【清華巾幗】李敏華:展翅長空綻芳華

2021-02-18 清華校友總會訂閱號

一顆矢志不渝的愛國心,一份開拓創新的責任感,李敏華把畢生精力獻給了祖國的航空事業。她這一生所體現的默默奉獻的品質,孜孜以求的精神,甘為人梯的情懷,無不綻放著美麗芳華,堪為後人典範。


李敏華(1917~2013年),固體力學家,中科院院士。1917年出生於江蘇蘇州。1940年畢業於清華大學航空工程學系。1945年和1948年先後獲得美國麻省理工學院碩士學位和博士學位。1949~1951年在美國NACA路易斯發動機研究中心任研究科學家,1952~1954年在美國布魯克林理工學院機械系任研究教授。1954年回國,先後在中國科學院數學研究所力學室及中國科學院力學研究所任研究員,曾任力學所固體力學研究室主任。

她是中國塑性力學的開拓者,在塑性問題的解析方法、結構強度、疲勞失效機制等方面作出了重要貢獻,並培養了一批優秀的力學人才。1956年獲國家自然科學獎三等獎, 1978年獲中國科學院重大成果獎。曾任中國力學學會常務理事、副秘書長,航空學會常務理事,《力學學報》《航空學報》和《固體力學學報》編委。先後當選為第三屆全國人大代表,第六屆、第七屆全國政協委員以及全國婦聯執委。

麻省理工學院首位工科女博士

1917年11月2日,李敏華出生於江蘇省吳縣,幼年時曾在振華附小讀書,後隨家人遷居上海,1935年從務本女中畢業後考入清華大學。1925年的「五卅慘案」、1931年的日本侵略東北三省以及1935年的「一二·九」學生運動,都給李敏華留下深刻的印象,使她立志以己所學報效祖國。

1940年,李敏華大學畢業後留在航空工程學系任教。4年後她與丈夫吳仲華一起赴美留學,就讀於麻省理工學院(MIT),並先後在1945年和1948年獲得了碩士和博士學位,論文分別是《用散射光彈解軸扭轉》和《亞諧振動的解法》,都獲得很好的結果。


李敏華獲得博士學位後在麻省理工學院校園留影(1948年)。

那時的美國對婦女還很歧視,她在選讀博士時,麻省理工學院(MIT)機械系負責本科生的教授就說:「我不能看到機械系有女博士。」幸好負責研究生工作的蘇特勃教授支持她。

讀博期間,李敏華選修了熱力學課程,她的老師肯能教授在一次總結考試結果時說:「這次考題很難,很多人不及格,第一名考95分,是吳夫人。」30多年後,當1979年中國學者訪問MIT時,她的老師還記得此事,並說:「一個小個子女孩子打敗了所有男孩子!」況且當時的李敏華還有兩個兒子需要照顧。她後來回憶說:「我之所以能夠學成,是由於有學成後回國服務的堅定信念;也是和吳仲華幫助照顧孩子和分擔家務分不開的。」

當李敏華終於成為麻省理工學院第一位工科女博士時,波士頓報紙在報導該屆畢業典禮時特地提到:「中國的李敏華,幾個孩子的母親,證明婦女可以與男子一樣,獲得博士學位。」

李敏華不僅在MIT攻讀學位時,一邊學習一邊照顧孩子。1975年她的小兒子病重期間,以及1988年初吳仲華肝癌手術後到1992年病故期間,她也是一邊工作一邊照顧病人。李敏華用實際行動展示她如何處理學業、工作和家庭的關係,不愧是婦女科技工作者的典範。

毅然回國開拓中國塑性力學

為了取得科研工作的實際經驗,李敏華決定和吳仲華一起應聘到美國國家航空諮詢委員會(NACA)的路易斯飛行推進實驗室工作。她在強度研究室任研究科學家,進行塑性力學的研究。韓戰爆發後,他們立即離開NACA轉到美國布魯克林理工學院(PIB)機械系工作,為回國作準備。

其時,李敏華夫婦均已進入科學研究的「如日中天」境地。李敏華發表了數篇NACA報告,還在1950年秋舉辦的第三屆塑性年度會議宣講了重要論文《論應變硬化區中軸對稱平麵塑性應力問題》,從而奠定了她在塑性力學領域裡的地位。鑑於學術上的成就,她被遴選為西格瑪Xi學會的會員,這是優秀青年科學家才能夠得到的一項崇高榮譽。

儘管他們工作如意、生活富裕,而且有關方面一直要求他們加入美國籍,但他們並沒有忘掉自己學習工程的主要原因,一心回國參加建設。當時,美國政府對在大學工作的中國理工科留學生的回國事宜橫加阻撓,李敏華夫婦歷經數年努力,嘗試過出國參加學術會議、到印度等地找尋工作、爭取聯合國的亞洲工程項目以及赴港省親等等途徑,均未成功。最後決定以暑期旅歐名義出行,而且特地選擇了星期日乘飛機離美赴英的方案,這才避開了移民局的糾纏。1954年8月,李敏華一家終於離開了美國,繞道西歐、前蘇聯,並於11月通過滿洲裡回到了祖國。

當時的新中國百廢待興,周總理接見李敏華夫婦時親切地講道:「像你們這樣年輕的科學家夫婦,我國還很少,你們要好好工作。」這給了李敏華夫婦很大鼓勵,他們也是一直這麼做的。

從1955年秋開始,李敏華以極大的熱情投入了錢學森和錢偉長領導下的中國科學院力學研究所的創建工作。作為高級研究人員,她擔任了力學所設立的四個研究組之一的塑體力學組組長,成為我國塑性力學的開拓者。

上世紀50年代中期,塑性力學在我國尚屬空白,她便和王仁、杜慶華等學者一起,攜手培育塑性力學的研究人才。他們在力學所精心組織塑性力學文獻討論會,通過集體學習方式,高效率地吸收國外科研成果和工作經驗。參會者除了有關院校的著名學者外,還有力學所塑性組的年輕學子。李敏華特別安排年輕人參加文獻調查和討論會,使大家從實踐中學到科學知識並了解作研究必須具備的科學態度和基本功。

隨後,李敏華又在錢學森倡導成立的工程力學研究班以及中國科學技術大學力學系開設塑性力學課程,為我國塑性力學事業造就了一支中堅隊伍。

矢志不渝結碩果

李敏華從年輕時代起就立志理工救國,決心投身航空事業,並取得了一系列重要成果。

一是獨特構思有效地求解航空發動機強度問題。上世紀50年代初,航空發動機強度是一個挑戰性的前沿問題。李敏華卓有成效地將塑性力學應用於飛機發動機旋轉盤的設計,為解決發動機強度問題作出了獨特的貢獻。她在NACA路易斯飛行推進實驗室工作時,進行圓形薄膜在側壓作用下考慮材料硬化的塑性應力應變分析工作,採用形變理論,通過無量綱變換和引進任意常數的巧妙構思,從而不需要迭代可得到精確解。在當時計算機尚不發達的情況下,這種可用於軸對稱平面應力問題的方法是非常有意義的。對此美國學者斯託威爾評價道:「在求解應變硬化材料塑性應力分布時,幾乎不能精確地求解。而對於軸對稱問題,作者(李敏華)得到的解就屬於精確的或近乎精確的解……即使是在非常簡單的圓孔薄板的一維情況,要同時滿足協調方程、平衡方程、應力應變關係和邊界條件,也不是一件容易的事。由於作者非常巧妙地引進了任意常參數,作者相當精確地滿足了上述條件。」他最後說,「作者提供了一系列精確解的典範,這是她的特殊貢獻。」回國以後,李敏華又通過計算對上述工作進行了推廣,研究了材料的應力應變曲線對於塑性平面應力問題解的影響。相關工作獲1956年中國科學院自然科學獎(國家級)三等獎。


「文革」結束時李敏華率團出訪羅馬尼亞(1978年)。

二是研製試驗航天燒蝕材料的瞬時加熱加載裝置。1958年,中國科學院以力學所為主成立了負責人造衛星運載火箭總體設計和發動機研製的第一設計院,李敏華被聘為高級研究人員,她不僅參與了相關研究工作,甚至和年輕人一樣過著集體生活。由於衛星回地時,重返大氣層會遇到高溫高速氣流衝刷,需要研製耐燒蝕材料及燃燒實驗裝置,1959年,李敏華作為研究室副主任,接受了籌建燃燒實驗裝置的任務。她提出了熾體引燃方法,在不到半年的時間內,課題組便在國內首次實現了駐點溫度超過1000℃的高溫實驗。科學院副院長裴麗生親自帶了化學所研製的抗燒蝕材料來做實驗,錢學森所長也帶了力學所中層幹部來參觀。隨後,在組織航天預研項目工作中,李敏華又親自指導建立瞬時加熱加載的材料試驗機裝置,提出了應變測量方法,並與研究組內科研人員一起調研了加熱方法、確定了實施方案,終於在國內首次研製成功了瞬時加熱加載材料試驗機,並得到了試件試驗段瞬時的均勻溫度。研究組被評為先進,相關工作引起了航天有關部門的高度重視。

三是發展新解法分析航空發動機渦輪軸斷軸故障。上世紀70年代初,針對航空發動機渦輪軸斷軸故障,李敏華承擔了在扭矩作用下喇叭軸應力分析工作,針對問題的癥結需要得到小凹槽高應力集中區域的應力應變值。她提出變截面軸扭轉問題的一個新解法,推導出在任意非正交曲線坐標系中變截面軸扭轉問題的平衡和協調方程,用任意非正交曲線坐標和差分法求解應力函數,從而通過計算得到了全軸的等應力函數線和剪切應力分布,並給出了小凹槽邊任意點的應力。這種新解法收斂性好,所需計算容量小,應用方便,便於編排通用程序,計算量較有限元法少,而且由於採用了任意非曲線坐標,因此適用於解決複雜曲線邊界問題,提高了通常用的差分法的適應性和靈活性。那時,她已近六十歲了,仍常常撲在桌上看一張張大大的渦輪軸工程圖,不時與航空部有關工廠研討修改設計參數方案,然後再做數值模擬試驗、與實驗數據比較,反覆核驗計算結果,終於獲得了航空部「這正是當初故障研究所需」的評價。鑑此,這項工作獲1978年中國科學院重大成果獎。

四是倡導學科交叉開展材料疲勞研究。李敏華參加航空發動機渦輪軸斷軸故障分析會後,深深感到疲勞問題的重要性,便將自己的研究方向從應力應變分析轉向疲勞問題研究。她認為應當和材料科學家配合起來,從宏微觀結合的角度研究疲勞機制,於是主動與中國科學院金屬研究所的王中光教授等人密切合作,共同觀察,一起分析,解釋實驗中出現的新現象。為了解在疲勞加載過程中試棒內部的變化,她不顧「自己的疲勞」而開展低周疲勞的實驗研究。為了保證試驗件的質量和試驗結果的可靠性,她不顧年事已高,親自到南昌航空工業部的飛機工廠安排加工。她採用圓孔薄板鋁試件來研究應變分布變化規律,得出了應變協調起到主要作用的結論。除了開展實驗,她還提出用全量應力-應變關係和分段冪函數近似實際疲勞循環曲線的模型,所得到的計算結果和實驗結果相當一致。同時,李敏華又進行了超載對圓孔鋁合金薄板試件疲勞壽命影響的實驗研究,重點研究拉-拉低周疲勞,得到了超載60%、疲勞壽命增加3~4倍的結果。直到年屆八十高齡,她還親自指導研究生從事疲勞研究。

為推動我國疲勞研究工作的學術交流,從1982年開始,李敏華發起組織了兩年一屆的全國性疲勞學術會議,由中國力學學會和航空學會聯合輪流召開,以後機械工程學會和金屬學會也先後參加,最終發展成為4個學會聯合輪流主持。這樣就築構一個跨學科平臺,強化了力學工作者與材料科學家、理論研究與試驗研究相結合,以及宏觀研究與微觀分析相互結合的趨勢, 推動了疲勞研究的學術交流。

甘作人梯春蠶絲盡

李敏華對年輕學子的培養,很是花費了一番心思和精力。每位年輕人分配到研究室、課題組來,她都親自談話,了解業務基礎、興趣愛好等情況,以此來確定各人的工作方向。特別是在建所初期,她首先設法使年輕人具備研究塑性力學必要的基礎知識,如固體力學、應用數學、試驗技術等,並言傳身教培養大家的查閱文獻能力。她安排年輕人去北京大學數學力學系及清華大學工程力學班旁聽相關課程,讓他們參與各種學術會議,還為每一名年輕人聘請一位高級研究人員進行指導,使青年學子迅速成長起來。

李敏華和助手們研究討論試件的試驗結果(1986年)。

李敏華在主持國際學術會議(1988年)。

1978年,研究生制度恢復招生時,李敏華招收了8名學生。她對這些研究生的學業要求十分嚴格,選定了線性代數、常微分方程、數學物理方程、計算方法和張量分析等作為基礎課,又指定了彈性力學、振動與穩定、塑性力學和有限元方法作為專業課。由於學生都是學業荒廢十多年之後重新拿起書本的,學習相當艱苦, 幾個學生曾一起商量讓李敏華先生免考塑性力學。但她沒有同意,並用自己在麻省理工讀博士的經驗告訴學生:學完一門課程,只有經過考試,才能有深刻的記憶。

和嚴謹甚至苛刻的學術作風成鮮明對照的,是她對弟子們「祖母式」的關懷。當年,由於戶籍政策,不少研究生們都是長期兩地分居,有的達七八年之久,她特別同情兩地分居的困難,多次和所裡商量,尋找解決的辦法。身為女性,她對女弟子、女助手格外關心,經常與她們探討如何處理學業、工作和家庭的關係。

作為著名的固體力學家,李敏華在事業上奮力求索,在生活上充滿情趣。她很愛種花,辦公室和家中的窗臺上都擺滿她親手種植澆灌的花,有吊蘭、海棠、蟹爪蘭,還有各式仙人掌。她常常說:「科研工作出成果很慢,需要做一些像種花這樣易見成果的事。」正如鮮豔美麗的花兒,李敏華的一生也充滿精彩,綻盡芳華。

(毛天祥 王柏懿 文)

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