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李德群院士:注塑人生

文章来源:党委宣传部 阅读次数:531次 添加时间:2015-12-11

  ■记者 王潇潇 汪泉 记者团 王思远  

  制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基。在今年5月8日国务院颁布的《中国制造2025》中,智能制造再一次被重点关注,“推进信息化与工业化深度融合”被写进这一纲领性白皮书。在材料学院李德群教授三十余年的科研生涯中,一直致力于材料成形智能化、塑料注射机智能技术及应用研究,引领我国“智能制造”行业的发展。

  “成功的关键在于,你是否敢于拼搏,敢于啃硬骨头。”作为二十世纪四十年代出生的这一代知识分子,在李德群教授的心中,“占领学术的制高点”已经成为他和他的学生们用以指导和选择研究方向的立足点。

学术研究的起点从华工开始

  1978年,离别武汉15年的李德群,拿着华中工学院研究生录取通知书百感交集。大学毕业后的十年里,李德群在宁夏灵武农场当过农工,在湖北潜江机械厂干过工人和技术员。33岁的他回归校园,重新拿起课本,开启人生新的征程。

  “进入华工后,我才有可能真正开始学术研究。”李德群说。他倍加珍惜拨乱反正后来之不易的学习和科研机会。

  当时他的导师肖景容教授结合学科前沿和实际需要,为李德群确定了塑料注射成形模拟的研究方向。“科学研究一开始找准方向十分重要”,李德群认为,正是导师的高瞻远瞩和循循善诱,让自己走上了研究的快车道。他从此步入了塑料注射成形模拟和模具CAD/CAE/CAM的科研之路。

  1986年,李德群应邀前往美国康奈尔大学担任访问学者。一年多的美国之行,大大拓宽了他的视野,提高了他的研究能力,让他认准了塑料注射成形模拟技术的发展方向。

  在塑料注射过程中,熔体薄壁成形时流动方向和壁厚方向速度、温度等差异显著,难以构造可供工程应用的表征模型。在二十世纪八、九十年代国际上一直采用中面模型,通过人为构造产品中心面来简化流动分析,该模型的缺点十分明显,难于在工程中广泛应用。

  带着改变这种状况的决心,从美国归来的李德群带领其团队开始了三十年如一日的科学攻关。

从中面模型到表面模型

  针对中面模型的缺陷,李德群经过深入的思考和调研,提出了表面模型的概念。他认为,可以不必构造中心面,直接采用产品表面表征熔体流动,这样能够显著提高分析精度,突破中面模型的应用局限。 

  在提出概念后,李德群和他的博士研究生通力合作,开发出基于表面模型的模拟软件,并首先在国际上发表相关论文。国际专业杂志Modern Plastics随后用整版篇幅专题报道了该研究成果。

  李德群的这一成果很快成为国际研究热点。来自美、英、德、日等50多个国际研究团体引用了其表面模型的论文,其中包括一批国际知名学者。美国佐治亚理工学院Cardozo教授在综述论文中评价:“表面模型的概念是创新和激动人心的,是注射成形模拟历史上一个重要里程碑。”

  表面模型等成果获2002年国家科技进步二等奖。 

  李德群注重学科交叉和科研合作,他与化学系研究复合塑料结构的解孝林教授建立了长期合作关系,2004年,李德群与解孝林共同承担了国家自然科学基金重大项目第四子项“联系介观到宏观尺度的高分子共混物流变学本构模型”,结题时被国家基金委评为优秀。

  李德群将成形建模研究从宏观流场深化到微观结构,建立了塑料成形中流动诱导结晶、分散相形态演变、纤维取向等的分析模型,实现了塑料注射成形的宏微观模拟和产品性能的定量预测,成果获2010年国家自然科学二等奖。

从模型研究到软件开发

  在二十世纪八十年代李德群回国之初,我国自主家电行业刚刚起步,面临着十分尴尬的境地:由于塑料件制造技术不过关,大量的成形模具需要依靠进口。李德群及其团队意识到这是一个亟待解决的行业难题。

  成形模拟是实现塑料成形工艺优化的关键技术,它能够使模具的设计周期和成本大幅下降,使材料和设备利用率大幅上升,但长期以来,我国缺乏的正是具有自主知识产权的模拟软件。李德群和他的团队在九十年代初率先开发出国产塑料注射成形模拟软件并实现了工程应用。

  塑料注射成形集成模拟软件——华塑CAE,成为了李德群的又一成果。该软件覆盖了充填、保压、冷却、应力、变形模拟的全过程,并且经过了严格的实验验证和工程测试,预测精度达到工程应用的允许范围。

  李德群团队与青岛海尔公司共建模拟中心,分析生产案例超过上万件,持续支撑了海尔家电产品的自主创新,引领了国内先进注射成形的发展方向。

  在李德群和他主持的数字化成形团队的努力下,塑料注射成形模拟和金属铸造模拟、板料成形模拟软件一道,成为我国材料成形模拟领域的知名品牌,目前已在600多家单位应用,覆盖家电、汽车、航空、航天等领域的龙头企业,产生了显著的社会和经济效益。

  2007年,材料成形过程模拟技术及其应用成果获国家科技进步二等奖。

从成形工艺到智能装备

  2005年,李德群将目光投到成形装备智能制造方向上。我国塑料注射机保有量达100万台,传统技术普遍陈旧,无法实现能量按需供给与精确控制,产品质量的一致性难以保障。李德群认为,对于如此量大面广的行业,一旦做出技术创新,其产生的价值将不可限量。

  李德群在成形模拟的基础上将工艺参数自动设置、自适应注射等智能技术应用到注射机上,提出了在线反演的注射速度平滑优化、工艺曲线的二级闭环控制等方法,成功开发出智能型注射机。

  经国家权威机构测试,所开发的智能型注射机能耗低于我国及欧洲最高能耗标准,响应时间、位置精度等关键指标均达到国际先进水平,显著提高了注塑产品的重复精度、良品比例和生产自动化程度。目前,智能型注射机不仅在国内推广应用,还远销海外。

  2012年,塑料注射机智能技术及应用成果获教育部技术发明一等奖。

  熟悉李德群的同事们说,当初很少有人看好智能成形装备的研究,都觉得耗神费力不讨好。但李德群和他的团队明知山有虎,偏向虎山行,经过十年的悉心研究,终于把智能控制系统和智能型注射机研制成功,不得不令人佩服。而当前,工业技术4.0、智能制造都是全社会关注的热点话题,李德群又一次走在了学科的前沿。 

  从表面模型的提出,到模拟软件的开发,再到智能装备的制造,李德群在科学研究的道路上经历了从理论到实践、从工艺到装备的全过程,为我国塑料成形加工学科的发展作出了突出的贡献。

  2010年,李德群被中国科学技术协会评选为全国优秀科技工作者。

从科研工作到教学实践

  除了科研工作,李德群也始终把教书育人当作自己的本分与天职。

  材料学院副院长周华民教授曾是李德群指导的博士生。他回想起走上科研之路的开端,总是忘不了最初李老师给予他的重任和厚望。

  就像当初肖景容教授将塑料成形模拟的前沿课题布置给李德群那样,李德群建议周华民立足学科研究最前沿,去解决困扰国内外塑料注射成形模拟软件发展和推广的瓶颈。

  对所布置的博士论文选题,周华民觉得有些为难,“这是当时本领域全世界都在关注的课题,属于高精尖之列。”李德群及时给予了指导和帮助,“在那段时间,李老师亲自和我一起分析问题,找出问题关键,在研究中可谓无微不至。”周华民回忆说。

  在李德群的指导下,周华民终于攻克难关,取得了优秀的研究成果,现在他已是国家杰出青年科学基金获得者和教育部长江学者特聘教授。“直到今天,我的研究依然受益于当初确定的方向。”周华民不禁感叹,李德群老师看问题具有的独到之处。

  “用好方向,难问题去占领研究制高点”,是李德群为团队、学生制定的研究基调。

  在他的另一名博士生张云副教授看来,李德群将勤奋刻苦看作是科研的基础。“李老师曾跟我们讲,建设一个优秀的团队,选择学生最重要。”如何选择学生呢?张云说,“李老师首先要看的就是学生有没有勤奋学习的强烈意愿。如果一个学生做事兢兢业业,上进心强,李老师就让我们着重关注和帮助他。”

  李德群在张云眼里正是持之以恒的典范,“李老师以身作则,用实际行动为团队注入了勤奋刻苦的基因”。

  湖北省教学成果一等奖、机械工业部优秀教材一等奖、国家精品课程、国家级教学团队、8本专著和13本教材等等,都是李德群作为一名优秀教师最好的注脚。

  当被年轻后辈问到怎么能在科研、教学和生活中取得成绩的时候,李德群总是说,持之以恒的努力和淡泊宁静的心态。