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        中國力學計算發展史中的風云人物-馮康
        • 時間: 2019-01-25
        • 作者: rootfea
        • 文章來源: 原創

        總起來一句話:今日的力學要充分利用計算機和現代計算技術去回答一切宏觀的實際科學技術問題,計算方法非常重要。

                                                       ——錢學森


        計算力學從60年代初開始登上國際力學界的舞臺,并馬上得到了飛速的發展。50年代中期Martin,Tuner,Clough,Todd等人提出了有限元方法的基本思想和方法,這個方法特別適合于計算機上使用,對求解各類力學問題表現出廣泛的適用性。由于商品化計算機的出現,特別是編程語言的出現,這種方法立即受到廣泛的注意。經過Zienkiewicz等的發展,在工業應用需求的強大推動下,有限元方法的發展十分迅速,在不到10年的時間里構造了一大批單元,吸引了一大批數學工作者參加進來,和力學工作者一起逐步建立起有限元方法的數學理論,建立了通用的求解方法和程序段。在傳統的力學中,結構力學和固體力學的各類問題,如桿系、板、殼、塊體,其基本方程和求解方法都有明顯的差別,歸屬于不同的研究領域,現在,在計算力學這一新工具方法面前統一了起來,力學界在歷史上第一次向工業界提供了統一求解很多類型問題的方法和工具——有限元分析程序。這個方法的通用性使得它在土木、航空、機械工業中迅速得到了廣泛的應用,現在人們可以相當準確地預測出摩天大樓、跨海大橋、汽車、飛機和火箭的力學特性,模擬很多高速碰撞、爆炸和復雜的流動現象。這個方法的通用性使得它可以把固體力學、流體力學和一般力學這幾個不同的力學分支中的求解統一在一個框架中,組織在一個程序中,從而使得復雜的流固耦合、剛柔體耦合等問題的求解成為可能。由于其強大的生命力,這個方法迅速地向其他力學領域和物理領域推廣。開發、銷售有限元軟件現在已經發展成為一個產業。




        在計算力學基本理論、方法和應用軟件上,中國學者都作出了自己的貢獻。例如:馮康。


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        馮康,1920年9月出生于江蘇南京,中國科學院院士,中國科學院計算中心創始人、研究員、博士生導師。他是中國有限元法創始人和計算數學研究的奠基人和開拓者,主要研究拓撲群、廣義函數、應用數學、計算數學、科學與工程計算。他提出的“最小幾乎周期拓撲群”解決了這一類李群的結構表征問題;建立了廣義函數的泛函對偶定理與“廣義梅林變換”;“基于變分原理的差分格式”獨立于西方創始了有限元方法;提出了自然邊界歸化和超奇異積分方程理論,發展了有限元邊界元自然耦合方法;“論差分格式與辛幾何”系統地首創辛幾何計算方法、動力系統及其工程應用的交叉性研究新領域。1997年,馮康的“哈密爾頓系統辛幾何算法”更是獲得國家自然科學獎的一等獎。


        由于從60年代興起的有限元方法主要是在固體和結構力學中得到應用,其在計算流體力學領域內卻存在著很多挑戰性的課題。中國流體力學界為此作出了很重要的貢獻,馮康作為這一領域的佼佼者,不僅建立了有限元方法的基礎,還促進了其發展。


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        有限元分析


        1.有限元構造及其數學基礎
        60年代,馮康等給出了基于分片插值和變分方法的偏微分方程的數值解法,可以看作最早給出了二維有限元收斂性的證明,建立了有限元方法的數學基礎。石鐘慈、張鴻慶等研究了有限元的收斂性數學理論。清華大學杜慶華、姚振漢等積極推進邊界元法的研究和應用。徐次達等在加權殘數法方面也都有很多重要的工作。


        2.適合于計算機上的算法
        最近幾年,馮康提出哈密頓動力體系的保辛差分為保守體系數值積分指出了方向。鐘萬勰等基于計算力學和最優控制的相似性將哈密頓體系理論應用于有限元并發展了精細積分方法。林家浩提出了高效的隨機振動的確定性算法,提高了這類問題的計算效率1~2個量階,被國內外同行廣泛使用于大型水壩、橋梁、高層建筑的地震響應計算。張汝清、王希誠、李明瑞等對結構分析和優化的并行算法進行了深入的研究。


        這些應該說是中國計算力學研究開發的重大成就,也是中國計算力學為國家經濟建設和社會發展作出的重大貢獻。


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        隨著市場競爭的加劇,產品更新周期愈來愈短,企業對新技術的需求更加迫切,而有限元數值模擬技術是提升產品質量、縮短設計周期、提高產品競爭力的一項有效手段,所以,隨著計算機技術和計算方法的發展,有限元法在工程設計和科研領域得到了越來越廣泛的重視和應用,已經成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑,從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算,其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學研究等各個領域的廣泛使用已使設計水平發生了質的飛躍。由此可見,有限元分析計算已經廣泛應用于幾乎所有科學技術領域,持續占有市場,成為了現在炙手可熱的技術行業。

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