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陳晉南教授：塑料加工企業(yè)應加強對新技術的利用
????????陳晉南，北京理工大學化工與環(huán)境學院教授、博士生導師、化學工藝學科帶頭人。1986年，38歲的她曾義無反顧地辭掉公職，自費留學美國攻讀學位，只因心中一直有著一個信念：一定要成為一名承上啟下的好老師。1988年，她獲得美國紐約市立大學工學碩士學位，6年后又同時獲得物理碩士學位和工學博士學位。她曾先后在紐約市立大學美國物理-化學流體動力學研究所和美國約翰?赫普金斯大學化工系從事博士后研究工作。1995年年底被引進回國，任教于北京理工大學。
????????《留學生》期刊曾這樣介紹她：陳晉南教授是中國高等教育界的一位“俠女”：她武藝高強——卓越的學習能力、科研能力、管理能力;儒雅仁厚——對學生用心，對教學精心，對管理盡心;為國為民——離開美國，回國教學;忠義兩全——對得住國家，對得住領導，對得住學生。
????????在日前召開的中國合成樹脂供銷協(xié)會2016年一屆五次理事會上，中塑在線記者有幸結識陳教授，并在會后邀她做了個人專訪。
????????陳晉南教授在中國合成樹脂供銷協(xié)會2016年理事會上的發(fā)言鼓舞人心 ?
????????【中塑在線】在美國攻讀學位學習時，對您回國工作影響最大的知識是什么?
????????陳晉南：第一點是美國大學機械工程、化學工程等工科專業(yè)的研究生要學很多數(shù)學的課程，例如高等應用數(shù)學、數(shù)學分析、數(shù)值計算，我們博士生資格考試時，要考線性代數(shù)、高等應用數(shù)學、數(shù)學分析、數(shù)值計算這5門數(shù)學課程。我學習的研究生專業(yè)課程，每次的作業(yè)都要求我們用編程解題來完成。國內(nèi)化工、高分子材料專業(yè)學習的數(shù)學和力學知識不夠，培養(yǎng)的工程技術人員不具備應用信息技術和軟件的基礎能力。
????????第二點是美國大學生都學習使用軟件。1988年，我獲得Instructor的獎學金攻讀博士學位。我每個星期上5學時本科生的課，講授計算機輔助設計。出國前，國內(nèi)還沒有PC，我自學了計算機輔助設計軟件，講授CAD課程。給三年級本科生講授軟件的使用，教學生利用軟件設計零件，再使用有限單元法分析零件的強度或分析溫度分布。早在上個世紀80年代，美國大學生就已開始學習信息技術，學會使用軟件。目前國內(nèi)很多大學，研究生還沒有設立數(shù)值計算的有關課程。
????????當時，我就下決心要把數(shù)值模擬的先進技術引進國內(nèi)，推廣它的使用，與企業(yè)合作，為企業(yè)服務。設立化工應用數(shù)學的課程，培養(yǎng)研究生，提高他們的數(shù)學和力學水平，讓他們學習如何使用信息技術和軟件來研究科技問題。
????????【中塑在線】1996年您回國工作，在國內(nèi)率先引進了數(shù)值模擬技術和Polyflow軟件，建立了北京理工大學化工過程數(shù)值模擬實驗室，進行高分子材料加工和化工過程的數(shù)值模擬。這樣的模擬實驗對實際的材料加工和生產(chǎn)有什么意義?
????????陳晉南：描述高分子材料加工擠出過程的數(shù)學物理方程都是非線性方程。非線性方程不能解析求解。在數(shù)值模擬技術發(fā)明前，非線性方程只能簡化，用簡單線性方程和化工原理介紹的經(jīng)驗公式來描述。工程中一般使用試湊的試驗方法來研發(fā)新產(chǎn)品、新設備，試驗周期長，成本高，有的產(chǎn)品的研制還存在未知的不安全因素。
????????由于高分子材料的種類多、物性差別大，加工成型設備種類多，因此影響工藝過程和控制產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多。制備不同品種高分子材料，以往憑經(jīng)驗設計設備，采用試湊方法確定工藝參數(shù)，試制新產(chǎn)品的周期長，需花費大量的人力物力，研發(fā)費用高。對于有些特殊產(chǎn)品還有一定的危險性。
????????解非線性方程的近似方法變分法由1696年圣彼得堡科學院院士歐拉創(chuàng)始。差分方法的經(jīng)典著作于1957年問世。電子計算機和現(xiàn)代計算技術的發(fā)展使這些近似方法得到了極大的應用。隨著信息技術的發(fā)展，如今科學計算已與理論分析，實驗并列，被公認為當代科學研究的三種手段之一。三種方法的有機結合才能深入研究科研和工程問題。
????????為了滿足生產(chǎn)實際工程的需要，在高分子材料加工方面，發(fā)達國家匯集大量的科技人員系統(tǒng)地開發(fā)了一系列軟件，很多軟件經(jīng)工程實踐考驗，成為成熟的商業(yè)軟件包，其中計算數(shù)學和計算流體力學以各種形式起到了重要和決定性的作用。目前，各國廣泛地使用成熟的軟件數(shù)值模擬仿真高分子材料的成型過程，將實驗和理論研究相結合，研究物性參數(shù)、設備結構和工藝參數(shù)對物料加工成型的影響，深入研究高分子材料加工成型機理。我們可利用國際先進的計算軟件包，省去編程、調(diào)試等許多工作量，大大縮短研發(fā)周期，優(yōu)化試驗方案，減少盲目試驗的次數(shù)，節(jié)省試驗成本，提高本質(zhì)安全程度和產(chǎn)品質(zhì)量。
????????【中塑在線】您剛才談到，使用國際先進的計算軟件包，省去編程、調(diào)試等許多工作量。目前國際都有哪些數(shù)值計算軟件可以用在高分子材料的領域?能請您介紹一下這些軟件嗎?
????????陳晉南：目前國際上有許多成熟的商業(yè)軟件可以用于高分子材料領域和化工過程，例如FLUENT、PHOENICS、ANSYS CFX、GAUSSIAN、MATERIALS STUDIO。我簡單介紹一下這些軟件。
????????FLUENT是目前國際上比較流行的CFD軟件包。FLUENT包含豐富先進的物理模型和物性參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，可用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復雜牛頓或非牛頓的流動，凡是與流體、熱傳遞和化學反應等有關的工程領域均可使用。
????????PHOENICS是英國CHAM公司開發(fā)的模擬傳熱、流動、反應、燃燒過程的通用CFD軟件，應用領域包括航空航天、能源動力、船舶水利、暖通空調(diào)、建筑、海洋、石油化工、汽車、冶金、交通、燃燒、核工程和環(huán)境工程等。
????????ANSYS CFX是由英國AEA公司開發(fā)全球第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的大型商業(yè)CFD軟件，后來被ANSYS收購。用于模擬流體流動、傳熱、多相流、化學反應、燃燒問題，可應用于航空航天、旋轉(zhuǎn)機械、能源、石油化工、機械制造、汽車、生物技術、水處理、防火安全、冶金、環(huán)保等領域。
????????GAUSSIAN是美國Gaussian公司的量子化學軟件，是研究取代效應、反應機理、勢能面和激發(fā)態(tài)能量的有力工具，可數(shù)值研究高分子能量和結構、過渡態(tài)的能量和結構、化學鍵、反應能量、分子軌道、偶極矩和多極矩、原子電荷和電勢、振動頻率、紅外和拉曼光譜、NMR、極化率和超極化率、熱力學性質(zhì)、反應路徑，模擬氣相和溶液中的體系，模擬基態(tài)和激發(fā)態(tài)，可揭示高分子材料的微觀性質(zhì)。
????????MATERIALS STUDIO材料模擬軟件是美國Accelrys公司的高度模塊化的集成產(chǎn)品。該軟件包括量子力學QM、線形標度量子力學Linear Scaling QM、分子力學MM、分子動力學MD、蒙特卡洛MC、介觀動力學MesoDyn和耗散粒子動力學DPD和統(tǒng)計方法QSAR等幾十個模塊，可數(shù)值模擬研究高分子材料的力學與分子動力學、晶體生長、晶體結構、量子力學、界面作用、定量結構。
?????????【中塑在線】您在理事會創(chuàng)新專題討論環(huán)節(jié)中講到希望更多的企業(yè)能使用數(shù)值模擬新技術，相比國外，國內(nèi)企業(yè)在新技術和分析軟件的利用上是否還存在很大的差距?
????????陳晉南：國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)在新技術和分析軟件的利用存在很大的差距。發(fā)達國家使用材料軟件研究材料配方，預測材料的性能，優(yōu)化配方后，再在實驗室研制材料，大大縮短了新材料的研發(fā)周期，節(jié)省了成本，提高了本質(zhì)安全的程度。美國媒體CNN報道，在美的三位科學家：哈佛大學教授馬丁·卡普拉斯，斯坦福大學教授邁克爾·萊維特和南加州大學教授阿里耶·瓦謝勒科研成果是用計算機模擬化學實驗，突破傳統(tǒng)“試管實驗”局限性，榮獲化學諾貝爾獎?；瘜W家用棍子和小球搭建復雜模型的時代在他們手上終結。三位得獎者的努力，使得如今的計算機程序可以對化學反應詳細描述并進行復雜預測。計算機成為化學實驗室中不可或缺的實驗手段之一，他們所得出的方法既簡單又保證了極高的準確性。
????????在合成樹脂方面，應用模擬技術的差距很大。我國不少單位購買了MATERIALS STUDIO材料模擬軟件，使用該軟件研究問題發(fā)表了一些論文，鮮見使用該軟件合成新材料的。
????????目前，國內(nèi)塑料行業(yè)開發(fā)新設備絕大多數(shù)采用試湊的試驗方法，憑經(jīng)驗或模仿設計加工設備結構，用大量的試驗確定操作工藝條件。國外開發(fā)新設備，首先測定物料的流變性能，確定描述該物料性能的本構方程，建立描述成型加工過程的方程，使用計算機和成熟軟件，在計算機上做擠出、吹塑、注射等成型試驗，優(yōu)化設計加工設備結構和確定操作工藝條件。再制造機器設備和做成型試驗，數(shù)值模擬的結果指導了設計和試驗工作。
????????【中塑在線】目前國內(nèi)塑料加工企業(yè)對數(shù)值模擬這類技術的利用情況怎樣?產(chǎn)生這種差距的原因是什么?
????????陳晉南：目前，國內(nèi)很多的大學和企業(yè)都購買大型商業(yè)軟件，學習了軟件的使用和操作，使用新技術研究科學和技術問題，推動了塑料行業(yè)的發(fā)展。我們課題組與企業(yè)合作、為企業(yè)服務，根據(jù)工程的要求數(shù)值研究高分子材料螺桿擠出過程和成型機理，正交設計了螺桿元件的組合，優(yōu)化螺桿結構，比較研究了螺紋塊與捏合塊的功能，模擬仿真了不同物料粒子的運動軌跡，動態(tài)模擬了雙螺桿擠出中物料混合過程，研究了三螺桿的擠出特性，研究了銷釘機筒擠出機螺桿混和段的混合性能，優(yōu)化設計螺桿擠出機的模具，研究螺桿機筒和口模組合流道物料的流場，數(shù)字設計橡膠密封條擠出模具，研究了頭部無螺紋和有螺紋注射螺桿的性能，研究工藝參數(shù)對注射螺桿流道中熔體流場各物理量的影響，研究物性、工藝條件對不同材料共擠出的影響，數(shù)值研究螺筒結構對擠出機性能的影響，數(shù)值模擬優(yōu)化帶把手HDPE油桶擠出吹塑型坯壁厚，研究了型坯溫度對HDPE油桶成型的影響，為企業(yè)新型螺桿和模具的設計，工藝條件的優(yōu)化提供了理論依據(jù)和技術支持。我們課題組用數(shù)值模擬研究特殊聚合物加工成型，取得了突破性的成果。
????????我國數(shù)值計算的應用屬于起步階段，還需深入發(fā)展。我擔任國家自然科學基金的面上項目和青年基金項目評審邀請(有機高分子材料學科)的通訊評審專家，回國以來我有幸審核了不少申請報告。由于不少國內(nèi)核心期刊的信任，我審核了很多有關數(shù)值模擬的論文。在審核工作中，我發(fā)現(xiàn)了不少好文章。
????????這里我要談的是發(fā)現(xiàn)的一些共性問題：
????????1. 本構方程是錯的，數(shù)值模擬的結果也就是錯的。具體有以下5種情況：
????????(1) 沒有認真測試物料的流變性能，因為每種流變測試儀器都有一定的測試范圍，錯誤的使用流變儀，測試的數(shù)據(jù)就會有問題;
????????(2) 有的沒有測試低剪切速率或高剪切速率下物料的流變數(shù)據(jù)，得到物料的本構方程是線性的，不能描述物料的流變性能;
????????(3) 有的隨意從軟件的數(shù)據(jù)庫選擇物料的本構方程;
????????(4) 流變儀的工作原理基于牛頓內(nèi)摩擦定律，高分子材料是非牛頓流體，必須進行Bagley，壁面滑移和Rabinowitsch校正。不少人沒有進行校正，直接把測試的物料的表觀黏度當物料黏度使用，不處理數(shù)據(jù)。
????????(5) 有的國產(chǎn)流變儀設備結構看上去不錯。但是，非常遺憾處理流變數(shù)據(jù)的軟件使用的方程是錯誤的，處理得到的數(shù)據(jù)必定也是錯的;
????????2. 由于數(shù)學和力學的基礎不好，參照他人發(fā)表的論文，隨意選擇數(shù)學模型。
????????3. 錯誤或不會分析數(shù)值模擬的結果，無法指導工程實際。
????????4. 有的文章沒有設立工藝條件和邊界條件，就有計算結果，不知結果是怎么算出來的。有的干脆抄襲他人的數(shù)值模擬圖。
????????以上4種問題，導致數(shù)值模擬物料的加工過程的結果是錯誤的，不能指導設備的設計，確定的工藝條件也是錯的。
????????這其中最嚴重的問題是學術界的學術腐敗問題。個別人抄襲他人發(fā)表的論文的計算結果和數(shù)值模擬圖。這里列舉兩例：2003年Polyflow用戶大會上，我指導的博士生胡冬冬公布了三螺桿的研究成果。2004年，在化工學報我們發(fā)表了嚙合同向三螺桿擠出機中三維等溫流動的數(shù)值模擬的文章。北京化工大學的一位教授閱讀論文時發(fā)現(xiàn)了抄襲問題，電話通知我，國內(nèi)某大學的老師把我們研究的圖粘貼到自己的論文中投稿到國外。后來，我認真核對了這位年輕的老師在國外發(fā)表的兩篇論文，發(fā)現(xiàn)存在嚴重抄襲問題。他研究的材料是PP，螺桿的外徑是45mm，胡冬冬研究的材料是LDPE，螺桿的外徑是53mm。他發(fā)表的文章中，中心區(qū)粒子的停留時間分布曲線與胡冬冬得到的完全一樣，連圖中的材料都還是PE，不是他研究的PP。他得到的四螺桿中心區(qū)粒子的停留時間分布曲線也與胡冬冬研究的三螺桿一樣。為了維護中國的聲譽，我考慮再三沒有給國外的編輯寫信，揭露這個抄襲問題。
????????在審核2008年國家自然基金時，我發(fā)現(xiàn)還是這位大學老師，他在申請中寫道：“對于多螺桿擠出機混合機理的研究，國內(nèi)外處于空白狀態(tài)?！睘榱松暾埥?jīng)費不惜造假。當然他沒有申請到這一年的國家自然基金。但是，他沒有接受教訓和改正錯誤，后來申請了省里的基金。大學老師不講誠信，學術造假，不能堅守誠信基本道德的底線，還怎么教書育人。這是非常讓人痛心的事。
????????還有一次，我審核論文時，發(fā)現(xiàn)一篇論文求解的問題是20年前就已經(jīng)求解過的，而他引用的文獻卻是近期的，來說明自己研究的問題沒有人做過。由于他不理解抄襲的公式，得到的數(shù)值模擬圖是從另外的地方復制的。這也說明有個別導師沒有認真審核自己學生撰寫的論文。
????????對于學術腐敗問題，我個人認為不講誠信，浮躁急于求成，急功近利是第一個原因，第二個原因是不重視基礎研究，化工和高分子材料的科技和工程技術人員數(shù)學和力學基礎不好。國家和行業(yè)需要加大企業(yè)和科技人員誠信教育，加大對侵權和違規(guī)的打擊力度。希望我們的行業(yè)協(xié)會充分整合調(diào)動大學、大型企業(yè)各種資源，舉辦新技術、新理論培訓班推廣新技術，提高工程技術人員理論水平，使學者和技術人員有更多的共同語言，便于更好地合作。我相信，一定有不少老師和科技工作者原意提供服務。我們課題組也愿意提供服務。
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????????【中塑在線】您剛才談到行業(yè)協(xié)會的作用，您認為行業(yè)協(xié)會應該如何發(fā)揮作用?
????????陳晉南：行業(yè)協(xié)會最重要的職能歸納為：一是中介組織，要起到在政府和企業(yè)之間起橋梁和紐帶作用；二是服務職能；三是提供信息；四是培訓功能；五是參政功能。我校繼續(xù)教育學院的團隊曾經(jīng)研究了行業(yè)協(xié)會的歷史沿革和作用。2007年繼續(xù)教育雜志連續(xù)3期發(fā)表了我們的研究成果《借鑒國外行業(yè)協(xié)會經(jīng)驗，加速我國繼續(xù)教育協(xié)會的建設和發(fā)展》，有興趣的朋友可以查閱我們的文章。
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????????進一步了解陳晉南教授辭掉公職赴美留學的經(jīng)歷以及對中國傳統(tǒng)高等教育的深刻反思，請點擊：http://info.21cp.com/industry/News/201603/1117354.htm
