2023年6月12日下午15：30，由西安建筑科技大学力学技术研究院（IMT）开展的力学家访谈，在IMT成功进行。本期访谈的嘉宾是清华大学航天航空学院庄茁教授。
访谈掠影
力学家访谈源于对力学家的致敬，希望以访谈的形式请他们分享自己的学术成果、科研心得、新思想，以此激励学生的科学研究激情。采访内容如下：
问：使用ABAQUS的学生，或多或少都读过您的相关著作。您认为若以解决工程科学问题为目的，来学习ABAQUS，是否要先进行有限元理论的学习？此外，对于ABAQUS的初学者，您是否能推荐一本书籍作为第一本学习书籍。
答：ABAQUS软件于1978年2月1日出现在美国一所公司，我在1997年将ABAQUS首次引入中国。后来我们撰写了一些入门级别的相关书籍，有《基于ABAQUS的有限元分析和应用》和《ABAQUS非线性有限元分析与实例》等。书中主要内容包括，力学的概念问题、如何形成计算程序、如何将概念、理论与应用结合起来，还包含一些例题。在学习ABAQUS之前，可以学习一些一般性的有限元知识，比如在本科阶段学习线弹性为主的有限元理论，在研究生阶段进行计算固体力学时就要学习非线性有限元理论，其中在博士生阶段，就要学习使用用户单元子程序、用户材料接口程序，做自己的本构和单元。此外，ABAQUS是一个工具，我们的目的是利用这个工具解决科学问题，但在这之前，我们要了解ABAQUS的理论知识，知道其核心是如何运作的。后来我们为了提高同学们的非线性有限元能力，翻译了《连续体和结构的非线性有限元》一书，这本书将理论与计算进行了结合。在清华的教学过程中，我们将这几本书结合起来使用和教学，都取得了很不错的学习效果。当然，在过程中要通过大作业进行相关训练，来掌握这个软件。
问：您今天的报告题目是“冲击波人体致伤与防护”，其中包括人体颅脑致伤与防护。对于此类研究，我们应该关注哪些重点问题？
答：一个做力学的人，进行冲击波人体致伤研究，本身就是一个很交叉的问题。一方面从力学角度，要给出冲击动力学的载荷量，然后要讨论其力学损伤的机制和阈值。另一方面，此类研究要和军事医学结合起来。冲击波致伤主要包括肺损伤和脑损伤，肺损伤主要通过插板背心的设计来解决，脑损伤则主要依靠头盔进行防护。肺损伤主要是平面波，较好防护。但脑损伤主要受空间层面的三维波影响，同时在头盔的作用下，波会产生反复的反射和折射。此外，脑损伤不是解决面部损伤问题，而是要解决颅脑内部的神经元损伤问题。神经元损伤有时难以发现，一些战士受到脑损伤（TBI）后，受环境影响会产生应激障碍，出现抑郁、焦虑、失忆、暴躁和帕金森等症状。这种损伤原则上只能防护不能治疗，因此我们主要要进行防护设计，通过设计头盔使冲击波难以进入颅脑。在此基础上，我们进行了一系列不同大小的动物实验。
问：对于冲击波人体致伤的防护设备，您认为应该主要焦距在防护材料本身的设计或选择上，还是更应该关注防护结构的构型设计？亦或是如何将这两者联系起来？
答：一定是两者结合的，但在设计上首先要单独进行。在材料方面，冲击波是宽频的，因此要选择多尺度材料。从聚合物来说，我们选择了具有软域和硬域的聚脲材料，他有团簇，因而具有各向异性，且本身有散射，在毫米尺度的设计就可以解决高频问题。在微米尺度将玻璃微珠夹杂在聚合物中，又对应着一个频段。制成宏观材料后，则对应着不同频段，这样就是一个多尺度的材料设计。结构设计上，一定是结构材料一体化。其中新型背心的设计较为简单，在结构方面不需要特别设计。防弹材料以往使用碳化硼，缺点是较重，使用聚合物材料则较轻并可以防手枪，但抗狙击步枪的能力较差。因此要根据需求来确定使用哪种材料，对于冲击波防护方面，主要使用基于聚脲的聚合物材料。对于头盔，如果使用开敞头盔，波会在头盔内部和人脑外部反复折射，造成较大伤害。对于这个问题，可以使用特别设计的带衬垫的头盔引导波穿过，以避免冲击波在头盔内的迭代超压。另一方面，就是对头盔的几何造型进行设计，使其具有更好的流线型并减小空气阻力，同时进一步设计内部衬垫。对于封闭式头盔，可以有效保护面部，并使冲击波绕开，但仅适合部分兵种。
问：您从传统工程结构研究到冲击波人体致伤与防护研究，实现了一种学科跨越，您能说说这种跨越所需要具备的基础是什么吗？
答：机会是留给有准备的人。我们首先是为了解决国家的重大需求，所以有必要进行学科跨越。另一方面，我们要有准备，要把问题讲清楚，然后才能获得解决这一问题的机会。比如知识面要足够丰富，对力学和相关学科要熟悉。但我们也不是完人，因此要进行合作，将课题所涉及的各个学科的人才团结在一起，就能解决跨学科的重大问题。但之所以能把大家团结在一起，是自己要有一定的能力和知识水平，让大家愿意和你合作。比如我们的冲击波人体致伤与防护研究项目同清华大学化工系、军事科学院系统院军需工程所、陆军军医大学野战外科所、空军军医大学西京脑科医院、中科院力学所及浙江大学航空航天学院取得了合作。总的来说，我们在深耕自己原本从事学科的基础上，通过多领域合作进行学科跨越，以解决国家的重大需求、国际前沿和人民健康等问题。
采访：赵良杰
撰稿：赵良杰
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