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土水學院龍馭球院士、航院岑松教學等實現的“廣義協調與新型天然坐標法主導的高性能有限元及結構剖析系列研究”項目獲2013年度國度做作科學獎二等獎

有限元法研究的崢嶸光陰

　　●練習記者 南秀淵

　　項目稱號

　　廣義協調與新型自然坐標法主導的高性能有限元及結構分析系列研究

　　項目完成人

　　龍馭球、岑松、龍志飛、傅茂發、陳曉明

　　項目先容

　　有限元法是古代結構設計的主導計算方法，其發展歷史中的諸多挑戰性問題始終遭到學術界的存眷。經由30余年研究，該項目建立了一系列新型有限元理論、方法和模型，破解多項學科難題，推動告終構工程學科開展和工程設計程度的進步。

　　該項目屬于土木匠程與盤算力學的穿插領域。其重要迷信發明點包括五個方面：(1)開創狹義協調節論，在分區變分原理與極限協調觀點基本上導出廣義協調前提，從而創立高機能的廣義協調元。(2)首翻新型天然坐標系列辦法，為處理抗畸變敏感困難開辟新道路。(3)創破分區混雜元、新型剖析試函數元和新型樣條元三種有限元法。(4)創建新型分區變分原理跟含參變分道理。(5)破解剪切閉鎖、網格畸變敏感、應力精度喪失、應力奇點計算、非調和元法不保障收斂而和諧元法排擠優良單位等五宗學科難題。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研究院等單元研制的主流構造計劃軟件所采取，在現實工程中獲得廣泛利用。相干論著被海內外專家學者普遍援用，此中由清華年夜學出版社和德國斯普林格出書社結合出版的中英文專著《新型有限元論》失掉學術界的高度評估。

　　88歲的龍馭球院士是我國著名的土木工程和結構力學專家、教導家。他與有限元法研究結緣，能夠追溯到40多年前。那時正值文革，龍師長教師從江西鯉魚洲農場返校后，參加了為工農兵學生講課辦學的行列。其間翻閱東方學術雜志，他常常會遇到兩個新名詞———“計算機力學”和“有限元法”。

圖為龍馭球院士近照。

　　“其時我對這兩個概念并非很明白。”龍馭球回想說，“在事先國內科技成長一日千里，國內學術領域卻信息滯后、止步不前的大情況下，我覺得很心急。經由過程對西方研究狀態的懂得，我開端逐步意識到，計算機已‘闖進’了經典力學領域，‘電算’必將取代‘人算’，傳統力學將面對宏大變更。”

　　為了追逐世界的步調，龍馭球戰勝重重艱苦，經過自學研究，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。從當時起，在40多年不知疲倦的耕作中，龍馭球帶領團隊一次次攻堅克難，把中國的有限元法研究成果不斷推向世界，并最終在這個領域建立了本人不容疏忽的地位。

　　2014年1月，“廣義協調與新型自然坐標法主導的高性能有限元及結構分析系列研究”項目獲2013年度國家自然科學獎二等獎。

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，構成了一脈相承的研討團隊。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，在學科難題中突圍。龍馭球和他的團隊迎難而上，選定有限元學科領域一系列懸而未決的汗青難題作為“靶子”，追求沖破與創新。工夫不負有心人，他們針對位移型有限元的“協調之謎”，樹立了廣義協調理論與廣義協調元，從基本上解決了有限元法中非協調元不收斂的難題，把西方學者提出的后驗式“分片測驗”方法釀成了事后的實踐保證，從新發現了被傳統方法排斥在外的上百個高性能結構新單元模型；龍馭球提出的自然坐標法與自然坐標元，則很好地解決了四邊形單元網格畸變敏感問題，這一理論結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性問題中失掉勝利運用；另外，龍馭球還提出了分區混合有限元法，破解了應力奇點計算難題，成為迄今為止計算價格最小但準確度最好的奇怪問題有限元分析方法。

　　其次是模式創新，在“單元”叢林中突圍,清華培訓班。打開浩如煙海的有限元文獻，林林總總的單元舉不勝舉。跟著理論的不斷改革，新的單元模式也會不斷出現。龍馭球團隊在單元森林中的突圍，有兩點分外有目共睹：一是在數目上，迄今他們共創立了116個新型優良單元，分屬于5個新單元系列，堪稱“群星閃耀”，嘆為觀止；二是在品質上，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的出產商）開創人麥克尼爾已經提出一個對于網格畸變的難題（即“麥克尼爾修長梁問題”）——良多著名單元都對網格畸變敏感，在梯形畸變網格中精度很低。“直到2004年，我們團隊基于四邊形面積坐標提出了廣義協調元AGQ6，這個遺留了19年的歷史難題才得以破解，并黯然加入歷史舞臺。”提到這一點，龍馭球不無自豪地說。

　　其三是“中華智慧”在國際名著中突圍。有限元領域已經出版的名著不在多數，但大局部都是國外學者的成果。作為持久從事新型有限元方法研究的中國學者，龍馭球和他的團隊深感義務嚴重，冀望在有限元研究領域也有屬于我們自己的專著，收回中國科學家的洪亮聲響。經過量年盡力，《新型有限元論》于2004年正式出版。2009年，應德國斯普林格出版社和清華大學出版社聯合約請，《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成果的有限元中英文專著井水不犯河水，是龍馭球團隊積少成多的結晶。其英文電子版在斯普林格網站公然宣布后兩年半內，曾經被國際同業下載高達7409次，產生了廣泛深遠的影響。

　　最后是推進“外鄉精兵”在國際軟件中突圍。據統計，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%，領有“殘山剩水”。而在宏大的修筑結構設計工業中，國產軟件盤踞了主導地位，這在其余行業領域是未幾見的。現在，由龍馭球帶領創立的很多新型有限元模型曾經被國內主流結構設計軟件廣泛采用，并被證實優于外洋同類軟件中的同類模型，無力支持了國產結構設計CAD軟件的開展。

中西合璧力搶先

“停止學術創新須要智慧。中西智慧各有分歧，應該超出范圍，揚長避短，交相照映，互補共生。這既是我們秉持的目標，也是我們具備的上風。”在長達半個世紀的治學生活中，龍馭球一直保持用中西聯合的奇特方法領導團隊研究。

圖為龍馭球和團隊成員一路探討（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，其精華是團圓化。”龍馭球說明說，“‘團圓分析，精細入微’是西方的聰明，我們應當進修；與此同時，咱們也要運用‘協調綜合，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，修補過程當中還會派生出“零能形式”的新問題。針對傳統解決措施的弊病，龍馭球率領團隊運用“源頭治本”的戰略，找出閉鎖成績發生的本源———厚板元在薄板情形下會呈現虛偽剪應變，從而致使閉鎖。因而他們改用“打假”后的剪應變公道插值形式，從源頭上肅清了閉鎖景象。

　　應用“泉源治標”的理念，龍馭球團隊還先后處理了單元網格畸變敏感、位移元應力精度損掉、應力奇點計算、非協調元不保證收斂而協調元法排斥優秀單元等難題。這充足表現了龍馭球團隊勇于挑釁學科天下難題，在東方學者占統治位置的有限元領域自成一家的精力。

青出于藍薪火傳

“在團隊里，一開始是我領跑在先，當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。厥后者有機遇看到后人留下的成果，同時也要看到他們的教訓經驗，如許就會得到更多新的機會。”

　　現實確實如斯。如今，龍馭球的團隊中人才輩出———岑松從1994年讀碩士時開始從事有限元法研究，主要涵蓋廣義協調元和新型自然坐標方法領域，屢次取得突破性成果，已經逐漸生長為新型有限元偏向的學科帶頭人；龍志飛教授則在廣義協調薄板單元新模式、薄殼單元新模式、新型自然坐標法及應用等諸多方面作出了創新性奉獻；還有傅向榮、陳曉明這樣的“新力量”，他們對有限元領域很多難題的破解起到了相當重要的感化。

　　龍馭球和列位團隊成員都有各自的主攻標的目的，在“獨當一面”的同時又能彼此相同，親密配合，這也是他們終極在新型有限元方法和結構分析研究等多方面獲得打破性停頓的主要起因。“有限元領域仍然存在很多災解之題，相關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步。”龍馭球動搖地說。

　　起源：新清華 2014-5-23