你所不知道的：中國(guó)人對(duì)有限元軟件的貢獻(xiàn)

2016-12-15 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

項(xiàng)目名稱

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、傅向榮、陳曉明

項(xiàng)目介紹

有限元法是現(xiàn)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(wèn)題一直受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。經(jīng)過(guò)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)了結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展和工程設(shè)計(jì)水平的提高。

該項(xiàng)目屬于土木工程與計(jì)算力學(xué)的交叉領(lǐng)域。其主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)包含五個(gè)方面:(1)首創(chuàng)廣義協(xié)調(diào)理論,在分區(qū)變分原理與極限協(xié)調(diào)概念基礎(chǔ)上導(dǎo)出廣義協(xié)調(diào)條件,從而創(chuàng)立高性能的廣義協(xié)調(diào)元。(2)首創(chuàng)新型自然坐標(biāo)系列方法,為解決抗畸變敏感難題開(kāi)辟新途徑。(3)創(chuàng)立分區(qū)混合元、新型解析試函數(shù)元和新型樣條元三種有限元法。(4)創(chuàng)立新型分區(qū)變分原理和含參變分原理。(5)破解剪切閉鎖、網(wǎng)格畸變敏感、應(yīng)力精度損失、應(yīng)力奇點(diǎn)計(jì)算、非協(xié)調(diào)元法不保證收斂而協(xié)調(diào)元法排斥優(yōu)秀單元等五宗學(xué)科難題。目前該項(xiàng)目已有多種新型有限元模型及算法被中國(guó)建筑科學(xué)研究院等單位研制的主流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件所采用,在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)論著被國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者廣泛引用,其中由清華大學(xué)出版社和德國(guó)斯普林格出版社聯(lián)合出版的中英文專著《新型有限元論》得到學(xué)術(shù)界的高度評(píng)價(jià)。

88歲的龍馭球院士是我國(guó)著名的土木工程和結(jié)構(gòu)力學(xué)專家、教育家。他與有限元法研究結(jié)緣,可以追溯到40多年前。當(dāng)時(shí)正值文革,龍先生從江西鯉魚(yú)洲農(nóng)場(chǎng)返校后,加入了為工農(nóng)兵學(xué)員授課辦學(xué)的行列。其間翻閱西方學(xué)術(shù)雜志,他經(jīng)常會(huì)碰到兩個(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。

“當(dāng)時(shí)我對(duì)這兩個(gè)概念并不是很清楚?！饼堮S球回憶說(shuō),“在當(dāng)時(shí)國(guó)外科技發(fā)展日新月異,國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)領(lǐng)域卻信息滯后、止步不前的大環(huán)境下,我感到很心急。通過(guò)對(duì)西方研究狀況的了解,我開(kāi)始逐漸認(rèn)識(shí)到,計(jì)算機(jī)已經(jīng)‘闖進(jìn)’了經(jīng)典力學(xué)領(lǐng)域,‘電算’勢(shì)必代替‘人算’,傳統(tǒng)力學(xué)將面臨巨大變革?！?/span>

為了追趕世界的步伐,龍馭球克服重重困難,通過(guò)自學(xué)鉆研,在文革后期編寫(xiě)了《有限元法概論》一書(shū),這也是我國(guó)最早正式出版的有限元著作之一。從那時(shí)起,在40多年孜孜不倦的耕耘中,龍馭球帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一次次攻堅(jiān)克難,把中國(guó)的有限元法研究成果不斷推向世界,并最終在這個(gè)領(lǐng)域確立了自己不容忽視的地位。

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(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

四次“突圍”辟新天

1981年至今,龍馭球在新型有限元方法研究領(lǐng)域共培養(yǎng)出10位碩士、14位博士,形成了一脈相承的研究團(tuán)隊(duì)。他們先后經(jīng)歷了四次“突圍”,開(kāi)辟出一片碩果累累的新天地。

首先是理論創(chuàng)新,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歷史難題作為“靶子”,尋求突破與創(chuàng)新。功夫不負(fù)有心人,他們針對(duì)位移型有限元的“協(xié)調(diào)之謎”,建立了廣義協(xié)調(diào)理論與廣義協(xié)調(diào)元,從根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“分片檢驗(yàn)”方法變成了預(yù)先的理論保證,重新發(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(wèn)題,這一理論成果在殼體三重非線性大變形分析、金屬板殼成形、金屬罐刺穿沖擊斷裂等挑戰(zhàn)性問(wèn)題中得到成功應(yīng)用;此外,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)算代價(jià)最小但精確度最好的奇異問(wèn)題有限元分析方法。

其次是模式創(chuàng)新,在“單元”叢林中突圍。翻開(kāi)浩如煙海的有限元文獻(xiàn),各式各樣的單元不勝枚舉。隨著理論的不斷革新,新的單元模式也會(huì)不斷涌現(xiàn)。龍馭球團(tuán)隊(duì)在單元叢林中的突圍,有兩點(diǎn)格外引人注目:一是在數(shù)量上,迄今他們共創(chuàng)立了116個(gè)新型優(yōu)質(zhì)單元,分屬于5個(gè)新單元系列,可謂“群星閃爍”,蔚為大觀;二是在質(zhì)量上,這些單元都具有很高的性能?！?985年,美國(guó)MSC軟件公司(著名軟件Nastran的生產(chǎn)商)創(chuàng)始人麥克尼爾曾經(jīng)提出一個(gè)關(guān)于網(wǎng)格畸變的難題(即“麥克尼爾細(xì)長(zhǎng)梁?jiǎn)栴}”)——很多著名單元都對(duì)網(wǎng)格畸變敏感,在梯形畸變網(wǎng)格中精度很低?！爸钡?004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,并黯然退出歷史舞臺(tái)?！碧岬竭@一點(diǎn),龍馭球不無(wú)驕傲地說(shuō)。

其三是“中華智慧”在國(guó)際名著中突圍。有限元領(lǐng)域已經(jīng)出版的名著不在少數(shù),但大部分都是國(guó)外學(xué)者的成果。作為長(zhǎng)期從事新型有限元方法研究的中國(guó)學(xué)者,龍馭球和他的團(tuán)隊(duì)深感責(zé)任重大,期望在有限元研究領(lǐng)域也有屬于我們自己的專著,發(fā)出中國(guó)科學(xué)家的響亮聲音。經(jīng)過(guò)多年努力,《新型有限元論》于2004年正式出版。2009年,應(yīng)德國(guó)斯普林格出版社和清華大學(xué)出版社聯(lián)合邀請(qǐng),《新型有限元論》的英文版《Advanced Finite Element Methods in Structural Engineering》也正式出版。這套介紹中國(guó)學(xué)者原創(chuàng)成果的有限元中英文專著相得益彰,是龍馭球團(tuán)隊(duì)集腋成裘的結(jié)晶。其英文電子版在斯普林格網(wǎng)站公開(kāi)發(fā)布后兩年半內(nèi),已經(jīng)被國(guó)際同行下載高達(dá)7409次,產(chǎn)生了廣泛深遠(yuǎn)的影響。

最后是推動(dòng)“本土精兵”在國(guó)際軟件中突圍。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)每年新增建筑面積約占世界新增建筑面總量的50%,擁有“半壁江山”。而在龐大的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)中,國(guó)產(chǎn)軟件占據(jù)了主導(dǎo)地位,這在其他行業(yè)領(lǐng)域是不多見(jiàn)的。如今,由龍馭球帶領(lǐng)創(chuàng)立的許多新型有限元模型已經(jīng)被國(guó)內(nèi)主流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件廣泛采納,并被證明優(yōu)于國(guó)外同類軟件中的同類模型,有力支撐了國(guó)產(chǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD軟件的發(fā)展。

中西合璧力爭(zhēng)先

“進(jìn)行學(xué)術(shù)創(chuàng)新需要智慧。中西智慧各有不同,應(yīng)當(dāng)超越局限,取長(zhǎng)補(bǔ)短,交相輝映,互補(bǔ)共生。這既是我們秉承的方針,也是我們具有的優(yōu)勢(shì)。”在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的治學(xué)生涯中,龍馭球始終堅(jiān)持用中西結(jié)合的獨(dú)特方法指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)研究。

圖為龍馭球和團(tuán)隊(duì)成員一起討論(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,其精髓是離散化?！饼堮S球解釋說(shuō),“‘離散分析,精密入微’是西方的智慧,我們應(yīng)該學(xué)習(xí);與此同時(shí),我們也要運(yùn)用‘和諧綜合,源頭治本’的中華智慧,以防偏差?！?/span>

厚板殼單元剪切閉鎖問(wèn)題曾經(jīng)是一宗學(xué)科難題———著名的“縮減積分法”和“選擇性縮減積分法”都不能“根治”這一問(wèn)題,只能進(jìn)行修補(bǔ),修補(bǔ)過(guò)程中還會(huì)派生出“零能模式”的新問(wèn)題。針對(duì)傳統(tǒng)解決辦法的弊端,龍馭球帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用“源頭治本”的策略,找出閉鎖問(wèn)題產(chǎn)生的根源———厚板元在薄板情況下會(huì)出現(xiàn)虛假剪應(yīng)變,從而導(dǎo)致閉鎖。于是他們改用“打假”后的剪應(yīng)變合理插值模式,從源頭上清除了閉鎖現(xiàn)象。

運(yùn)用“源頭治本”的理念,龍馭球團(tuán)隊(duì)還先后解決了單元網(wǎng)格畸變敏感、位移元應(yīng)力精度損失、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。這充分體現(xiàn)了龍馭球團(tuán)隊(duì)敢于挑戰(zhàn)學(xué)科世界難題,在西方學(xué)者占統(tǒng)治地位的有限元領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟的精神。

后來(lái)居上薪火傳

“在團(tuán)隊(duì)里,一開(kāi)始是我領(lǐng)跑在先,現(xiàn)在則是后來(lái)者居上了!”龍馭球看著坐在一旁的得力助手岑松教授,欣慰地說(shuō),“薪火相傳,后來(lái)居上,是一種常態(tài)。后來(lái)者有機(jī)會(huì)看到前人留下的成果,同時(shí)也要看到他們的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),這樣就會(huì)得到更多新的機(jī)遇?！?/span>

事實(shí)的確如此。如今,龍馭球的團(tuán)隊(duì)中人才濟(jì)濟(jì)———岑松從1994年讀碩士時(shí)開(kāi)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,多次獲得突破性成果,已經(jīng)逐漸成長(zhǎng)為新型有限元方向的學(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)新性貢獻(xiàn);還有傅向榮、陳曉明這樣的“生力軍”,他們對(duì)有限元領(lǐng)域不少難題的破解起到了至關(guān)重要的作用。

龍馭球和各位團(tuán)隊(duì)成員都有各自的主攻方向,在“獨(dú)當(dāng)一面”的同時(shí)又能相互溝通,密切合作,這也是他們最終在新型有限元方法和結(jié)構(gòu)分析研究等多方面取得突破性進(jìn)展的重要原因?！坝邢拊I(lǐng)域依然存在很多難解之題,相關(guān)研究還有很大的拓展和深化空間。但是我們沒(méi)有理由畏難,只要我們的研究后繼有人,就一定能把有限元法研究不斷推向前進(jìn)?！饼堮S球堅(jiān)定地說(shuō)。

清華新聞網(wǎng)

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