚信祖国的未来，坚信知识就是力量。“文化大革命”之后，他担任了工程力学系主任，除了教学科研外，还带头做学生的思想政治工作，教书育人。他先后正式出版了《塑性力学基础》、《弹性力学基础》以及《复合材料力学》3本著作。

《塑性力学》

1979年12月，国家派蒋咏秋组团到美国参加国际性的美国机械工程师冬季年会。在那次年会上，他被邀请在应用力学分组会上作了题为《中国高等学校力学专业的教学和科研》的报告，引起了与会者的兴趣，也扩大了祖国的影响。会后，到美国明尼苏达大学访问，他回到了一别29年的母校，受到了热烈的欢迎。通过这次年会，蒋咏秋发现国外对复合材料的研究和开发进展很快，这种新型材料被称为21世纪最有发展前途的结构材料。蒋咏秋意识到，作为一项高技术，复合材料不仅可以满足单一材料无法达到的性能要求，给人们在选择和设计材料时提供更多的自由度，而且能够从本身的发展中带动其他产业和科研领域的发展。中国要实现四个现代化，不发展高科技，不发展复合材料是不行的。蒋咏秋决心探索这个新的领域，为复合材料科学在中国的发展洒下自己的汗水。

从美国归来，蒋咏秋立即向有关部门提供了这个信息和研究报告。然后在西安交通大学力学系开设了复合材料力学课，派教师出国进修。他自己也潜心进入复合材料的研究之中。10年时间里，他完成的关于复合材料力学的论文达60余篇。其中25篇被国内外权威刊物录用或在国际会议上交流。

他的论文和学术思想引起了国外学者的兴趣和关注。近九年来，蒋咏秋共接受了国外70所大学和研究机构的邀请，前去讲学、进行合作研究和参加国际学术会议。他在国外的学术活动，为祖国争了光。美国辛辛那提大学原工学院院长、著名力学家凡拉尼斯说：“蒋咏秋教授设的讲座，对提高辛辛那提大学工学院的学术水平作出了巨大贡献，他编著和讲授的教材是一本优秀教材。”里海大学工学院长、著名断裂力学家欧度根教授说：“蒋教授的讲授能使我们工学院各系的80多位研究生产生浓厚兴趣，富有启发性。”辛辛那提大学材料系著名复合材料学家林瑞阳说：“蒋咏秋就涂层材料分析和设计所做的研究成果引起了我们6位研究生的兴趣，有的已引入他们的论文，有的要进行深入研究。”

他在佛罗里达讲学时，座无虚席，甚至教室后墙下也站满了人，当地的新闻记者也来采访。这时，他深深感到“中国人”这三个字顶天立地，金光闪闪。中国知识分子只有在社会主义祖国的怀抱里，才能求得光荣的归宿。

蒋咏秋曾任中国力学学会第一、第二届理事，科普工作委员会副主任，陕西省力学学会副理事长，陕西省科学技术协会委员。现为中国复合材料学会常务理事及教育与科普工作委员会主任委员，陕西省复合材料学会副理事长及学术委员会主任委员， 《应用数学和力学》学报及《复合材料》学报编委。西安市政协副主席，九三学社陕西省委常委，九三学社西安市委主任委员。

结构力学研究

蒋咏秋在美国明尼苏达大学的博士论文是《钢索吊桥的静力及动力分析研究》 。他用有限差分法进行钢索吊桥的静力分析，并在风载作用下对吊桥进行动力分析，其计算结果与在风洞中进行的模型试验相吻合。论文的结论是：为了有效地抗击风载，钢索吊桥的桥面结构采用桁架远比板梁为好。这也为风洞试验所证实。美国西雅图附近的钢索吊桥是板梁桥面，后被风载摧毁，实践也证明了论文的结论是正确的。这个建议已被钢索吊桥结构人员采纳，并应用在设计中。

70年代末，蒋咏秋从事纤维增强复合材料层合板壳优化设计的研究。他首先提出，对这种结构的设计必须考虑设计准则，其中包括刚度、稳定性及振动。因此要求估算这些板壳的挠度、屈曲载荷（承受轴向压力及剪切力）及固有频率。由于复合材料层合板壳的这些特性主要取决于纤维的铺设方向，因而进行优化设计的实质就是寻求最合适的层合板壳的纤维方向，以达到最小挠度、最大屈曲载荷及最高的固有频率（最低阶）。他把此命题归结为没有约束的优化问题。目标函数是挠度、屈曲载荷及固有频率。设计变量是纤维方向。已知参数为材料性质、各个单层板（壳）的厚度、层数及层合板（壳）的长宽比。由于目标函数是设计变量的复杂函数，蒋咏秋提出求解这类问题必须借助于优化技术。层合板（壳）的挠度、承受轴压的屈曲载荷及固有频率都是设计变量的显函数，优化法采用变尺度法，并且求解一维最小值时采用黄金分割法；而承受剪切的屈曲载荷是纤维铺设角的隐函数，因此，选用鲍威尔法。他和他的同事们应用了上述复合材料层合壳的优化理论设计了2．5万千瓦发电机复合材料护环，安装在南昌中心变电站的电机上，运转一直正常。这项成果可以不再从国外进口抗磁合金钢来制造电机护环，从而为国家节省了外汇，并为复合材料应用在机械工业迈出了可喜的一步。这一课题是机械工业部六五攻关项目，经国家鉴定，达到国内先进水平，获得国家科委、国家计委及财政部的优秀成果奖。

为了使导弹壳体轴向位移约束到许可范围内，他指导的研究生利用上述优化设计理论提出了采用混杂复合材料的新设计方案，受到航天部门有关单位的高度重视。

1986年初，中国为了筹办第十一届亚运会，拟建造容纳5万人以上大跨度的复合材料薄膜结构。所用的材料基体是聚四氟乙烯，增强材料是玻璃纤维织物。但这种材料是美国杜邦公司的专利，美国盖戈－巴格公司索要高价。蒋咏秋闻讯后，趁在日本参加国际壳体结构会议的机会，到上述美国公司在东京后乐园建造的棒球馆参观，考察这个空气支承薄膜结构。回国后，他带领研究生到四川富顺化工厂调查，将该厂生产的薄膜材料带回学校进行力学性能、耐天候性能等项试验，写成报告向该厂提出改进产品的意见。与此同时，他们还对上述充气薄膜结构进行了静力与动力分析，并将此项研究成果编入《复合材料力学》专著中。由于该书首次发表了薄膜结构的研究成果，引起了国内建筑结构、材料科学方面的研究和设计人员的重视。

细观力学模型

一般而言，结构构件或机械零件的挠度及动态特性由刚度所控制，承载能力和抗损伤阻力由强度控制，而可靠性及安全度则由寿命控制。在复合材料的损伤研究中，蒋咏秋认为要解决这一问题必须着手寻求复合材科残余刚度和残余寿命间的关系。他还认为残余刚度的试验数据比残余强度要密集，容易找出它随循环载荷次数变化的规律。 他考虑到导致复合材料损伤的因素很多，而且它们交织在一起，相互影响，十分复杂，因此，他采用了建立单一损伤因素导致复合材料的刚度下降与残余寿命间的关系的分析方案。他从每一种损伤因素导致的损伤机理出发，根据电子扫描显微镜观测所得到的微观结构，建立数学模型，用宏观力学原理进行分析，然后再用实验进行验证。这种根据断裂机理建立细观力学模型，应用宏观力学及断裂力学原理分析复合材料的损伤，从而寻求微裂纹的传播及其历史间的函数关系的方法，目前正推广到多相材料中去。

几年来，蒋咏秋和他的同事们已应用上述细观力学模型的损伤力学方法成功地分析了层合复合材料的横向裂纹、纤维断裂、纤维与基体间的界面脱胶和层间分层对刚度的影响，并用线弹性断裂力学原理，建立了刚度下降与残余载荷循环次数之间的关系，基本上解决了复合材料疲劳寿命问题。这些成果已在国内外重要的复合材料学术会议上发表。

蒋咏秋深有感触地说：“力学工作者必须与工程实际相联系，要深入到材料科学与工程中去，和材料工作者、工程技术工作者相结合，才富有生命力。”

复合材料界面

蒋咏秋从复合材料疲劳与损伤的研究中，逐步认识到复合材料界面的重要性，现正从事界面理论及测试的研究。在用声发射技术测试聚合物基复合材料的纤维与基体间的界面剪切强度已取得成果。 他在研究层合复合材料界面脱胶对刚度下降的影响时，从损伤显微结构图中观察到，纤维的断裂导致了靠近断裂处的纤维基体界面产生很高的剪切应力。如果这个应力超过了界面的剪切强度，断裂处附着的纤维将会与基体产生脱粘。因此，他认为这个界面的剪切强度是复合材料的重要力学参数，而这些数据在现有文献上寥若晨星。因此，他申请了一项国家自然科学基金，进行聚合物基复合材料界面剪切强度的测试研究。经过与国防科技大学的协作，已成功地用声发射技术确定纤维断裂的位置，从而决定了纤维断裂段的长度分布。他采用了含有单纤维丝的聚合物基复合材料试件，并建立了细观力学的模型。这样，根据纤维断裂段的长度，可确定纤维和基体之间的界面剪切强度。

这种测试方法特别适用于不透明的复合材料基体，因而有可能用它来测定金属基和陶瓷基复合材料的界面剪切强度。蒋咏秋正从事这两种基体复合材料界面剪切测试的研究。但是他又面临着两个难题：其一是要制备这种基体的单纤维丝试件，并要保证单丝笔直。为解决这一难题，他深入研究了化学气相沉积法、化学气相渗透法、物理气相沉积法、热压法和溶液－凝胶法等工艺方法。另一难题是用声发射仪测试陶瓷基复合材料单丝试件时，由于陶瓷和纤维都很脆，断裂应变都很小，有可能陶瓷基的裂纹信号与纤维断裂信号混合在一起，则仪器发出的声发射信号就难以辨别。于是他在考虑用频谱分析法分离信号。此外，他还在探索用显微硬度压痕仪测试金属基和陶瓷基复合材料的界面剪切强度。

所谓复合材料的界面实质上是纳米级以上厚度的界面相或称层面层作为结构复合材料中的界面层的作用，首先是施加在整体上的力，由基体通过界面层传递到增强纤维。这就需要有足够的界面粘接强度。但是蒋咏秋认为界面粘接强度并不是愈大愈好，而是界面层的粘接要适度，要能使界面在一定的应力条件下脱粘，并使增强纤维从基体中拔出且发生摩擦，从而藉助脱粘增大表面能、拔出功和摩擦功等形式吸收外加载荷的能量，以达到提高复合材料的断裂韧性。

陶瓷基复合材料用于固体火箭发动机具有熔点高、能承受高温，耐磨损、耐氧化、耐腐蚀等优点。但是它塑性变形能力差，易发生脆性破坏。因此增强陶瓷基复合材料的断裂韧性十分重要。蒋咏秋结合陶瓷基界面剪切强度测试工作，对这种复合材料的界面层的控制与设计进行研究。

蒋咏秋不久前访问美国时，曾在辛辛那提大学材料系进行涂层材料的力学分析和优化设计研究。在那里，涂层材料很薄，与基体之间同样存在着温度残余应力的问题。他根据涂层材料的厚度很小，把基体作为半无限材料建立细观力学模型，根据界面上两相材料的变形要一致才能不发生脱粘的条件，导出了温度残余应力的计算公式。然后根据涂层材料的断裂分别发生在涂层、基体及界面这三种情况，以及线弹性断裂力学的断裂准则，建立了不致断裂的最大允许涂层材料厚度。但涂层材料厚度并不是愈小愈好，太薄了会起不了抗氧化、抗磨损等作用，因此，对厚度的设计也有一个优化问题。这项合作研究成果引起了辛辛那提大学材料系师生的浓厚兴趣。

蒋咏秋认为这项合作研究实际上属于界面断裂力学的范畴，推导的残余应力公式也可以应用到陶瓷基复合材料的界面设计问题上。但是，他强调这种复合材料的界面层十分复杂。界面层是一种新的化合物，如何对它进行化学表征，它的厚度形貌如何，它的力学性能和基体、增强纤维的关系如何，会涉及到化学热力学、动力学的问题。因此，他在思考如何控制和设计陶瓷基的界面，以使这种材料的断裂韧性最小。蒋咏秋深深认识到自己的知识远远不能满足课题要求，要和材料、化学、物理、机械等方面的研究人员合作，才有可能通过界面问题的研究来改进工艺，从而生产出达到预期断裂韧性的陶瓷基复合材料。

蒋咏秋常常强调：材料科学发展到今天，已从被动转为主动，要求科学家能设计出达到预期力学性能的结构材料来。这就必须要力学工作者真正深入到材料科学中去，与材料、化学、物理和工程部门通力协作，才能适应国际上高科技剧烈竞争的今天。

简历

1920年9月10日　生于江苏省常州市武进县。

1938—1939年　西北工学院航空工程系学习。

1939—1942年　武汉大学土木工程系学习，1942年毕业，获工学士学位。

1942年　任资源委员会岷江电厂大渡河水力发电勘察处技术员。

1947—1948年　美国明尼苏达大学学习，1948年获结构工程硕士学位，

1950年　获结构力学博士学位。

1949—1950年　任美国明尼阿波利斯市哥尔多建筑结构设计事务所工程师。

1951—1957年　任西北农学院水利系教授、主任。

1957—1966年　先后任西安交通大学水利系、数理力学系教授、副主任。

1959—1978年　任西安交通大学应用力学教研室教授。

1964年　任陕西省力学学会副理事长。

1979—1983年　任西安交通大学工程力学系教授、主任。

1957—1986年　任中国力学学会第一、第二届理事。

1989年　任中国复合材料学会常务理事。

1990年　任陕西省复合材料学会副理事长。

1991年　任陕西省复合材料学会学术委员会主任委员。

著作

1　蒋咏秋，穆霞英．塑性力学基础．北京：机械工业出版社，1981．

2　蒋咏秋．纤维增强复合材料层合板的优化设计．计算结构力学及其应用，1984，1（1）．

3　蒋咏秋主编，李建勋，张治强．弹性力学基础．西安：陕西科学技术出版社，1984．

4　蒋咏秋，陆逢升，顾志建．复合材料力学．西安：西安交通大学出版社，1990．