同濟大學航空航天與力學學院教授孫秀婷聚力隔振理論與技術研究 解決實踐中的技術難題

■ 文/譚云川

隨著生產技術的發展和生活水平的提高，人們對于振動控制也提出了更高的要求。隔振理論與技術實現的創新研究一直都是學術界和工程界關注的熱點，其面臨的挑戰性問題是如何獲得寬頻隔振帶和實現多方向的隔振。

同濟大學航空航天與力學學院教授孫秀婷，多年來一直致力于時滯控制低頻非線性隔振器結構設計、動力學分析和實驗平臺的研發。除此之外，在動力學與控制學科領域，孫秀婷還獲得國家自然科學基金優秀青年項目資助，主持國家自然科學基金面上項目1項，青年項目1項，省部級面上項目1項，參與國家自然科學基金重點項目等多項科研項目，并入選2018年第四屆中國科協青年托舉人才項目和2016年上海市青年科技英才揚帆計劃項目。

潛心篤志 求學路上的追夢者

孫秀婷出生于上海的一個傳統大家庭中。孫秀婷回憶道，她的父輩因為時代原因沒有受過高等教育，在她兒時印象中，父輩們由于沒有學歷的加持，每天只能從事簡單重復性的工作，家中時常能聽到他們對于未來生活的擔心以及工作發展的無奈。為此，孫秀婷便暗下決心要發奮讀書，用知識改變自己的命運。2005年，她順利考入了同濟大學工程力學系，本科學習期間孫秀婷就對理論力學、振動力學等課程產生了濃厚的興趣。之后，孫秀婷又以優異的成績獲得直博資格，毅然決然報考了導師徐鑒教授開展的非線性振動抑制的研究，加入了動力學與控制研究團隊。

孫秀婷回憶道，徐鑒教授并沒有因為孫秀婷是女生而區別對待，反而對男女學生的培養一視同仁，同樣嚴格。無論是課題選取、各類考核，還是未來規劃上，徐鑒教授對他們都給予了最大的支持與鼓勵。讀博期間，徐鑒教授給了孫秀婷聯合培養雙博士的機會，讓她有幸進入香港理工大學攻讀博士學位。2015年，孫秀婷獲得兩校雙博士學位后進入上海理工大學力學教研室任職。2019年，孫秀婷通過全球招聘進入同濟大學航空航天與力學學院任教授。

滿懷著對高學歷的憧憬與向往，孫秀婷如愿進入了更高的學府，學習了更深層次的知識。同時，孫秀婷也逐漸從科學探索中找到了樂趣，并激發了她對科研工作的熱情。孫秀婷說，那時她接觸到了一大批優秀的女性，從師母到師姐，看到她們對自己事業的辛勤耕耘、對于科研探索的熱愛與執著，對孫秀婷觸動很大，并受到了潛移默化的影響。在孫秀婷看來，女性在科學研究上更具有細心、認真、耐心等品質，這也正是科研之路上必不可少的優秀特質。

心懷使命 科研路上的堅持者

孫秀婷坦言，多年來能讓她始終堅持在一線做科研工作，源于3個動力。

第一，國家對于科研人員的迫切渴求?！皩嵺`告訴我們，國際先進技術、關鍵技術越來越難以獲得，必須把創新主動權、發展權和關鍵核心技術掌握在自己手中。為此，更需要科研人員能夠沉下心來，潛心研究?！苯陙?，上?？莆瘜τ诤娇蘸教?、光刻機、芯片、自動化等多個領域的投入，對于“卡脖子”技術的強烈關注，不但給了孫秀婷他們技術成果應用的平臺，而且有效地提升了科研人員的自信。

第二，自己的科研楷模徐鑒教授。徐鑒教授作為國家杰青、動力學與控制領域學術帶頭人，其學風嚴謹、勇于創新，至今仍保持一線科研工作狀態，積極參加各種學術會議，還會抽時間定期指導孫秀婷團隊的發展。徐鑒教授對于前沿和關鍵問題的把握，更是極具敏感性和準確性，讓孫秀婷敬佩不已。

第三，身邊人的影響。孫秀婷記得，她第一次走進香港理工大學的聲學實驗室。當時實驗室有一個為隔聲降噪實驗搭建的隔音間，在隔音間內任何聲音都會被厚厚的波浪型海綿吸收。當時她在隔音間里待了10來分鐘就覺得非常難受，她卻發現一個本科交流生在隔音間里做實驗，一做就是兩個多小時，讓她看到了身為科研人員最基本的素質，這件小事也讓她至今記憶猶新。

苦心孤詣 勇攀高峰的奮斗者

每一項科研成果的取得，都離不開背后辛勤汗水的澆灌。歷經近10年持續不斷的科研攻關，孫秀婷的創新成果豐富并拓展了非線性動力學與控制相關的基礎理論和應用范圍，為進一步實現對結構振動抑制的智能調控奠定了基礎。此外，孫秀婷在動力學與控制學科領域的國際著名權威期刊發表多篇論文，這些創新性成果還得到了同行的高度評價。

其學術成果的創新性主要是基于仿生的思想，實現了一種新型可推廣于多方向的非線性被動隔振結構，通過幾何非線性實現高靜低動特性，在一定條件下其隔振效果優于準零剛度隔振結構；提出了一類時滯控制低頻非線性隔振系統，揭示了時滯和非線性共同作用下的隔振系統動力學轉遷過程，明確了時滯、非線性等因素的控制機理；基于動力學分類分析和轉遷過程，建立結構參數與多個低頻隔振指標之間的關系，提出結構和控制的優化準則。同時，孫秀婷的學術貢獻也獲得了動力學與控制領域國內外專家學者的一致認可。

孫秀婷介紹，隨著工程結構的大型化和復雜化，低頻振動甚至是超低頻振動出現在各種實際工程結構中。例如，航天結構大尺寸太陽帆板和天線的基頻出現在10E-2Hz量級，在姿態切換時所施加的驅動會引起結構低頻或超低頻振動；大跨度橋梁結構在外部環境激勵下會產生基頻在10E-1Hz量級的振動。在載運裝備的研究中發現，小于1Hz的極超低頻或低頻率晃動會引起暈船，而在4~8Hz橫向振動中暈車反應時常出現。抑制這種類型的振動手段之一是進行振動隔離。然而，在經典的線性隔振理論分析下的隔振結構已經不能滿足對振動隔離的需求。首先，與中高頻基頻結構不同，在超低頻或低頻誘發的振動中，結構更容易出現超大幅值響應從而形成非線性振動；其次，線性隔振結構的有效隔振頻帶起始于結構固有頻率，如果要降低隔振頻帶，就必須降低隔振結構的剛度，導致隔振結構承載能力下降，這與工程結構對承載力的需求相悖。因此，創新振動隔離結構設計是解決問題的關鍵，也是一項具有挑戰性的工作。

此外，孫秀婷通過觀察發現自然界中哺乳動物、鳥禽類、人類的腿部在強沖擊和大振幅環境時變激勵下能實現瞬時穩定和振動隔離，其骨骼構型、關節和肌肉的協調動作不但能夠在靜態環境下提供靜態承載能力，而且可以提供大范圍頻帶內的振動隔離。究其原因是關節的柔性和角度的調節給垂直方向提供了可調節的負剛度和非線性剛度，受此啟發，設計了新的振動隔離結構，該結構有別于靜態的“準零剛度”結構，形成了“結構具備可調節性”為特色的學術貢獻，為結構進一步智能化提供了結構設計基礎。提出并設計了以負剛度和非線性剛度可調性為特征的單/多方向新型仿生低寬頻隔振構型，建立了仿鳥腿隔振結構動力學模型，突破了線性隔振器有效隔振帶寬的限制瓶頸，不但可以在多方向實現對確定的低頻和超低頻振動隔離，也可以在主要方向上實現在一定帶寬上低頻和超低頻的振動隔離，體現出仿生-力學結構-功能實現一體化的結構設計特色。

孫秀婷構建的新型仿生振動隔離的結構，突破了線性隔振器振動隔離有效頻帶的限制，其理論機理需要得到明確，特別是這種新型結構以調節負剛度和非線性剛度為特征，為新型隔振結構工作機理的認知和解析帶來很大挑戰。其難點是需要避免大振幅振動和幾何非線性誘發的多穩態、分岔等非線性失穩，突破的關鍵在于在低寬頻環境下，協同和創新多種解析分析方法，認識主結構參數、仿生結構參數和激勵參數對非線性動力學行為的轉遷及多種動態行為共存的影響規律，并對隔振性能指標進行綜合優化。因此，孫秀婷首先建立被隔振主體結構與仿生結構可調性參數之間的關聯性，從理論上綜合解析結構參數和激勵參數對低頻帶寬振動隔離有效性的影響機理；其次，從結構穩定性和Lyapunov穩定性兩個方面，提供仿生非線性隔振結構可以穩定工作的參數判據；最后，針對工程結構對振動抑制速度和精度的需求，需要建立對干擾和誤差進行分析和補償的優化判據。

這些研究初步形成了新型仿生低寬頻隔振結構參數設計準則，豐富并深化了以非線性動力學理論為基礎的動力學設計內涵，基于力學原理為工程應用提供了設計基礎并對自然規律提出了見解和認知。

長相清秀的孫秀婷，讓你很難把她與科學家三個字聯系起來。一個女人事業上的成功，除了自身努力之外，更離不開家人的支持，這才讓孫秀婷可以心無旁騖地投入到科研和教學工作中。孫秀婷坦言，她的家庭生活與工作之間沒有出現過特別嚴重的矛盾，但家庭瑣事與工作時間發生沖突在所難免。每當這時，孫秀婷的處理方式很簡單。她說：“如果能夠事先預判到這樣的沖突存在，那我會提前做好準備；但如果是臨時安排，我會優先選擇把工作上的問題處理好?！?/p>

談及未來發展，孫秀婷說以她的一家之言，對于動力學與控制領域未來的發展具有局限性?？偟膩碚f，動力學與控制領域的研究對象會更復雜更廣，基于現階段發展迅猛的數據驅動算法，動力學與控制領域的發展將為復雜系統動力學分析、人機交互的動力學協同問題、機器人與環境共融問題提供基礎和指導。而她個人重點方向主要放在仿生智能結構的動力學與控制問題上。研究重點將放在仿生柔性變剛度結構的強非線性動力學分析方法和多自由度智能變剛度柔性結構的智能調控控制方法上。

如果說新時代是奮斗者的時代，那么孫秀婷就是科研路上的奮斗者。孫秀婷深知，選擇了科研就意味著還有很多未知需要探索，還有哪些不可能將會變為可能呢？她相信不久的將來，科技創新會給出一個個滿意的答案。