“听材料之声,探未来之路。由中国复合材料学会推出的《复材之声》,聚焦复合材料前沿科技、产业动态和专家观点。致力于搭建一个交流平台,汇行业精英,享真知灼见,共同推动中国复合材料产业蓬勃发展!”
复合材料,是科技创新的重要基石,也是推动产业变革的关键力量。在新能源、航空航天、电子信息等领域,高性能复合材料正发挥着不可替代的作用。然而,如何突破材料性能的极限?如何实现从实验室到产业化的跨越?这些问题不仅关乎技术本身,更关乎国家科技竞争力的提升。
一枚火箭、一颗卫星、一架战机,其结构效率往往取决于看似简单的薄壁筒壳——而这类结构的承载能力,对几何缺陷的敏感程度远超常人想象。如何精准预测含缺陷薄壁结构的极限承载力?如何在设计与试验之间建立可靠桥梁?青年学者又如何在技术攻关与战略研判之间找到平衡?
本期《复材之声》对话大连理工大学马祥涛副教授。作为中国科协青年人才托举工程入选者、中国复合材料学会复合材料结构设计专委会委员兼秘书长,他长期从事航空航天复合材料薄壁结构强度分析、优化设计方法及试验验证研究。在本期访谈中,他将为我们分享:
不完全折减刚度法:如何将薄壁筒壳承载能力分析从“小时级”压缩至“分钟级”,并实现高达99.8%的预测精度?
被忽视的工程细节:几何缺陷、分层缺陷之外,倒角等制造特征为何会显著影响承载力?变刚度优化设计如何在大直径加筋筒壳上实现13%的承载力提升?
“抬头看天”与“低头走路”:技术攻关与战略研判如何互为补充?他如何培养“用技术语言讲战略问题,用战略思维提技术需求”的能力?
学会专委会的“搭梯子、开窗户、指方向”:青年学者最难的起步期,专委会如何帮他们找到方向、对接需求、少走弯路?
正如马祥涛所言:“技术攻关解决的是‘能不能做’的问题,战略研判解决的是‘值不值得做、何时何地如何用’的问题。”让我们跟随他的视角,走进薄壁结构强度分析的前沿世界。

一、马教授,您主要从事航空航天复合材料薄壁结构强度分析与优化设计研究,在薄壁结构的屈曲失效与承载能力预测方面,您团队提出的方法相比传统方法有哪些独特优势?
在薄壁结构的屈曲失效与承载能力预测方面,我针对薄壁筒壳强缺陷敏感性导致承载能力难以精准定量预测的难题,开展了薄壁筒壳结构的高保真后屈曲分析和缺陷敏感性分析研究,提出了不完全折减刚度法,实现了实际工程中非完善薄壁筒壳承载能力的快速高精度预测,相比非线性后屈曲分析方法,求解效率大幅提升,分析耗时由小时级降至分钟级。建立了薄壁结构的高保真分析有限元模型,相比大型薄壁结构破坏性试验,极限承载力的预测竟达最高可达99.8%。这些研究工作作为核心创新点,支撑了团队辽宁省自然科学一等奖的申报。最近,我还在上述研究的基础上,开展了基于数值分析手段和最不利寻优策略的薄壳折减因子预测研究,解决传统数值方法分析耗时无法用于初始设计的问题,彻底摆脱了试验依赖,并通过历史实验数据和工程壳算例验证其保守性与工程适用性。该研究被写入航天科技集团的行业标准,并被写入某国防标准中。
二、马教授,您的研究涉及分析、优化与试验验证全链条,在复合材料薄壁结构的试验验证环节,最容易被忽视但至关重要的工程细节是什么?
容易被忽视但至关重要的缺陷,复合材料薄壳结构中有几何缺陷、分层缺陷、材料缺陷等多类型缺陷,这些缺陷都会对薄壳结构的承载力造成大幅度折减,所以针对薄壳结构的缺陷敏感性开展系统性研究和定量预测一直是航空航天工程和固体力学领域的难题。
另外,倒角等结构制造特征也是容易被忽略的,工程师在建立有数值模型的过程中通常忽略这些结构细节特征,但是研究表明,对于加筋等薄壳结构,倒角等结构细节特征占比超过一定程度,就会对承载力造成很大的影响,忽略这些结构细节的影响必然会导致承载力预测不准,也会导致结构设计方案不是最优方案。因此,针对上述问题,我建立了考虑倒角等制造特征的加筋筒壳结构优化设计框架,提出了面向缺陷容忍的变刚度复合材料筒壳优化设计方法,成功应用于大直径加筋筒壳,并进行了准静态屈曲破坏验证试验,承载力预测误差仅为0.2%,极限承载能力较初始设计提高13%。
三、马教授,您主笔撰写的咨政报告得到国务院领导的重要批示,作为从事国防领域研究的青年学者,您如何平衡技术攻关与战略研判两种不同性质的科研工作?
这两类工作虽然在形式上有所不同,但我认为他们是一个互为补充的整体。技术攻关解决的是“能不能做”的问题,而战略研判解决的是“值不值得做、何时何地如何用”的问题。没有扎实的技术基础,战略研判容易沦为空中楼阁;而缺乏战略牵引,技术攻关也可能偏离战场急需。两者本质上是在同一个大问题框架下的不同层面。所以,要想真正做到科研工作的“四个面向”,做出能够服务于国家重大需求的科研成果,我觉得“既要抬头看天,又要低头走路”。
时间和精力分配上,我大部分的时间还是在技术攻关上。因为技术攻关往往需要连续、深度的沉浸,周期相对长、容错空间有限;战略研判则更多表现为短周期、高强度、快速响应。我通常将较大块的时间用于技术攻关,而在日常保持对宏观态势、前沿进展和政策动向的持续跟踪。
另外,两类工作是会形成互补和正向循环的。在做具体技术研究时,我会有意识地从“这项技术可能如何改变作战样式或装备体系”的角度去审视成果;而在撰写咨政报告时,我也会反复核查其中的技术判断是不是经得起工程实践检验。久而久之,这种双向转化的训练本身就是一种能力积累,这培养了我“用技术语言讲战略问题,用战略思维提技术需求”的能力。
其实呢,我认为无论是攻克一个关键技术瓶颈,还是研判一项重大战略问题,最终服务的都是国家安全和国防能力建设。只要心中始终守着为国家服务这个目标,就能自动排除很多不必要的干扰,也更容易在不同科研范式之间找到平衡。
四、马教授,您担任中国复合材料学会复合材料结构设计专委会委员兼秘书长,您认为学会专委会在促进青年学者成长、对接国家需求方面可以发挥哪些独特作用?
第一是“搭梯子”。青年学者最难的就是起步那几年——缺经费、缺影响、缺人带。专委会能通过“青年人才托举工程”这些机制,把有潜力的年轻人托上去。不光给钱,更重要的是帮他们找到合适的导师、对接好的方向,让他们在成长关键期有人扶一把。
第二是“开窗户”。做技术的容易闷头钻牛角尖,不知道外面需求变到哪儿了。专委会可以组织跨学科的论坛、带大家去企业实地看,让年轻人知道自己的研究到底能用在哪。很多时候,一个交叉方向的启发,比在实验室多熬一年都有用。
第三是“指方向”。专委会里有一批既懂技术又懂战略的老专家,能把国家在航空航天、国防、新能源这些领域的真实需求讲清楚。青年学者听了之后,就知道哪些问题是真“卡脖子”的,自己该往哪个方向使劲。这比单纯看论文、读报告要直观得多。
所以我的体会是,专委会不是多开几次会那么简单,它真正能帮年轻人“少走弯路、站上高点”。
从“小时级”到“分钟级”的求解效率跃升,从99.8%的承载力预测精度到写入国防标准的折减因子方法,马祥涛副教授的研究清晰展现了计算力学与工程实践深度融合的创新路径——以高保真分析替代部分破坏性试验,以数值寻优摆脱试验依赖,以缺陷容忍设计突破承载极限。
更值得关注的是,他并未将视野局限于技术本身。面对“技术攻关”与“战略研判”两类看似迥异的科研工作,他提出两者是“同一个大问题框架下的不同层面”,并以“既要抬头看天,又要低头走路”作为自己的行动准则。这种“用技术语言讲战略问题,用战略思维提技术需求”的能力,正是当代青年学者服务国家重大需求的必备素养。
而他作为学会专委会秘书长所总结的“搭梯子、开窗户、指方向”三重角色,也为学术共同体如何助力青年人才成长提供了清晰的行动框架。