计算力学专家:钟万勰
 

钟万勰
工程力学和计算力学专家。浙江德清人。1993年当选为中同科学院院士。
   钟万勰,计算力学专家。(1934—— )长期从事工程力学研究与应用。他结合我国国情,发展了多种先进软件技术;在群论、极限分析、参变量变分原理等方面提出了重要的理论与方法,并组织开发了多种大型结构分析系统,如JIGFEX,DDJ/W等,对于推动计算力学在我国工程界广泛应用起了重大作用。
  钟万勰,1934年2月24日出生于上海一个书香门第,原籍浙江省德清县。父亲钟兆琳是交通大学著名教授,我国著名的电机工程专家、教育家、中国电机科学及民族电机工业创始人之一。1942年汪伪接收交通大学时,他愤然退出,靠做家庭教师勉强度日;中华人民共和国成立后,钟老精神振奋,为教育和科学事业努力工作。父亲正直的一生,对钟万勰的人生道路有着深刻的影响。钟万勰启蒙于上海南洋模范小学。在他幼小的时候,父亲订了《科学画报》,使他和哥哥钟万劢得以在课余徜徉于一个引人入胜的科幻海洋之中,激发了探索大自然奥秘的强烈欲望;年幼的钟万勰“很好奇”,与哥哥一起兴致勃勃地制作船、滑翔机等小模型,初次领略了科学世界中的欢乐。
  钟兆琳酷爱围棋。钟万勰亦常与其父兄对弈,打棋谱。他十几岁,棋艺已在上海初露头角;60年代曾称雄大连。钟万勰经常在与围棋高手的对弈中磨炼缜密思维的素质和顽强拼搏的意志。家庭的熏陶,还使他自幼喜爱欧洲古典音乐。数十年风风雨雨中,又不时沉浸于贝多芬的《命运》、《英雄》交响乐中,陶冶高尚的情操,舒展豁达的胸怀。
  1952—1956年,钟万勰在同济大学攻读桥梁隧道工程。他在数学方面的天赋和对科学知识的领悟能力,很快就引起师长和同学对他的瞩目,但他从不恃才玩忽,而是非常刻苦,自学了大量课外书籍。他有一张珍爱的书签,正面印着马克思的名言:“在科学上没有平坦的大道,只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人才有希望到达光辉的顶点”;书签背面则写着他对这句名言的体会。这张伴随他多年的书签,后来被作为珍贵的礼物送给了他的同学和未婚妻杨学龄;以后他们成为志同道合的终生伴侣。这张书签以后又由杨学龄转送给了她的胞弟杨再石。现在,这张催人奋进的书签又传到了钟万勰之子钟翔翔之手。
  功夫不负有心人。学生时代的钟万勰就写出两篇颇有见地的学术论文。其中一篇《弹性力学中的接触问题》由校长李国豪推荐给了1956年第一次全国力学学会成立大会。初露锋芒,就受到一些力学家的重视。毕业后钟万勰进入了中国科学院力学研究所,并在1957年全国第一届力学培训班中作为钱伟长教授的助手辅导数学,年方23岁。1960年,他到中国科技大学力学系讲授理论力学(含陀螺理论、非线性振动等)。早在60年代,他就自学了大量理论物理经典著作,即使在上下班路上,或在食堂排队时,他也经常手不释卷,神游于由一大堆抽象数学符号所组成的奇妙世界。长期刻苦的努力,使他具备了宽广、扎实的理论基础,深邃的科学洞察力。因而能居高临下,在科学领域里得心应手地开展有创见的研究工作。
  1957年,他因对钱伟长被错定为右派表示了一下“没看出来”,就被迫离开了共青团组织。随之而来的是无数的不愉快,但自幼树立的科学强国之心却丝毫未曾动摇。他不顾一切,悄悄地在由“数与力”组成的世界里探索着,贪婪地吸吮着一切养料。他依然憧憬着美好的明天。
  1962年,在广州召开知识分子工作会议期间,我国两位著名力学家钱学森和钱令希商量了有关人才的交流。不久,钱令希来到北京中国科学院力学所,经胡海昌的介绍和推荐,他认识了钟万勰。相见恨晚,钱令希将钟万勰调到了大连工学院(现为大连理工大学)。为了培养他登上更高的山峰,钱令希先是把一向由自己主讲的“结构力学”课程交给了他,然后又把协助指导研究生的重担压到他的肩上。两人合作,研究工作节节进展。即使是星期天,钟万勰也常常在钱令希家讨论工作。1963年,在全国塑性理论与极限分析学术讨论会上,二人合作宣读了《关于壳体极限分析一般变分原理》的论文,在力学界引起了重视。他们还注视着国际力学界的动向,讨论如何把现代计算技术引入力学。在中国开展计算力学的研究。
  “文化大革命”初期,钱令希和钟万勰虽然都已身受政治的重压,但当时他们正承担着为研制核潜艇的壳体结构计算的任务。在炎炎暑热中,他们忍辱负重,日以继夜地工作,出色地完成了任务。钟万勰利用写思想汇报挤出的时间和白纸,凭着一颗赤子之心,在没有参考资料的情况下,在昏暗的小屋里,完成了题为《腰鼓形壳体的稳定性问题》的论文。一天,在校园里,钟万勰瞅准机会,迅速跑到钱令希身边,将这篇稿子塞进了老教授的口袋。毋须多言,彼此心照不宣。老教授细心阅读之后,感到很有创见,便将这篇论文寄给有关工程部门,从此,钱令希更加坚信了自己所庇护的是多么难得的一个人才。
  70年代初,国际力学界由于现代计算机的应用,发生了巨大变化。1972年,钱令希运用自己仅有的一点点影响,力争将钟万勰等几个人送到上海探索用计算机使力学更好地为生产服务的途径。初步打开局面后,又组织了一支小分队前去上海共同开拓。初到上海时,钟万勰满腔热情,以自己的才干打响了第一炮。他在万众瞩目的上海电视塔整体起吊的重大项目中,把“群论”引入结构力学,在小计算机上出色地解决了这个难题。上海工业建筑设计院(现华东建筑设计院)和上海市政工程设计院这两个最有影响的设计院为小分队提供支持,而小分队则以开发出的软件为他们服务。当时的工作条件是十分艰苦的。全上海仅在徐家汇附近的市计算中心有两台小计算机可以使用,不但功能极其有限,(它们的内存仅为48K和256K字节),而且每天只在半夜12点前后才能安排10~15分钟上机时间。为了准备纸带,还得在清晨6点以前去“占领”为数很少的穿孔机。但这样简陋的条件已足令钟万勰兴奋不已了。小分队废寝忘食地工作。用当时国内还很少人应用的计算机自动化语言编制的程序一个接一个地交给了设计院,从最简单的平面框架开始,到平面板架、空间网架、空间刚架、簿壁杆件、升板结构、以及国家水塔标准图系列的三维力学分析。短短一年多时间,这支小分队的工作不但在上海的设计院中得到了承认,程序很快流传全国各地。在上海科学会堂举办过多期大型讲座,钟万勰被邀请详细讲解,听众踊跃,其中不少人后来成为所在单位计算机开发应用的骨干。这期间,不但小分队驻地频频接待前来咨询者,钟万勰的只有一间20多平方米住房的家更是日夜客人川流不息,他家三辈五口,包括年逾古稀患有心脏病的岳父母,全都热情地投入了义务接待工作。一家人感到生活从未如此充实。艰苦的奋斗终于开花结果。不少在国内有重要影响的工程,如上海电视塔、辽宁体育馆、上海体育馆、上海卫星地面站大型天线等的关键性力学分析,都借助这些软件成果而圆满解决。

  但是,在“文化大革命”期间,“借促生产名义压革命”等帽子到处横飞。在1974年一个寒冷的冬日,小分队终于被迫扔下全部工作撤回大连。但是他们心里都很清楚,到上海的这段“主动出击”绝非徒劳。它将推动计算机在我国工程界的广泛应用和学校教学内容的改革。后来的事实证明,他们在困难的政治气候下,争取到了宝贵的时间,使我国在计算力学领域与国际水平的巨大差距一下子缩短了很多。回到大连,他们默默地加大了赶超的步伐。钟万勰更以非凡的勇气和魄力着手组织开发大型复杂结构的多层子结构三维分析集成系统。尽管人力财力物力均与先进的国家无法相比,但钟万勰毫不胆怯。他出色地发挥了围棋高手特有的那种严密精细的逻辑思维才能,及奋勇拼搏的无畏精神,仅用一年多时间,就基本调通了这一名为JIGFEX的高水平大型软件系统。很多人都看到,他是豁出了命去干的。那是1975年夏天,钟万勰被医院怀疑腹内有癌,必须尽快手术。身怀“绝症”的钟万勰以为时间不多了,就在病床上不断地又读又写又算,还托同事代他上机加紧考核程序。为了攀登这座新的高峰,他已完全将生死置之度外。医生和同事们劝他休息,从上海匆匆赶来的杨学龄回答说:“你们是没法拿掉他的书的,让他读吧,他读起书来就会把一切都忘掉了”。万幸的是手术表明这仅是一个良性瘤。但这一次生与死的考验,却反映出这位青年专家顽强的意志。
  1978年,全国人民终于迎来了渴望已久的科学春天,全国科学大会在北京隆重举行。在大连工学院受到大会嘉奖的四项力学成果中,钟万勰在三项中发挥了重要作用。他被首批由讲师破格提升为教授。其后,他又获得过国家自然科学二、三、四等奖和多次部委级科技进步奖。《人民日报》、《光明日报》、《辽宁日报》曾先后报道过他的成才之路。钟万勰是以其聪明才智和勤奋过人的进取精神取得成就的。同时,新中国给予的培养教育与机遇、不少先辈学者的扶植,伙伴们的同心合作,以及家庭的影响等等,总之,祖国这块沃土在他的成才之路上起了不可或缺的作用。
  钟万勰长期从事工程力学的研究和教学工作,并善于汲取相邻学科的概念和方法。学科间的相互渗透常能引出令人耳目一新的效果。他对我国计算力学学科的奠基、开拓和育才做出突出的贡献。

变分原理及其应用

  我国力学界在变分原理的研究与应用方面屡有创新。钟万勰在60年代曾为塑性极限分析提出过一般变分原理,它可以给出传统上、下限定理之间极限荷载。20年后计算力学得到蓬勃发展,他又进一步发表新的上、下限定理。接着为了解决力学问题中因为本构关系的多样复杂性而引起的非线性增量问题,他吸取最优控制理论的思想,推出了参变量变分原理。这个现代变分原理有别于经典变分原理。经典变分原理中的泛函在约束条件事先满足或解除之后,其变分的范围是不受限制的,但是实际上最优解往往都在不等式构成的闭集的边界上,这时经典变分原理无能为力了。钟万勰为参变量变分原理构造了一套很有效的二次规划的算法。通常在非线性问题的传统算法中,每一增量步都需要进行冗长的反复迭代过程,而他的算法可以一步到位。新颖的参变量变分原理及其二次规划算法使过去认为难以用变分原理表达和处理的一大类非线性本构关系的力学问题有了新的表达方式和有效的算法。这些问题包括粘弹塑性力学、岩土力学、复合材料力学、接触、润滑、摩擦等问题。这项工作受到国内外同行的瞩目,成为一个有特色的发展方向。

壳体理论

  钟万勰早期曾在柱壳、锥壳、扁壳、折壳、薄壁构件等方面做过不少工作,但比较突出的是在一项潜艇耐压壳的研究任务中,发现了锥、柱结合壳失稳的一个基本不利的结合形式,即在取凹式结合时,当几何尺寸接近特定的关系式时,壳体失稳的临界外水压力将急剧下降。他在理论上阐明其力学机理,并在实验中得到验证,从而研究了规避和补强的方法。这项成果已反映在我国潜艇的设计规则中。他还研究了无肋的圆柱壳母线的最优形式以提高其抗外水压力的能力。这两项工作在壳体理论上都是富有创新意义的。

计算力学及程序开发

  早在60年代,钟万勰在壳体研究中已应用了计算机。70年代初,他抓住时机将现代计算技术用于力学,为工程服务。先是在国产小机X-2上研制开发了一系列结构设计计算程序,迅速在国内流传应用。后来机器条件逐渐改善,他意识到独立自主开发国产软件的重要性,不仅是当时国家工程建设的急需,也是培养人才以建立自己队伍的需要。他挑起重担,坚守国内阵地,先后费了十多年的时间,研制了以JIGFEX/DDJ为中心的有限元分析程序系统,成为一系列应用程序的基础。他设计研制的数据管理系统JINEGS成为这些应用系统的核心工具,直至现在。他领导开发的JIGFEX/DDJ在计算力学方面有自己的特色和创新,如位移规格数、相对坐标的描述、多重部分主从关系、抽象单元装配模式、多层子结构自动装配、荷载模式荷载工况的多重组合、稀疏矩阵总刚优序、假优序等等。当时我国尚被技术封锁,理论、技术和人才培养都得依靠自己。他凭藉自己对新事物的敏感和勤奋钻研,带领大家研制开发的JIGFEX、DDJ/W、DASOS-J、DIASS、DASTAB、INSAS-J、FCAD、DDDU等程序系统在以后的各次鉴定中都被承认为与国际上同类程序的水平相当或是比较先进的。这些系统都在工程设计中发挥了重要作用。这些工作包括:上海电视塔的吊装(1972)、船舶在随机海浪中的反应(1972)、多水源供水管网(1973)、卫星地面站天线(1973)、体育馆大跨度三维屋盖(1974)、半潜式海洋平台(1975)、水塔系列标准设计(1973—1975)、汽轮机组动力基础(1975—1977)、双体船结构(1976)、斗轮挖掘机(1976)、重庆长江桥(1977)、若干复杂体形的高层建筑(1982年起)、斜拉桥的振动与稳定(上海泖港、南浦、扬浦大桥,1983—1992)、东风4型承重式机车车厢(1983)、上海人民广场地下车库(1983)等。

  还值得一提的是,他在处理工程问题时,发现诸如在电视塔、水塔、海洋平台、屋盖结构、和齿轮结构中存在着广义的有规律的对称性,他将近代代数与理论物理中的群论表示方法引入到结构力学中,使得计算效率成倍以至数量级的提高。

优化设计和计算机辅助设计

  计算力学的发展促使结构力学从结构分析进一步扩大到结构设计领域的研究。他对此也非常敏感。相对于结构分析,优化设计属于反问题,要困难得多。在开发大型优化设计程序DDDU的过程中,他建议和改进的序列二次规划起了重要作用。这个方法迄今成为该领域的最为有效的方法之一。计算机辅助设计CAD是一个大方向。他在80年代中期就带领一个研究组开发了土建设计中钢筋混凝土结构的CAD程序系统FCAD,从分析、设计计算到施工图的绘制,达到了实用化,在国内土建设计中发挥了作用。在研究开发中,他又一次发挥了他数学知识的潜力。设计中需要考虑各种工况的荷载组合,他把荷载组合予以数学形式化,建立了荷载组合抽象代数,并将计算机科学的编译技术BNF正则表示与LL(1)语法分析技术引入到应用程序系统的自动解析。这种学科间的渗透产生了很好的效果。公路桥梁要求车列加载的最不利形式这个重要问题一直没有规范化的成熟算法,他用数学中的动态规划解决了这个问题,并将DDJ-W程序扩充,给予实现,国内几个重要桥梁工程已予应用。他的一位在上海交大的学生以此与日本土木学会的合作,得到好评。

结构力学与最优控制理论的相互模拟

  近年来,他发现周期性构造的结构和离散时间的最优控制在数学上有一系列模拟对应关系,因此可以互相沟通和利用彼此优越的计算方法。例如对于周期性结构分析中的波的传播问题,他引入控制理论中的辛矩阵的分析方法,来研究波传播的功率流、散射、振动局部化成因及共振等现象。这种跨学科的模拟和渗透还有很大潜力。
  在模拟理论的基础上,他将辛数学方法用于弹性力学求解,发展了一套新的求解体系,将传统的半逆法改造为分离变量的直接法。新的方法论可以扩大问题求解的领域,还可以用到工程力学的多个方面去。
  钟万勰立足于工程力学,思维敏捷,善于在相邻学科中吸取新概念和新方法。他自称在学术上总是“不安分”的,每有心得和进展,就交流给周围的同事和学生去继续开发,自己的主要精力则又去探索新的问题和新的领域,永不满足。
  钟万勰在国际学术交流中很活跃。他是国际计算力学协会常务理事。最近,他又被英国威尔士大学工程学院聘为名誉教授。但他却是土生土长,完全由新中国自己培养出来的专家。
  (作者:林家浩 杨再石)

简历

  1934年2月24日 出生于上海市。
  1952—1956年 同济大学桥梁与隧道专业学习。
  1956—1962年 中国科学院力学研究所任研究实习员,清华大学工程力学班兼任应用数学助教,中国科学技术大学兼任理论力学教员。
  1962—1978年 大连工学院数理力学系讲师。
  1978年 大连工学院工程力学研究所教授、所长,计算机科学与工程系兼任系主任,首批博士生导师,博士后流动站导师。
  1980年 上海交通大学工程力学系兼职教授。
  1987年 同济大学桥梁系兼职教授。
  1983—1991年 中国力学学会计算力学委员会第一、第二任主任。
  1986年 中国力学学会理事、常务理事;国际计算力学协会常务理事。
  1993年 英国威尔士大学、香港大学名誉教授。
  1993年 中国科学院院士。

主要论著

  1 钟万勰,裘春航.群论在结构分析中的应用.力学学报,1978.
  2 钟万勰.极限分析中新上、下限定理.力学学报,1983.
  3 钟万勰.哈密尔顿矩阵主要本征解的共轭辛子空间迭代法.自然科学进展,1992.
  4 钟万勰.一个多用途的结构分析程序JIGFEX.大连工学院学报,1977.
  5 钟万勰.分离变量法与哈密尔顿体系.计算结构力学及其应用,
  1991.
  6 Tsoon Wanshia(Zhong Wanxie).Simplified analysis of shallowsperical shellssimply supported on po1ygona1 bases.Scientia Sinica,1965,14(9):1366~1372.
  7 Qian Lingxi,Zhong Wanxie,Sui Yunkang and Zhang Jindong.Efficient optimum design of structures—Program DDDU.Computer Method in Applied Mechanics and Engineering,1982,38.
  8 Zhong Wanxie,Sun Suming.A finite element method for elasto-plastic structural analysis and contact problems by parametricquadratic programming.Intern.Journ.of Num.Meth.in Eng.,1988,26(12):2723~2638.

  9 Zhong Wanxie,Lin Jiahao,Qiu Chunhang.Computational structuralmechanics and optimal control—The simulation of substructuralchain theory to 1inear quadratic optimal control prob1ems.Intern J.of Num.Meth.inEng.,1992,33:197~211.
  10 钟万勰.计算结构力学微机程序设计.水利电力出版社,1988.