陳晉南教授：塑料加工企業應加強對新技術的利用
????????陳晉南，北京理工大學化工與環境學院教授、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會2016年理事會上的發言鼓舞人心 ?
????????【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的研究生要學很多數學的課程，例如高等應用數學、數學分析、數值計算，我們博士生資格考試時，要考線性代數、高等應用數學、數學分析、數值計算這5門數學課程。我學習的研究生專業課程，每次的作業都要求我們用編程解題來完成。國內化工、高分子材料專業學習的數學和力學知識不夠，培養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。目前國內很多大學，研究生還沒有設立數值計算的有關課程。
????????當時，我就下決心要把數值模擬的先進技術引進國內，推廣它的使用，與企業合作，為企業服務。設立化工應用數學的課程，培養研究生，提高他們的數學和力學水平，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，在國內率先引進了數值模擬技術和Polyflow軟件，建立了北京理工大學化工過程數值模擬實驗室，進行高分子材料加工和化工過程的數值模擬。這樣的模擬實驗對實際的材料加工和生產有什么意義?
????????陳晉南：描述高分子材料加工擠出過程的數學物理方程都是非線性方程。非線性方程不能解析求解。在數值模擬技術發明前，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驗公式來描述。工程中一般使用試湊的試驗方法來研發新產品、新設備，試驗周期長，成本高，有的產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品質量的因素很多。制備不同品種高分子材料，以往憑經驗設計設備，采用試湊方法確定工藝參數，試制新產品的周期長，需花費大量的人力物力，研發費用高。對于有些特殊產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始。差分方法的經典著作于1957年問世。電子計算機和現代計算技術的發展使這些近似方法得到了極大的應用。隨著信息技術的發展，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。
????????為了滿足生產實際工程的需要，在高分子材料加工方面，發達國家匯集大量的科技人員系統地開發了一系列軟件，很多軟件經工程實踐考驗，成為成熟的商業軟件包，其中計算數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、設備結構和工藝參數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、調試等許多工作量，大大縮短研發周期，優化試驗方案，減少盲目試驗的次數，節省試驗成本，提高本質安全程度和產品質量。
????????【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、調試等許多工作量。目前國際都有哪些數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的數據庫，可用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內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、建筑、海洋、石油化工、汽車、冶金、交通、燃燒、核工程和環境工程等。
????????ANSYS CFX是由英國AEA公司開發全球第一個通過ISO9001質量認證的大型商業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、勢能面和激發態能量的有力工具，可數值研究高分子能量和結構、過渡態的能量和結構、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、反應路徑，模擬氣相和溶液中的體系，模擬基態和激發態，可揭示高分子材料的微觀性質。
????????MATERIALS STUDIO材料模擬軟件是美國Accelrys公司的高度模塊化的集成產品。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和統計方法QSAR等幾十個模塊，可數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】您在理事會創新專題討論環節中講到希望更多的企業能使用數值模擬新技術，相比國外，國內企業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：國內企業與國外企業在新技術和分析軟件的利用存在很大的差距。發達國家使用材料軟件研究材料配方，預測材料的性能，優化配方后，再在實驗室研制材料，大大縮短了新材料的研發周期，節省了成本，提高了本質安全的程度。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“試管實驗”局限性，榮獲化學諾貝爾獎。化學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表了一些論文，鮮見使用該軟件合成新材料的。
????????目前，國內塑料行業開發新設備絕大多數采用試湊的試驗方法，憑經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，數值模擬的結果指導了設計和試驗工作。
????????【中塑在線】目前國內塑料加工企業對數值模擬這類技術的利用情況怎樣?產生這種差距的原因是什么?
????????陳晉南：目前，國內很多的大學和企業都購買大型商業軟件，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，推動了塑料行業的發展。我們課題組與企業合作、為企業服務，根據工程的要求數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，數值研究螺筒結構對擠出機性能的影響，數值模擬優化帶把手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，為企業新型螺桿和模具的設計，工藝條件的優化提供了理論依據和技術支持。我們課題組用數值模擬研究特殊聚合物加工成型，取得了突破性的成果。
????????我國數值計算的應用屬于起步階段，還需深入發展。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。由于不少國內核心期刊的信任，我審核了很多有關數值模擬的論文。在審核工作中，我發現了不少好文章。
????????這里我要談的是發現的一些共性問題：
????????1. 本構方程是錯的，數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，測試的數據就會有問題;
????????(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據，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據庫選擇物料的本構方程;
????????(4) 流變儀的工作原理基于牛頓內摩擦定律，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，不處理數據。
????????(5) 有的國產流變儀設備結構看上去不錯。但是，非常遺憾處理流變數據的軟件使用的方程是錯誤的，處理得到的數據必定也是錯的;
????????2. 由于數學和力學的基礎不好，參照他人發表的論文，隨意選擇數學模型。
????????3. 錯誤或不會分析數值模擬的結果，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值模擬圖。
????????以上4種問題，導致數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。個別人抄襲他人發表的論文的計算結果和數值模擬圖。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，在化工學報我們發表了嚙合同向三螺桿擠出機中三維等溫流動的數值模擬的文章。北京化工大學的一位教授閱讀論文時發現了抄襲問題，電話通知我，國內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表的兩篇論文，發現存在嚴重抄襲問題。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。他發表的文章中，中心區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，我發現還是這位大學老師，他在申請中寫道：“對于多螺桿擠出機混合機理的研究，國內外處于空白狀態。”為了申請經費不惜造假。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，發現一篇論文求解的問題是20年前就已經求解過的，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學和力學基礎不好。國家和行業需要加大企業和科技人員誠信教育，加大對侵權和違規的打擊力度。希望我們的行業協會充分整合調動大學、大型企業各種資源，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】您剛才談到行業協會的作用，您認為行業協會應該如何發揮作用?
????????陳晉南：行業協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。我校繼續教育學院的團隊曾經研究了行業協會的歷史沿革和作用。2007年繼續教育雜志連續3期發表了我們的研究成果《借鑒國外行業協會經驗，加速我國繼續教育協會的建設和發展》，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歷以及對中國傳統高等教育的深刻反思，請點擊：http://info.21cp.com/industry/News/201603/1117354.htm
