龙驭球岑松研究组：无限元法研讨的峥嵘光阴

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土水学院龙驭球院士、航院岑松教学等实现的“广义协调与新型天然坐标法主导的高性能有限元及结构剖析系列研究”项目获2013年度国度做作科学奖二等奖

有限元法研究的峥嵘光阴

　　●练习记者 南秀渊

　　项目称号

　　广义协调与新型自然坐标法主导的高性能有限元及结构分析系列研究

　　项目完成人

　　龙驭球、岑松、龙志飞、傅茂发、陈晓明

　　项目先容

　　有限元法是古代结构设计的主导计算方法，其发展历史中的诸多挑战性问题始终遭到学术界的存眷。经由30余年研究，该项目建立了一系列新型有限元理论、方法和模型，破解多项学科难题，推动告终构工程学科开展和工程设计程度的进步。

　　该项目属于土木匠程与盘算力学的穿插领域。其重要迷信发明点包括五个方面：(1)开创狭义协调节论，在分区变分原理与极限协调观点基本上导出广义协调前提，从而创立高机能的广义协调元。(2)首翻新型天然坐标系列办法，为处理抗畸变敏感困难开辟新道路。(3)创破分区混杂元、新型剖析试函数元和新型样条元三种有限元法。(4)创建新型分区变分原理跟含参变分道理。(5)破解剪切闭锁、网格畸变敏感、应力精度丧失、应力奇点计算、非调和元法不保障收敛而和谐元法排挤优良单位等五宗学科难题。今朝该名目已有多种新型无限元模子及算法被中国建造科学研究院等单元研制的主流构造计划软件所采取，在现实工程中获得广泛利用。相干论著被海内外专家学者普遍援用，此中由清华年夜学出版社和德国斯普林格出书社结合出版的中英文专著《新型有限元论》失掉学术界的高度评估。

　　88岁的龙驭球院士是我国著名的土木工程和结构力学专家、教导家。他与有限元法研究结缘，能够追溯到40多年前。那时正值文革，龙师长教师从江西鲤鱼洲农场返校后，参加了为工农兵学生讲课办学的行列。其间翻阅东方学术杂志，他常常会遇到两个新名词———“计算机力学”和“有限元法”。

图为龙驭球院士近照。

　　“其时我对这两个概念并非很明白。”龙驭球回想说，“在事先国内科技成长一日千里，国内学术领域却信息滞后、止步不前的大情况下，我觉得很心急。经由过程对西方研究状态的懂得，我开端逐步意识到，计算机已‘闯进’了经典力学领域，‘电算’必将取代‘人算’，传统力学将面对宏大变更。”

　　为了追逐世界的步调，龙驭球战胜重重艰苦，经过自学研究，在文革前期编写了 《有限元法概论》一书，这也是我国最早正式出版的有限元著述之一。从当时起，在40多年不知疲倦的耕作中，龙驭球带领团队一次次攻坚克难，把中国的有限元法研究成果不断推向世界，并最终在这个领域建立了本人不容疏忽的地位。

　　2014年1月，“广义协调与新型自然坐标法主导的高性能有限元及结构分析系列研究”项目获2013年度国家自然科学奖二等奖。

四次“突围”辟新天

　　1981年至今，龙驭球在新型无限元方式研究范畴共培育出10位硕士、14位博士，构成了一脉相承的研讨团队。他们前后阅历了四次“解围”，开拓出一片硕果累累的新六合。

　　起首是理论立异，在学科难题中突围。龙驭球和他的团队迎难而上，选定有限元学科领域一系列悬而未决的汗青难题作为“靶子”，追求冲破与创新。工夫不负有心人，他们针对位移型有限元的“协调之谜”，树立了广义协调理论与广义协调元，从基本上解决了有限元法中非协调元不收敛的难题，把西方学者提出的后验式“分片测验”方法酿成了事后的实践保证，从新发现了被传统方法排斥在外的上百个高性能结构新单元模型；龙驭球提出的自然坐标法与自然坐标元，则很好地解决了四边形单元网格畸变敏感问题，这一理论结果在壳体三重非线性大变形分析、金属板壳成形、金属罐刺穿打击断裂等挑战性问题中失掉胜利运用；另外，龙驭球还提出了分区混合有限元法，破解了应力奇点计算难题，成为迄今为止计算价格最小但准确度最好的奇怪问题有限元分析方法。

　　其次是模式创新，在“单元”丛林中突围,清华培训班。打开浩如烟海的有限元文献，林林总总的单元举不胜举。跟着理论的不断改革，新的单元模式也会不断出现。龙驭球团队在单元森林中的突围，有两点分外有目共睹：一是在数目上，迄今他们共创立了116个新型优良单元，分属于5个新单元系列，堪称“群星闪耀”，叹为观止；二是在品质上，这些单元都存在很高的性能。“1985年，美国MSC软件公司（著名软件Nastran的出产商）开创人麦克尼尔已经提出一个对于网格畸变的难题（即“麦克尼尔修长梁问题”）——良多著名单元都对网格畸变敏感，在梯形畸变网格中精度很低。“直到2004年，我们团队基于四边形面积坐标提出了广义协调元AGQ6，这个遗留了19年的历史难题才得以破解，并黯然加入历史舞台。”提到这一点，龙驭球不无自豪地说。

　　其三是“中华智慧”在国际名著中突围。有限元领域已经出版的名著不在多数，但大局部都是国外学者的成果。作为持久从事新型有限元方法研究的中国学者，龙驭球和他的团队深感义务严重，冀望在有限元研究领域也有属于我们自己的专著，收回中国科学家的洪亮声响。经过量年尽力，《新型有限元论》于2004年正式出版。2009年，应德国斯普林格出版社和清华大学出版社联合约请，《新型有限元论》的英文版《Advanced FiniteElement Methods in Structural Engineering》也正式出版。这套介绍中国粹者原创成果的有限元中英文专著井水不犯河水，是龙驭球团队积少成多的结晶。其英文电子版在斯普林格网站公然宣布后两年半内，曾经被国际同业下载高达7409次，产生了广泛深远的影响。

　　最后是推进“外乡精兵”在国际软件中突围。据统计，目前我国每一年新增修建面积约占世界新增建筑面总量的50%，领有“残山剩水”。而在宏大的修筑结构设计工业中，国产软件盘踞了主导地位，这在其余行业领域是未几见的。现在，由龙驭球带领创立的很多新型有限元模型曾经被国内主流结构设计软件广泛采用，并被证实优于外洋同类软件中的同类模型，无力支持了国产结构设计CAD软件的开展。

中西合璧力抢先

“停止学术创新须要智慧。中西智慧各有分歧，应该超出范围，扬长避短，交相照映，互补共生。这既是我们秉持的目标，也是我们具备的上风。”在长达半个世纪的治学生活中，龙驭球一直保持用中西联合的奇特方法领导团队研究。

图为龙驭球和团队成员一路探讨（左起：龙志飞、傅向荣、龙驭球、岑松、陈晓明）。王建一 摄

　　“我们研究的有限元法，其精华是团圆化。”龙驭球说明说，“‘团圆分析，精细入微’是西方的聪明，我们应当进修；与此同时，咱们也要运用‘协调综合，源头治本’的中华智慧，以防误差。”

　　厚板壳单元剪切闭锁成绩曾是一宗学科难题———有名的“缩减积分法”和“抉择性缩减积分法”都不克不及“根治”这一问题，只能停止修补，修补过程当中还会派生出“零能形式”的新问题。针对传统解决措施的弊病，龙驭球率领团队运用“源头治本”的战略，找出闭锁成绩发生的本源———厚板元在薄板情形下会呈现虚伪剪应变，从而致使闭锁。因而他们改用“打假”后的剪应变公道插值形式，从源头上肃清了闭锁景象。

　　应用“泉源治标”的理念，龙驭球团队还先后处理了单元网格畸变敏感、位移元应力精度损掉、应力奇点计算、非协调元不保证收敛而协调元法排斥优秀单元等难题。这充足表现了龙驭球团队勇于挑衅学科天下难题，在东方学者占统治位置的有限元领域自成一家的精力。

青出于蓝薪火传

“在团队里，一开始是我领跑在先，当初则是后来者居上了！”龙驭球看着坐在一旁的得力助手岑松传授，快慰地说，“薪火相传，后来居上，是一种常态。厥后者有机遇看到后人留下的成果，同时也要看到他们的教训经验，如许就会得到更多新的机会。”

　　现实确实如斯。如今，龙驭球的团队中人才辈出———岑松从1994年读硕士时开始从事有限元法研究，主要涵盖广义协调元和新型自然坐标方法领域，屡次取得突破性成果，已经逐渐生长为新型有限元偏向的学科带头人；龙志飞教授则在广义协调薄板单元新模式、薄壳单元新模式、新型自然坐标法及应用等诸多方面作出了创新性奉献；还有傅向荣、陈晓明这样的“新力量”，他们对有限元领域很多难题的破解起到了相当重要的感化。

　　龙驭球和列位团队成员都有各自的主攻标的目的，在“独当一面”的同时又能彼此相同，亲密配合，这也是他们终极在新型有限元方法和结构分析研究等多方面获得打破性停顿的主要起因。“有限元领域仍然存在很多灾解之题，相关研究另有很大的拓展和深入空间。然而我们不来由畏难，只有我们的研究后继有人，就必定能把有限元法研究一直推向进步。”龙驭球动摇地说。

　　起源：新清华 2014-5-23