龍馭球岑松研究組：無限元法研討的崢嶸光陰

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土水學(xué)院龍馭球院士、航院岑松教學(xué)等實(shí)現(xiàn)的“廣義協(xié)調(diào)與新型天然坐標(biāo)法主導(dǎo)的高性能有限元及結(jié)構(gòu)剖析系列研究”項(xiàng)目獲2013年度國度做作科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)

有限元法研究的崢嶸光陰

　　●練習(xí)記者 南秀淵

　　項(xiàng)目稱號

　　廣義協(xié)調(diào)與新型自然坐標(biāo)法主導(dǎo)的高性能有限元及結(jié)構(gòu)分析系列研究

　　項(xiàng)目完成人

　　龍馭球、岑松、龍志飛、傅茂發(fā)、陳曉明

　　項(xiàng)目先容

　　有限元法是古代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)計(jì)算方法，其發(fā)展歷史中的諸多挑戰(zhàn)性問題始終遭到學(xué)術(shù)界的存眷。經(jīng)由30余年研究，該項(xiàng)目建立了一系列新型有限元理論、方法和模型，破解多項(xiàng)學(xué)科難題，推動(dòng)告終構(gòu)工程學(xué)科開展和工程設(shè)計(jì)程度的進(jìn)步。

　　該項(xiàng)目屬于土木匠程與盤算力學(xué)的穿插領(lǐng)域。其重要迷信發(fā)明點(diǎn)包括五個(gè)方面：(1)開創(chuàng)狹義協(xié)調(diào)節(jié)論，在分區(qū)變分原理與極限協(xié)調(diào)觀點(diǎn)基本上導(dǎo)出廣義協(xié)調(diào)前提，從而創(chuàng)立高機(jī)能的廣義協(xié)調(diào)元。(2)首翻新型天然坐標(biāo)系列辦法，為處理抗畸變敏感困難開辟新道路。(3)創(chuàng)破分區(qū)混雜元、新型剖析試函數(shù)元和新型樣條元三種有限元法。(4)創(chuàng)建新型分區(qū)變分原理跟含參變分道理。(5)破解剪切閉鎖、網(wǎng)格畸變敏感、應(yīng)力精度喪失、應(yīng)力奇點(diǎn)計(jì)算、非調(diào)和元法不保障收斂而和諧元法排擠優(yōu)良單位等五宗學(xué)科難題。今朝該名目已有多種新型無限元模子及算法被中國建造科學(xué)研究院等單元研制的主流構(gòu)造計(jì)劃軟件所采取，在現(xiàn)實(shí)工程中獲得廣泛利用。相干論著被海內(nèi)外專家學(xué)者普遍援用，此中由清華年夜學(xué)出版社和德國斯普林格出書社結(jié)合出版的中英文專著《新型有限元論》失掉學(xué)術(shù)界的高度評估。

　　88歲的龍馭球院士是我國著名的土木工程和結(jié)構(gòu)力學(xué)專家、教導(dǎo)家。他與有限元法研究結(jié)緣，能夠追溯到40多年前。那時(shí)正值文革，龍師長教師從江西鯉魚洲農(nóng)場返校后，參加了為工農(nóng)兵學(xué)生講課辦學(xué)的行列。其間翻閱東方學(xué)術(shù)雜志，他常常會(huì)遇到兩個(gè)新名詞———“計(jì)算機(jī)力學(xué)”和“有限元法”。

圖為龍馭球院士近照。

　　“其時(shí)我對這兩個(gè)概念并非很明白。”龍馭球回想說，“在事先國內(nèi)科技成長一日千里，國內(nèi)學(xué)術(shù)領(lǐng)域卻信息滯后、止步不前的大情況下，我覺得很心急。經(jīng)由過程對西方研究狀態(tài)的懂得，我開端逐步意識到，計(jì)算機(jī)已‘闖進(jìn)’了經(jīng)典力學(xué)領(lǐng)域，‘電算’必將取代‘人算’，傳統(tǒng)力學(xué)將面對宏大變更。”

　　為了追逐世界的步調(diào)，龍馭球戰(zhàn)勝重重艱苦，經(jīng)過自學(xué)研究，在文革前期編寫了 《有限元法概論》一書，這也是我國最早正式出版的有限元著述之一。從當(dāng)時(shí)起，在40多年不知疲倦的耕作中，龍馭球帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一次次攻堅(jiān)克難，把中國的有限元法研究成果不斷推向世界，并最終在這個(gè)領(lǐng)域建立了本人不容疏忽的地位。

　　2014年1月，“廣義協(xié)調(diào)與新型自然坐標(biāo)法主導(dǎo)的高性能有限元及結(jié)構(gòu)分析系列研究”項(xiàng)目獲2013年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

四次“突圍”辟新天

　　1981年至今，龍馭球在新型無限元方式研究范疇共培育出10位碩士、14位博士，構(gòu)成了一脈相承的研討團(tuán)隊(duì)。他們前后閱歷了四次“解圍”，開拓出一片碩果累累的新六合。

　　起首是理論立異，在學(xué)科難題中突圍。龍馭球和他的團(tuán)隊(duì)迎難而上，選定有限元學(xué)科領(lǐng)域一系列懸而未決的汗青難題作為“靶子”，追求沖破與創(chuàng)新。工夫不負(fù)有心人，他們針對位移型有限元的“協(xié)調(diào)之謎”，樹立了廣義協(xié)調(diào)理論與廣義協(xié)調(diào)元，從基本上解決了有限元法中非協(xié)調(diào)元不收斂的難題，把西方學(xué)者提出的后驗(yàn)式“分片測驗(yàn)”方法釀成了事后的實(shí)踐保證，從新發(fā)現(xiàn)了被傳統(tǒng)方法排斥在外的上百個(gè)高性能結(jié)構(gòu)新單元模型；龍馭球提出的自然坐標(biāo)法與自然坐標(biāo)元，則很好地解決了四邊形單元網(wǎng)格畸變敏感問題，這一理論結(jié)果在殼體三重非線性大變形分析、金屬板殼成形、金屬罐刺穿打擊斷裂等挑戰(zhàn)性問題中失掉勝利運(yùn)用；另外，龍馭球還提出了分區(qū)混合有限元法，破解了應(yīng)力奇點(diǎn)計(jì)算難題，成為迄今為止計(jì)算價(jià)格最小但準(zhǔn)確度最好的奇怪問題有限元分析方法。

　　其次是模式創(chuàng)新，在“單元”叢林中突圍,清華培訓(xùn)班。打開浩如煙海的有限元文獻(xiàn)，林林總總的單元舉不勝舉。跟著理論的不斷改革，新的單元模式也會(huì)不斷出現(xiàn)。龍馭球團(tuán)隊(duì)在單元森林中的突圍，有兩點(diǎn)分外有目共睹：一是在數(shù)目上，迄今他們共創(chuàng)立了116個(gè)新型優(yōu)良單元，分屬于5個(gè)新單元系列，堪稱“群星閃耀”，嘆為觀止；二是在品質(zhì)上，這些單元都存在很高的性能。“1985年，美國MSC軟件公司（著名軟件Nastran的出產(chǎn)商）開創(chuàng)人麥克尼爾已經(jīng)提出一個(gè)對于網(wǎng)格畸變的難題（即“麥克尼爾修長梁問題”）——良多著名單元都對網(wǎng)格畸變敏感，在梯形畸變網(wǎng)格中精度很低。“直到2004年，我們團(tuán)隊(duì)基于四邊形面積坐標(biāo)提出了廣義協(xié)調(diào)元AGQ6，這個(gè)遺留了19年的歷史難題才得以破解，并黯然加入歷史舞臺(tái)。”提到這一點(diǎn)，龍馭球不無自豪地說。

　　其三是“中華智慧”在國際名著中突圍。有限元領(lǐng)域已經(jīng)出版的名著不在多數(shù)，但大局部都是國外學(xué)者的成果。作為持久從事新型有限元方法研究的中國學(xué)者，龍馭球和他的團(tuán)隊(duì)深感義務(wù)嚴(yán)重，冀望在有限元研究領(lǐng)域也有屬于我們自己的專著，收回中國科學(xué)家的洪亮聲響。經(jīng)過量年盡力，《新型有限元論》于2004年正式出版。2009年，應(yīng)德國斯普林格出版社和清華大學(xué)出版社聯(lián)合約請，《新型有限元論》的英文版《Advanced FiniteElement Methods in Structural Engineering》也正式出版。這套介紹中國粹者原創(chuàng)成果的有限元中英文專著井水不犯河水，是龍馭球團(tuán)隊(duì)積少成多的結(jié)晶。其英文電子版在斯普林格網(wǎng)站公然宣布后兩年半內(nèi)，曾經(jīng)被國際同業(yè)下載高達(dá)7409次，產(chǎn)生了廣泛深遠(yuǎn)的影響。

　　最后是推進(jìn)“外鄉(xiāng)精兵”在國際軟件中突圍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國每一年新增修建面積約占世界新增建筑面總量的50%，領(lǐng)有“殘山剩水”。而在宏大的修筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工業(yè)中，國產(chǎn)軟件盤踞了主導(dǎo)地位，這在其余行業(yè)領(lǐng)域是未幾見的�，F(xiàn)在，由龍馭球帶領(lǐng)創(chuàng)立的很多新型有限元模型曾經(jīng)被國內(nèi)主流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件廣泛采用，并被證實(shí)優(yōu)于外洋同類軟件中的同類模型，無力支持了國產(chǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD軟件的開展。

中西合璧力搶先

“停止學(xué)術(shù)創(chuàng)新須要智慧。中西智慧各有分歧，應(yīng)該超出范圍，揚(yáng)長避短，交相照映，互補(bǔ)共生。這既是我們秉持的目標(biāo)，也是我們具備的上風(fēng)。”在長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的治學(xué)生活中，龍馭球一直保持用中西聯(lián)合的奇特方法領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)研究。

圖為龍馭球和團(tuán)隊(duì)成員一路探討（左起：龍志飛、傅向榮、龍馭球、岑松、陳曉明）。王建一 攝

　　“我們研究的有限元法，其精華是團(tuán)圓化。”龍馭球說明說，“‘團(tuán)圓分析，精細(xì)入微’是西方的聰明，我們應(yīng)當(dāng)進(jìn)修；與此同時(shí)，咱們也要運(yùn)用‘協(xié)調(diào)綜合，源頭治本’的中華智慧，以防誤差。”

　　厚板殼單元剪切閉鎖成績曾是一宗學(xué)科難題———有名的“縮減積分法”和“抉擇性縮減積分法”都不克不及“根治”這一問題，只能停止修補(bǔ)，修補(bǔ)過程當(dāng)中還會(huì)派生出“零能形式”的新問題。針對傳統(tǒng)解決措施的弊病，龍馭球率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用“源頭治本”的戰(zhàn)略，找出閉鎖成績發(fā)生的本源———厚板元在薄板情形下會(huì)呈現(xiàn)虛偽剪應(yīng)變，從而致使閉鎖。因而他們改用“打假”后的剪應(yīng)變公道插值形式，從源頭上肅清了閉鎖景象。

　　應(yīng)用“泉源治標(biāo)”的理念，龍馭球團(tuán)隊(duì)還先后處理了單元網(wǎng)格畸變敏感、位移元應(yīng)力精度損掉、應(yīng)力奇點(diǎn)計(jì)算、非協(xié)調(diào)元不保證收斂而協(xié)調(diào)元法排斥優(yōu)秀單元等難題。這充足表現(xiàn)了龍馭球團(tuán)隊(duì)勇于挑釁學(xué)科天下難題，在東方學(xué)者占統(tǒng)治位置的有限元領(lǐng)域自成一家的精力。

青出于藍(lán)薪火傳

“在團(tuán)隊(duì)里，一開始是我領(lǐng)跑在先，當(dāng)初則是后來者居上了！”龍馭球看著坐在一旁的得力助手岑松傳授，快慰地說，“薪火相傳，后來居上，是一種常態(tài)。厥后者有機(jī)遇看到后人留下的成果，同時(shí)也要看到他們的教訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)，如許就會(huì)得到更多新的機(jī)會(huì)。”

　　現(xiàn)實(shí)確實(shí)如斯。如今，龍馭球的團(tuán)隊(duì)中人才輩出———岑松從1994年讀碩士時(shí)開始從事有限元法研究，主要涵蓋廣義協(xié)調(diào)元和新型自然坐標(biāo)方法領(lǐng)域，屢次取得突破性成果，已經(jīng)逐漸生長為新型有限元偏向的學(xué)科帶頭人；龍志飛教授則在廣義協(xié)調(diào)薄板單元新模式、薄殼單元新模式、新型自然坐標(biāo)法及應(yīng)用等諸多方面作出了創(chuàng)新性奉獻(xiàn)；還有傅向榮、陳曉明這樣的“新力量”，他們對有限元領(lǐng)域很多難題的破解起到了相當(dāng)重要的感化。

　　龍馭球和列位團(tuán)隊(duì)成員都有各自的主攻標(biāo)的目的，在“獨(dú)當(dāng)一面”的同時(shí)又能彼此相同，親密配合，這也是他們終極在新型有限元方法和結(jié)構(gòu)分析研究等多方面獲得打破性停頓的主要起因。“有限元領(lǐng)域仍然存在很多災(zāi)解之題，相關(guān)研究另有很大的拓展和深入空間。然而我們不來由畏難，只有我們的研究后繼有人，就必定能把有限元法研究一直推向進(jìn)步。”龍馭球動(dòng)搖地說。

　　起源：新清華 2014-5-23