走進同濟大學(xué)，尋覓亞洲zui古老試驗機百年身世——訪同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)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(dǎo)讀] 懸掛著“同濟440001”設(shè)備標(biāo)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(xué)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(xué)的力學(xué)實驗中心是guo家級實驗教學(xué)中心，每當(dāng)兄弟院校的力學(xué)同仁與領(lǐng)導(dǎo)到該實驗中心學(xué)習(xí)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(shè)備標(biāo)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(xué)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(shè)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(xué)力學(xué)實驗中心，并邀請同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院院長李巖教授，以及同濟大學(xué)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(xué)力學(xué)實驗中心設(shè)立在同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院，據(jù)學(xué)院院長李巖教授介紹，航空航天與力學(xué)學(xué)院的力學(xué)學(xué)科有著悠久的歷史。2004年1月，航空航天與力學(xué)學(xué)院在原同濟大學(xué)工程力學(xué)與技術(shù)系和上海市航空工業(yè)學(xué)校的基礎(chǔ)上成立，而工程力學(xué)與技術(shù)系在1956年就設(shè)立了，在力學(xué)方面有著非常悠久的歷史。目前，學(xué)院教職員工共約90人，教授26位，副教授30位。學(xué)科設(shè)置方面，本科兩個專業(yè)，一個就是非常有歷史的工程力學(xué)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(xué)科碩士點，一個是力學(xué)，一個是航空與航科學(xué)與技術(shù)，還有一個力學(xué)的一級學(xué)科博士點。同時還有五個二級學(xué)科方向，包括固體力學(xué)、流體力學(xué)、動力學(xué)與控制、工程力學(xué)、航空航天材料與結(jié)構(gòu)。近幾年，學(xué)院逐漸在力學(xué)、航空與航、復(fù)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(chǔ)是力學(xué)，在此之上開展復(fù)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(xué)是一個以工科為主的大學(xué)，學(xué)生也以工科為主，多數(shù)學(xué)生都要學(xué)習(xí)力學(xué)相關(guān)課程，同時也要參加力學(xué)的相關(guān)實驗研究。在力學(xué)學(xué)科人才培養(yǎng)方面，航空航天與力學(xué)學(xué)院承擔(dān)了全校廣范圍的基礎(chǔ)力學(xué)課，包括材料力學(xué)、理論力學(xué)、流體力學(xué)等等。同時包括獨立設(shè)課的課程實驗，學(xué)院每年力學(xué)相關(guān)實驗課程達到5000個學(xué)時，30000個課時。

在悠久力學(xué)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上，學(xué)院先后獲批了guo家級的力學(xué)教學(xué)示范中心、力學(xué)虛擬的guo家力學(xué)教學(xué)示范中心等，即承擔(dān)了兩個guo家級力學(xué)教學(xué)示范中心。力學(xué)學(xué)科的發(fā)展離不開力學(xué)測試儀器設(shè)備，學(xué)院具有比較齊全的力學(xué)測試儀器設(shè)備，并兼具很高的整體測試水平。從小尺度力學(xué)的測試(如學(xué)院復(fù)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(xué)的測試，再到大型結(jié)構(gòu)力學(xué)測試(如土木結(jié)構(gòu)、航空航天結(jié)構(gòu)的測試)等，學(xué)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(xué)性能測試等都能完成。除了一次性測試、疲勞測試外，學(xué)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(xué)力學(xué)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(jì)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(jì)百年試驗機背后的傳奇故事進行了詳細(xì)描述：“2004年，我曾接待美國Tinius Olsen Testing Machine Co.的亞洲地區(qū)負(fù)責(zé)人，當(dāng)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(dāng)?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(yù)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(yīng)該是生產(chǎn)于1880年前的跨世紀(jì)百年試驗機。亞洲地區(qū)負(fù)責(zé)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(xì)的消息。不久我收到了對方市場銷售主管的回復(fù)，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(fù)責(zé)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(shè)備標(biāo)牌。

同濟大學(xué)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(xué)搬移到同濟大學(xué)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(xué)副校長黃鼎業(yè)教授，在上世紀(jì)八十年代初到美國學(xué)術(shù)訪問時，相交了美國水力水文學(xué)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(dāng)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(jì)三十年代，他大學(xué)畢業(yè)后被留在上海交通大學(xué)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(dāng)抗戰(zhàn)期間日本侵略上海時，上海交通大學(xué)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(xué)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(zhǔn)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(fù)后這臺拉伸wan能試驗機又接著為上海交通大學(xué)的實驗教學(xué)服務(wù)。

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(xué)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(biāo)有RLEHLE BRC× PHILA商標(biāo)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(biāo)和 16494產(chǎn)品編號的詳細(xì)信息，

在我們實驗中心內(nèi)除了珍藏這臺跨世紀(jì)的試驗機，還保留著另一臺掛著同濟440002設(shè)備標(biāo)牌的早期油壓式wan能試驗機(瑞士)，我們認(rèn)為這些跨世紀(jì)的力學(xué)試驗設(shè)備不但沉淀著百年同濟大學(xué)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(jì)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(dāng)?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(shè)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(shè)備被用來測試金屬、合金以及建筑材料(當(dāng)下，我們依然還有這方面的需求)。如今，試驗機的應(yīng)用范圍已大大擴展，應(yīng)用包括測試高強度金屬、合金、輕量級高強度的合金、復(fù)合材料、紡織品、土工布、智能紡織品、元器件以及整機設(shè)備等。我認(rèn)為同濟大學(xué)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(dāng)然，當(dāng)下市場上還存在很多Tinius Olsen的老設(shè)備，比如使用了五、六十年，仍在使用和校準(zhǔn)，但像同濟大學(xué)這臺年歲這么大的試驗機，確實不多。我認(rèn)為保護工程、文化遺產(chǎn)十分重要，同時，對于學(xué)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(yīng)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(jì)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(jì)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(jì)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?，F(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(yù)。

20世紀(jì)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(dāng)然也可以將測試報告以PDF等格式打印出來。

再發(fā)展到當(dāng)下，我們不會單獨去講設(shè)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(shè)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(dāng)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(yīng)用，以及如何利用光學(xué)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(dāng)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(rèn)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(rèn)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(xùn)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(rèn)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(xué)和材料工程的zui前端，設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)制定的過程，比如美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)，和的ISO標(biāo)準(zhǔn)。Tinius Olsen許多工程師都是這些標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shè)備儀器是緊密聯(lián)系的。一方面，科研工作中需要有非?？尚刨嚨膬x器設(shè)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(shè)備也是緊密相關(guān)的。其次，科研工作者還要與科研設(shè)備商多多交流溝通，溝通不暢往往造成信息割裂，如設(shè)商做出了非常好的設(shè)備，但科研工作者不知道，或科研工作者有需求，設(shè)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(yīng)，大多數(shù)科研工作者還面臨著經(jīng)費緊張的問題，越設(shè)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(shè)備并不現(xiàn)實，這就造成許多設(shè)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(shè)備商共同建立，讓一些設(shè)備實現(xiàn)共享。如此，在共享過程中，設(shè)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(xué)測量

關(guān)于力學(xué)測試的研究熱點及未來發(fā)展，李巖教授認(rèn)為，以下幾方面是當(dāng)下的研究熱點：一是環(huán)境下的力學(xué)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(shè)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(fù)雜加載狀態(tài)下的力學(xué)性能測試，比如航空航天結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力是非常復(fù)雜的，需要多種加載，而且是要多點響應(yīng)的設(shè)備，將來這方面的需求也是非常大的;三是原位加載的設(shè)備，雖然已經(jīng)有部分相關(guān)設(shè)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(shè)備，如果這方面設(shè)備能再普及一些，會對力學(xué)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(xué)和測試應(yīng)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(xué)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(fù)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(yīng)商，或是提供用于手術(shù)的醫(yī)療設(shè)備的供應(yīng)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(dāng)你在做測試的時候，良好的可重復(fù)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(yīng)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(xué)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(dāng)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(dāng)然不僅僅是一個網(wǎng)絡(luò)攝像機、一些圖片或一系列的視頻幀，而是能夠嵌入實時應(yīng)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(yīng)變數(shù)據(jù)的實際測試視頻。這也將是材料科學(xué)與材料測試的一個發(fā)展方向。