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材料科学大师（9）：Alan Arnold Griffith
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Alan Arnold Griffith（1893/6/13–1963/10/13），一位英国工程师，因其在金属的应力与断裂方面的贡献，以及率先奠定了喷气发动机的理论基础而名垂史册。
Griffith最初学习机械工程，先后在利物浦大学获得硕士和博士学位。1915年，被皇家飞机制造厂（Royal Aircraft Factory）接受为见习生。1920年，提升为“资深科学主管”（senior scientific officer）。随后，加盟“物理与仪器部”。[该机构后更名为现在的“皇家飞机航空局”，Royal Aircraft Establishment （RAE）]。
时至今日，Griffith的一些早期工作仍然得到广泛的应用。1917年，他与G. I. Taylor一道，提出利用肥皂泡的薄膜来研究应力问题。这一方法是将肥皂泡在几个条纹之间延伸、拉长，这些条纹代表着所研究物体的边棱，于是薄膜的色彩便会显示出应力的花样。这一（以及类似的）方法一直沿用到二十世纪90年代，直到计算机有能力胜任相同的数值实验为止。
Griffith更为著名的是关于金属中应力与失效性质的理论研究。在那个年代，一般认为材料的强度大约是其杨氏模量（E）的十分之一，即E/10。然而，实际的情况却是，许多材料通常在比它预计的强度值低4个数量级时便会发生失效。Griffith发现，所有的材料都存在有许多微观裂纹，他进一步假设正是由于这些裂纹降低了材料的整体强度。这是因为固体中的空洞会产生应力集中，这一事实已经被当时的力学家们所认知。这种应力集中的结果导致在整个材料承受的应力远未达到E/10之前，裂纹尖端的应力已经达到了E/10。
基于这些工作，Griffith 将自己的脆性断裂理论公式化，提出了弹性应变能的概念。他的理论描述了在考虑能量介入的情况下，一个椭圆性质的裂纹发生扩展时的行为。其公式被认为是描述脆性断裂的基本公式，所表示的是当裂纹扩展到足以使材料断裂时，增加的表面能与失去的应变能相等。由于释放的应变能直接与裂纹长度的平方成正比，只有在裂纹相对短的情况下，其扩展所需要的能量才会超过所能够得到的应变能。超过临界的Griffith裂纹长度，裂纹才变得危险。
Griffith于1920年发表了这项工作。论文的题目是“The phenomenon of rupture and flow in solids”，见Philosophical Transactions of the Royal Society of London, A221, 163-198 (1921)。这一经典论文中所建立的一些准则以及由这些准则所发展出来的推论奠定了当代断裂力学的基础。Griffith的论文在整个材料科学与工程历史中是被引用得最多的论文之一。论文也在工业界产生了轰动。骤然之间，由于冷轧这样的加工所带来的材料“硬化”变得不再神秘。飞机设计师们立刻明白了他们的设计失败的原因，尽管在他们的设计远比当时认为必要的强度高的多。很快，他们便转向对金属进行抛光，以去除表面的裂纹。于是在20世纪30年代，诞生了一系列极其美妙的设计，诸如“波音247”。到了30年代，Griffith的工作被G. R. Irwin进一步扩展、普适化，几乎可以适用于所有的材料，而并不仅限于刚性固体。
在1926年的一次研讨会上，Griffith发表了题为“An Aerodynamic Theory of Turbine Design”的论文。他指出了当时飞机发动机的性能拙劣是由于它们设计上的缺陷。他指的是叶片的“飞行失速”，并且提出了现代的叶片的薄片形状，极大地提高了发动机的性能。该文提出了一种采用轴向压缩机和双级涡轮机的发动机。第一级驱动压缩机，第二级驱动为螺旋桨提供动力的动力脱离轴。这一早期的设计便是涡轮螺旋桨发动机的前身。论文导致了“航空研究委员会”去支持小规模的实验，采用单级轴向压缩机和单级轴向涡轮机。到了1928年，完成了工作实验台的设计，以此通过一系列设计来验证各种概念。
几乎是与此同时，Frank Whittle撰写了他关于涡轮发动机的学位论文。提出利用离心式压缩机和单级涡轮机。排放的剩余动力可直接用作为飞机的动力。1930年，Whittle将其论文提交到政府的空军部。空军部将此文交付Griffith 评审。Griffith 首先指出了Whittle在计算上的错误，他认为压缩机的前部尺寸过大，对飞机来说是不适用的，排出的气体本身只能提供很小的推力。于是空军部回复了Whittle，表示对他的设计不感兴趣。Whittle非常沮丧，但他在皇家空军的一位朋友对这一想法很感兴趣，给予了支持。幸运的降临使得Whittle 在1930年将他的设计申请了专利，并于1935年创办了自己的公司“Power Jets”（设计和制造喷气发动机）。
Griffith 后来出任“科学总管”（principal scientific officer），负责在South Kensington 新建的空军部实验室。在那里，他发明了反向流气体涡轮机，采用的是两套沿着相反方向旋转的压缩机盘，其中一套嵌于另一套的内部。这与大多数的设计截然相反，一般的情况是，压缩机将空气吹向发动机的定子，压缩机盘基本上处于非运动状态。1931年，他再次回到皇家飞机航空局（RAE），负责主持发动机的研究。1938年, 他出任RAE的发动机部主任，主持研发轴流式发动机。另一方面，仅仅是在Power Jets 的短期工作，Whittle便取得了显著的进展。这使得Griffith 不得不重新审视Whittle 利用喷气直接作为推力的观点。1940年初，他们迅速地设计出“Metrovick F.2”型涡轮喷气发动机。
1939年，Griffith加盟Rolls-Royce（罗罗公司），担任研究工程师，在那里一直工作到1960年。期间，他设计了AJ.65轴向涡轮喷气机，带动了Avon发动机的发展。后来，他又转向涡轮风扇的设计。Griffith还参与了垂直起降(VTOL) 技术的先驱研究工作，将罗罗公司的“推力测量钻（Thrust Measuring Rig）”技术推向极致。Griffith退休后仍然担任罗罗公司的顾问。
由Griffith于1945年在Rolls Royces主持设计的首台轴流发动机：Avon涡轮喷气发动机，15级压缩机，设计推力为6500lbs。
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http://www.wingweb.co.uk/engines/Rolls-Royce_Avon_turbojet.html
https://wap.sciencenet.cn/blog-63234-351055.html
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