你所不知道的：中國人對有限元軟件的貢獻(xiàn)

2016-12-15 by:CAE仿真在線來源: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)計的主導(dǎo)計算方法,其發(fā)展歷史中的諸多挑戰(zhàn)性問題一直受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。經(jīng)過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,推動了結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展和工程設(shè)計水平的提高。

該項(xiàng)目屬于土木工程與計算力學(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建筑科學(xué)研究院等單位研制的主流結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件所采用,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)界的高度評價。

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)時正值文革,龍先生從江西鯉魚洲農(nóng)場返校后,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)常會碰到兩個新名詞———“計算機(jī)力學(xué)”和“有限元法”。

圖為龍馭球院士近照。

“當(dāng)時我對這兩個概念并不是很清楚?！饼堮S球回憶說,“在當(dāng)時國外科技發(fā)展日新月異,國內(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。通過對西方研究狀況的了解,我開始逐漸認(rèn)識到,計算機(jī)已經(jīng)‘闖進(jìn)’了經(jīng)典力學(xué)領(lǐng)域,‘電算’勢必代替‘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,通過自學(xué)鉆研,在文革后期編寫了《有限元法概論》一書,這也是我國最早正式出版的有限元著作之一。從那時起,在40多年孜孜不倦的耕耘中,龍馭球帶領(lǐng)團(tuán)隊一次次攻堅克難,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年度國家自然科學(xué)獎二等獎。

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。他們先后經(jīng)歷了四次“突圍”,開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)計算難題,成為迄今為止計算代價最小但精確度最好的奇異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。翻開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,新的單元模式也會不斷涌現(xiàn)。龍馭球團(tuán)隊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個新型優(yōu)質(zhì)單元,分屬于5個新單元系列,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)提出一個關(guān)于網(wǎng)格畸變的難題(即“麥克尼爾細(xì)長梁問題”)——很多著名單元都對網(wǎng)格畸變敏感,在梯形畸變網(wǎng)格中精度很低?！爸钡?004年,我們團(tuán)隊基于四邊形面積坐標(biāo)提出了廣義協(xié)調(diào)元AGQ6,這個遺留了19年的歷史難題才得以破解,并黯然退出歷史舞臺?！碧岬竭@一點(diǎn),龍馭球不無驕傲地說。

其三是“中華智慧”在國際名著中突圍。有限元領(lǐng)域已經(jīng)出版的名著不在少數(shù),但大部分都是國外學(xué)者的成果。作為長期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)出中國科學(xué)家的響亮聲音。經(jīng)過多年努力,《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)合邀請,《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)隊集腋成裘的結(jié)晶。其英文電子版在斯普林格網(wǎng)站公開發(fā)布后兩年半內(nèi),已經(jīng)被國際同行下載高達(dá)7409次,產(chǎn)生了廣泛深遠(yuǎn)的影響。

最后是推動“本土精兵”在國際軟件中突圍。據(jù)統(tǒng)計,目前我國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)計產(chǎn)業(yè)中,國產(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)被國內(nèi)主流結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件廣泛采納,并被證明優(yōu)于國外同類軟件中的同類模型,有力支撐了國產(chǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計CAD軟件的發(fā)展。

中西合璧力爭先

“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?！痹陂L達(dá)半個世紀(jì)的治學(xué)生涯中,龍馭球始終堅持用中西結(jié)合的獨(dú)特方法指導(dǎo)團(tuán)隊研究。

圖為龍馭球和團(tuán)隊成員一起討論(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,“‘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,我們也要運(yùn)用‘和諧綜合,源頭治本’的中華智慧,以防偏差。”

厚板殼單元剪切閉鎖問題曾經(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”這一問題,只能進(jìn)行修補(bǔ),修補(bǔ)過程中還會派生出“零能模式”的新問題。針對傳統(tǒng)解決辦法的弊端,龍馭球帶領(lǐng)團(tuán)隊運(yùn)用“源頭治本”的策略,找出閉鎖問題產(chǎn)生的根源———厚板元在薄板情況下會出現(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)樹一幟的精神。

后來居上薪火傳

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

事實(shí)的確如此。如今,龍馭球的團(tuán)隊中人才濟(jì)濟(jì)———岑松從1994年讀碩士時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,多次獲得突破性成果,已經(jīng)逐漸成長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)隊成員都有各自的主攻方向,在“獨(dú)當(dāng)一面”的同時又能相互溝通,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球堅定地說。

清華新聞網(wǎng)

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