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【光明日报】钟万勰:计算力学里的“爱国大义”

作者:吴琳、吕东光 来源:党委宣传部 新闻中心 时间:2020-08-03 08:03

1962年,钟万勰(左)与钱令希在一起。

【大家】

学人小传

钟万勰,工程力学与计算力学专家,中国计算力学发展的奠基人之一。1934年生于上海,1956年毕业于上海同济大学桥梁与隧道专业,同年分配到中国科学院力学研究所工作。1962年调入大连工学院(现大连理工大学),工作至今。1993年当选中国科学院院士。曾任中国科学院技术科学部副主任、中国力学学会副理事长、教育部科技委员会委员、中国力学学会计算力学专业委员会首任主任委员,第一至第四届国际计算力学协会常务理事与执行理事。现为国际计算力学协会执委会荣誉委员,英国威尔士卡迪夫大学名誉教授。

钟万勰几十年来致力于工程力学与计算力学研究,对经典弹性力学结构力学分析有重大推进,创建“离散辛数学”方法;发明了精细积分法,计算结构力学与最优控制的模拟关系,参变量变分原理等,形成了钟万勰计算力学学术思想体系。他为我国建造首艘核潜艇制定了“潜艇耐压壳强度”的设计规范,曾主持完成多个重大结构工程计算分析项目,“群论在结构分析中的应用”等应用力学结构分析计算理论,在改革开放初期,为解决国家重大工程关键问题作出重要贡献。研制出大量具有先进水平的结构分析集成程序软件,至今广泛服务于社会经济各领域,取得显著经济效益。其研究成果1991年、2010年两次荣获国家自然科学二等奖。2011年获ICCES终身成就奖。1998获国际计算力学协会FELLOW奖,2001年获何梁何利科学与技术进步奖和“全国模范教师”称号,已发表论文300余篇,出版《计算结构力学与最优控制》《弹性力学求解新体系》《参变量变分原理及其在工程中的应用》等中英文专著。

2020年5月23日,见到钟万勰院士时,这位86岁高龄的老人正在忙着著书立说,他的《辛数学及其工程应用》被征订为航空宇航科学与技术教材出版工程规划“十三五”教材项目。对于人才培养,钟万勰向来格外重视,要不是疫情耽搁,他还会一如既往地坚持给学生上课。

首 创

“离散辛数学”是钟万勰对世界计算力学的贡献,更是中国计算力学跻身世界的“国之重器”。它打破了由数学大师圣维南提出、由力学大师铁木辛柯总结出来的弹性力学“半逆法”,即圣维南问题“凑合法”的传统束缚,建立了高效、精准、便捷的计算力学结构分析体系。这一结构分析计算系统广泛适用于土木建筑、航空航天、电子通信、高铁、海上采油、核电开发、机械制造、交通运输等众多领域,均取得显著的经济效益。

更令人钦佩的是,1996年,钟万勰带着他的“离散辛数学”去斯坦福大学力学所讲学。斯坦福大学是铁木辛柯的“老窝”,里面的弟子都是权威人物。报告会上,钟万勰刚讲几句话,就有人举手提出质疑,但报告结束时,底下反而没有人疑问,他们纷纷表示:“弹性力学还可以这样改进!”之后,就是一阵经久不息的热烈掌声。

“外国人在这个领域做了这么多年的庄,我们中国人也该占有一席之地了!”钟万勰骄傲地说。

为什么钟万勰的“离散辛数学”能令众多世界计算力学大咖如此钦佩?能有如此神奇之应用功效?

首先,钟万勰吸收了盛行百余年的世界经典力学哈密尔顿体系,深刻解析了德国大数学家赫尔曼·韦尔1939年针对力学分析提出的辛数学概念。在此基础上,他创立了“离散”有限元变分的结构力学分析方式,形成了代数求解的“离散辛几何”方法。而哈密尔顿体系是用复杂的微分辛几何进行差分求解,其理论艰涩难懂,极其不适宜实践应用。

其次,“离散辛数学”是钟万勰近40年奋斗的心血结晶。在此期间,他创立了独树一帜的计算力学理论:“群论在结构力学中的应用”“极限分析中新上、下限定理”“参变量变分原理”“精细积分法”等。“离散辛数学”的诞生,标志着钟万勰学术思想体系的形成。

最后,通过“离散辛数学”,钟万勰建立了结构力学与最优控制之间的模拟关系。这一关节点的打通,实现了结构力学和动力学分析相互贯通,力学各学科之间的交叉和融合,纠正了国际计算力学界一直认为的“动力学能量与差分‘保辛’相矛盾”,即“保辛”则不能能量守恒、能量守恒就不能“保辛”的错误认识,为动力学控制理论发展作出重要贡献。

1993年,《计算结构力学与最优控制》出版;1995年,《弹性力学求解新体系》出版——这是钟万勰一生40余部著作中最有分量的两部。《弹性力学求解新体系》出版时,钱学森为此写来贺信:“是您使弹性力学的工程计算体系适应了电子计算机时代的要求,真是立了大功!”美国工程院院士卞学鐄教授称他的弹性力学新体系是首创。

《弹性力学求解新体系》获首届中国工程院光华工程科技奖一等奖。1993年,钟万勰当选为中国科学院院士。

“离散辛数学”体现了钟万勰“不唯洋是尊”的治学思想,“行成于思毁于随,要敢闯!”后来,他追根溯源,把这一发明返璞归真到“祖冲之方法论”上,发扬光大中华传统文化,并循循善诱将“祖冲之方法论”传播到广大学生之中。

奋 斗

钱伟长慧眼识珠,钟万勰大学毕业后被“点名”要进了中国科学院,他也在名家的锤炼中迅速成长。

钟万勰没留过学,但他精通英语、俄语,全凭自学。

钟万勰学习的刻苦劲头,有目共睹。食堂买饭排队在看书,生病被怀疑是癌症住院期间在看书,照顾生病的妻子时在看书,候机、等船在看书,甚至“文革”时期开大会,他也拿着一本量子力学的英文书在底下看。

钟万勰的好学精神与从小的家庭熏陶有关。1934年,他出身于上海,父亲钟兆琳是上海交通大学著名教授,我国电机学的创始人。

钟兆琳是一位有风骨、有气节的科学家,曾为抵制日本人愤然辞职。钟万勰身上所具有的强烈的民族气节,秉承了先父之志。

钟万勰小学、中学就读于上海南洋模范学校。1952年,他考入同济大学桥梁与隧道工程专业。大学期间,钟万勰就显示出过人的数学天赋以及博览群书的自学能力。

“那个时候,这点内容根本吃不饱。”钟万勰自学了《柯氏微积分学》、库朗—希尔伯特《数学物理方法》、斯米尔诺夫高等数学教程。“胡—鹫津”变分原理的发明人胡海昌院士曾讲过:“钟万勰的数学比我好。”可见,钟万勰的数学水平之高。

毕业前夕,钟万勰撰写了两篇颇有见地的论文,其中《各向异性平面弹性的接触问题》由同济大学校长李国豪推荐给全国力学学会成立大会。中国科学院力学所副所长钱伟长看到文章后说:“钟万勰你来给我当助教,你把力学学懂了。”

就这样,1956年,钟万勰大学一毕业就来到中国科学院。1959年,所长钱学森派他到中国科技大学担任理论力学的主讲教师。刚毕业,就被中国科学界顶尖人物“二钱”看重,钟万勰迎来了人生的高光时刻。

这段时期的钟万勰博览群书,眼界大开,他阅读了朗道—栗弗西兹《理论物理学》著名的“群表示论”以及其他关于“群论在物理中的应用”等著作,吸收了1960年美国科学家克拉夫和英国科学家辛克维奇“用能量法解决数值问题”的数值分析“有限元法”,融汇了钱学森、钱伟长、钱令希、胡海昌等中国科学家的各种思想,这些为其日后的学术成长奠定了坚实基础。

也正是在这这段时期,钟万勰对传统力学理论产生了质疑。为突破它,他奋斗了近40年。

不 挠

可惜,在中国科学院工作不久,“反右”运动开始了,钟万勰遭受“冲击”。出于爱惜保护人才,部门领导胡海昌向当时的学部委员钱令希推荐了钟万勰。

钱令希爱才心切。就这样,1962年,28岁的钟万勰在人生最富创造力和拼搏力的黄金年华,来到了大连工学院(大连理工大学前身)。

钟万勰回忆,那是1962年9月的一天清晨,他乘坐火车来到大连,空气清新,真是个难以忘怀的时刻。钱令希竟然一大早就亲自到车站来接他,并为他在大连的新生活安排好了一切。

由于受到钱令希的“庇佑”,钟万勰可以全身心投入科研工作之中。“我获得了自参加工作以来发挥才能的最好机会。”而且每周末,钟万勰都是钱家的“座上客”。钟万勰不仅从生活上体会到了钱令希对他无微不至的关怀,而且在与钱令希的交谈中,钟万勰更深切感受到钱令希心中怀有的富强国家的科技创新梦想。

使命在肩,更需躬身勠力前行。作为工作助手的钟万勰,在钱令希的科研方向指引下,两人“珠联璧合”,于1963年发表《论结构极限分析并建议一个一般变分原理》一文。这篇文章之所以引起强烈反响,一是因为其所研究的极限承载能力由弹性力学发展到塑性力学,涉猎问题更为复杂,二是因为拓展了独具特色的一般变分原理。

后来,钟万勰才知道,“在最初进行一般变分原理研究的时候,钱先生已经接受了国家建造核潜艇的任务”。1965年前后,大连工学院正式承接核潜艇耐压壳的研究任务,并成立理论与实验两个研究组。钟万勰担任理论组组长。

基于前期扎实的理论基础,钟万勰很快就找到了结合壳体失稳的不利形式。实验组也验证了这一理论结果。在获得成果的那一天,钟万勰兴奋得三步并作两步跑到楼上,向钱令希汇报。钱令希非常高兴地连说:“交卷了,交卷了!”

正当研究报告借助手编程序在真空管式电子计算机上算出数值结果,并进行研究成果的初步整理时,“文革”开始了。起初,钟万勰还能将自己反锁在办公室或图书馆里,继续研究。可是后来,在一片“造反有理”的声浪中,研究不仅无法继续,他个人也屡受冲击。

由于核潜艇研究需要,钟万勰在蹲“牛棚”时,凭借小时候与父亲下围棋练就的“复盘”本领,在没有任何资料辅助的情况下,全凭“脑袋瓜”把“核潜艇耐压壳体锥柱结合壳体稳定性设计”默写在了一叠废纸上,在“放风”时交给钱令希,确保我国第一艘核潜艇成功潜水。而这一成果一直以来成为我国核潜艇耐压壳设计和计算的规范,并获得全国科学大会奖和国家自然科学奖。

创 新

20世纪70年代,中国的计算力学基本上是一片空白。当时的大连工学院,以钱令希院士为代表的力学工作者身怀报国之志,深感由于计算机的出现,国际力学界会发生变化。

“要做事必须有人才”,为此,钱令希不仅顶住压力调进了钟万勰,而且在此期间还调进了一批所谓“出身不好”的青年才俊。1972年,趁政治运动稍有松缓之机,考虑到上海有2台可以应用自动化语言的计算机,于是,钱令希向工宣队建议开门办学,成立“上海小分队”,发展我国计算力学。

从1972年到1973年,这支先后由十几个人组成的“上海小分队”干出了一番“轰轰烈烈”的事情。“上海小分队”主要推广土木结构计算分析程序,这类程序设计,计算量浩大,以前都是手工计算,耗时长。如何将计算机算法语言用到力学分析上,当时国内没有任何书籍刊物可查,程序全靠自己开发。林家浩教授回忆:“钟万勰看着外国那些天书一样的东西,他就能把它一条一条、一点一点转化成为力学的语言,编出了自动化语言的程序,开发出JIGFEX(结构分析)计算程序软件,到20世纪80年代初,国内已经有几百个工程用了我们的软件。”

为开发此程序,“小分队”与上海市政工程设计院、上海工业建筑工学院洽谈,免费帮助对方解决工程设计问题,只要对方提供每天2个小时的上机机时。对方不仅给予支持,还提供了生活住宿方便。

那时,“小分队”每天只能半夜12点前后去计算机房排队上机,无论刮风下雨,即使雪埋脚踝,钟万勰也依旧去排队,甚至发高烧也在编辑程序,真是拿出了“豁出去”的“玩儿命”劲头。

当时的计算机内存非常小,分别为48K和192K字节。为解决如此大量的计算,钟万勰创造出“小马拉大车”的“奇迹”,“小分队”成员按照钟万勰开发设计的程序,针对具体工程进行编辑。自此,这套计算机软件开发系统解决了大量实际工程问题,上海电视塔就是其中的成功案例。

上海电视塔吊装当天,成千上万的上海市民前来围观。“上海小分队”也由此名声大噪,“小分队”驻地、钟万勰的家都被络绎不绝的“取经”人挤满。钟万勰他们不仅把程序无偿奉送,还在上海科学会堂举办多场培训班。

一时间,大连工学院计算力学在国内迅速“蹿红”,发展势头锐不可当。

时任上海市政设计院计算组组长的胡云程工程师回忆:“我利用钟万勰设计的程序系统解决了当时市政设计院久攻不下的一个桥梁工程中4个钢箱梁的‘合龙’问题。钟院士真的不简单,他自称是‘土八路’,其实,他不仅绝顶聪明,而且还有超于常人的努力。钟院士是真正有学问的,所以对我的影响很大。”

深究这套软件开发系统的“神奇”之处,关键在于钟万勰将世界著名的理论物理“群表示论”思想运用到结构力学计算之中,而且涉及大量高深的数学知识。钟万勰创造了这套程序的“源代码”。大连交通大学退休教授吴昌华回忆:“我就用钟万勰JEGFEX程序算齿轮,以前的计算机没有硬盘,用纸带机靠内存来解题,我算的齿轮有14个齿,28个对称轴,按照群论理论,只要对二十八分之一的面积或者体积进行划分、求解,问题就全部解决了,所以我知道它的神奇之处,效率太高了。”

一鼓作气,钟万勰将JEGFEX系统不断完善,开发出简洁版的DDJ系统、结构优化程序(DDDU)等多种专用程序,在国内建筑领域首先实现了作业软件、施工图绘制一条龙的CAD软件开发。这些研究成果为改革开放后百废待兴的经济建设,以及国防工程的更新换代解决了一系列重大难题。

1978年,全国科学大会胜利召开。大连工学院力学系有4个项目受到大会奖励。其中,钟万勰在《潜水耐压的锥柱结合壳的强度和稳定性》《群论在结构力学中的应用》《大型汽轮发电机基座的设计与研究》等三个项目中都发挥了至关重要的作用。

启 发

由于大连工学院的不懈努力,推动了我国计算力学的发展,并积极走向世界,缩短差距。1984年,中国计算力学协会正式成立。钟万勰被推举为该协会的第一、第二届主任委员。

1986年,中国作为发起国之一的世界计算力学协会在美国成立。钟万勰受教育部指派,率团出席成立大会,并被推举为该大会的常务理事。在连续六次大会上,他都发表了重要的学术报告,成为中国计算力学界在国际上的代表性人物。

钟万勰内心深处有种强烈的民族自尊感。20世纪80年代,我国开发渤海石油,建造海上石油平台。当时的平台设计,中国人自己还不会,国外有软件却不卖,要中国花钱,他们过来人给计算,而且还夹带着不合理的附加条件。

为此,钟万勰组织团队仅用一年半时间,就把这套结构设计计算程序给弄了出来。中海油派了一辆小面包车,拉着打印出来的计算结果,从塘沽开到北京,钟万勰需要把外国的这些计算结果逐一算出来。

这就是难不倒的钟万勰团队,《中国日报》等国内多家报纸头版头条报道了这件事,外方最后只好规规矩矩和中方进行合作。

20世纪80年代初,世界银行组织贷款,投资中国经济社会建设,其中,投资建设的工业装备结构分析国家重点实验室,筹划依托于大连理工大学力学系。而对此进行资质审查、资格评估的答辩会,都是由钟万勰作为答辩人完成的,并且收到良好效果。

以此为平台,钟万勰与国外同行进行了广泛的学术交流。他经常在国际会议上做主旨报告或出任主席、副主席,也曾三度访美,应邀在几十所国际顶尖大学做学术报告,还与英国卡迪夫大学建立了友好合作关系,被英国威尔士大学和香港大学授予荣誉教授称号,并于1997年被世界计算力学大会授予院士奖。

一次访欧交流中,正值海湾战争爆发。钟万勰发现,美国的“smart bomb(聪明的炸弹)”激光制导,精准打击,杀伤力极强,而且,“美国的学界猛讲动力学与控制。这套东西,我可是行家里手啊”。

于是回国后,钟万勰集中研究控制问题,“我们中国一定要把这套东西搞上去”。

凭借近40年的学术积累和实践探索,钟万勰再次回到经典力学哈密尔顿体系。此时,他有一种彻悟之感。中华文化“一阴一阳之谓道”的深刻意蕴,法国数学大师庞加莱的名言“数学能够用一套语言把两个完全不同领域的东西放到一起”,都给了他巨大的启发。

于是,“离散辛数学”体系诞生了。

通过“离散辛数学”创建结构力学与最优控制的模拟关系,形成了我国自己的控制理论,即鲁棒控制H∞理论,并出版《状态空间控制理论与计算》一书。钟万勰团队开发出最优控制系统设计与仿真工具箱PIMCSD Toolbox。这套软件系统对机器人快速机动操作、制导武器的精确打击和拦截、卫星编队队形的重构以及飞机起飞整编等,对国家经济建设发展,都在发挥和必将发挥重要作用。

“有人说我的‘最优控制’和外国人不一样,我为什么要和外国人一样?我做出来的就好使!”“有时候外国人搞的那套土方法不行,我们都把他们甩在后面了。”之后,钟万勰通过人才培养,继续将最优控制研究下去。“2000年以后,一直到2010年,我花了很大力气到航天部门推广我们的计算力学与最优控制,我把程序系统都送给他们,希望航天部门一定要关注。”老先生身怀爱国大义,拳拳之心令人动容。

无 悔

钟万勰给众人的印象是,人很谦虚,没有架子。他做学问也很实在,“计算力学虽然接触面很广,但它的作用就是辅助,工程都是你们的工程,我们辅助你可以做这个做那个,就起这个作用。”但是,就是这个“辅助作用”却至关重要。

20世纪90年代,三峡工程举世瞩目,其中一个重要的升船机工程,在方案设计完成后,交给钟万勰审查。钟万勰看完图纸后,直言“这可能出问题”。

升船机提升109米以后,结构稳定性方面存在问题。一条客船,多则好几百人,一旦倾覆,后果不堪设想。于是,钟万勰写信给三峡工程技术总负责人张光斗院士和潘家铮院士。

不久,三峡水利办召开生产会议,钟万勰作为大连理工大学代表出席。会上,钟万勰把他的想法讲了出来。随后,中央有关领导知道有院士对设计提出意见,于是在升船机建设的批文上写道:继续研究。

恰巧,在之后的升船机试验中,两次都发生事故。而当再建方案拿到钟万勰面前时,他审查后说“可以了”,这才投入建设。

至今,升船机安全运行。

钟万勰是一位科学家,他总是以追赶世界前沿的竞争心态和必胜信心对待科研,围绕科研处理周围的人和事。所以,你总能感到他身上有一股热情和干劲。

先进装备设计与CAE软件开发国家地方联合工程研究中心副主任陈飙松对钟万勰无比感激:“从2005到2007年,软件研发团队处于动荡时期,因为钟先生的不断激励,我们才一直坚持着,而且遵循钟先生JIGFEX结构计算理论,并把它拓展成为SiPESC计算软件程序集成平台。此集成平台如今已经应用到我国航天领域,包括‘神舟’系列载人飞船、‘天宫一号’的设计以及很多型号的航天器的设计。在核电方面,我们也有了重大进展,特别是为‘华龙一号’解决了核反应堆推力轴承计算问题。”

自从来到大连理工大学,钟万勰夫妻二人就两地分居,至今已40余年。后来,只要有回老家上海的机会,学校就会为他提供、创造各种方便条件。但是,钟万勰一心扑在计算力学事业上,把为他提供这片沃土的大连理工大学当作第二故乡。

心兹念兹,钟万勰用“正其义不谋其利,明其道不计其功”来描述自己科学人生的追求境界,用“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴”来表达他献身科学事业的无怨无悔。

(作者:吴琳,本报驻大连记者站记者;吕东光,大连理工大学党委宣传部新闻中心记者。)

(本版图片均为资料图片)

原文链接:https://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2020-08/03/nw.D110000gmrb_20200803_1-11.htm

责任编辑:王增强

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