钱令希

        钱令希,工程力学家,1916年7月生,江苏无锡人,1936年毕业于上海中法国立工学院,1938年获比利时布鲁塞尔自由大学最优等工程师学位。回国后他历任铁路桥梁工程师,云南大学、浙江大学教授,1952年起在大连工学院(现大连理工大学)工作,任教授、研究所所长、院长等职。1955年他当选中国科学院学部委员(院士),1988年获比利时列日大学以国王名义授予的名誉博士学位。
        钱令希自工程实践转向力学的科学研究和教学工作,在推动科技进步和培养人才两方面做出了重要贡献。在学术上,他在结构力学、极限分析、变分原理等方面有深入研究并获得重要成果。他努力为工程服务,在桥梁、水坝、港工、造船等工程都发挥了力学研究的作用。60年代电子计算机冲击科技领域,钱令希大力倡导建立计算力学新学科,他身体力行,更新知识,开展研究,并在大连理工大学带领和培养出一支优秀计算力学队伍。
        钱令希,工程力学家,1916年7月16日生,江苏无锡人。1921—1927年钱令希在家乡鸿声小学和梅村高小读书,接着进苏州中学初中部读了一年,1928年考入上海中法国立工学院高中部,连续读了8年,至1936年大学本科土木工程系毕业,以优异成绩得中比庚款选派比利时布鲁塞尔自由大学深造,1938年获最优等工程师学位。同年秋回到祖国,在抗战后方的云南参加建设叙昆、川滇铁路。1942年转入迁在贵州遵义的浙江大学任教。1952年转入大连工学院(现大连理工大学)工作,历任土木系教授、数理力学系主任、工程力学研究所所长和校长。钱令希长期从事工程力学的教学和科学研究,曾获国家自然科学奖二等奖一次、国家科技进步奖二次。1955年当选为中国科学院学部委员(院士)。1988年比利时国立列日大学以国王名义授予名誉博士学位。
        钱令希在学校学习工程,出校后从工程实践中体会到力学对工程的作用,工程哪里有难题,工程哪里需要挖潜力,工程哪里要改革创新,哪里就有力学问题。他对力学,特别是结构力学发生了兴趣,逐渐从工程实践转向力学的教学和研究中去,其宗旨还是为工程服务。
        实际上,力学本来是物理学科的一章,是探索自然规律最为基础的一章。待到经典力学趋于完整,它又成为工程技术发展的基础。19世纪末20世纪初,物理学的研究趋向于对更深层次现代物理中自然规律的探索,力学为工程技术发展服务的任务就从物理学中分野出来,由新兴的技术科学来承担了,而工程力学就是技术科学中的一门主要学科。工程力学要把工程技术的进步放在自然科学的基础上,解决工程技术前进中出现的实际问题。工程力学的特点之一是,不论用理论,还是用实验都要求用具体数学回答实际问题。
        工程力学在其发展过程中,由于电子计算机的作用,明显地表现为两个阶段——前电子计算机阶段和电子计算机阶段。钱令希身处两个阶段的更迭时期,他“知天命”之前的前半生恰处于前电子计算机时期,当时工程力学问题靠手算。锐意为工程服务的钱令希在这个时期努力探索方便于工程师计算的精简的力学方法,做出了不少成果。同时,他也饱尝了手算的艰辛。所以当电子计算机阶段到来之时,他敏锐地意识到,工程力学将在计算工具进化的影响下,发生一个飞跃,于是他大力倡导建立计算力学这一新兴学科,身体力行,更新知识,从事计算力学的研究,并在大连理工大学带领和培养出一支计算力学的队伍。
        早在40年代,钱令希就选了杆系组合结构的非线性分析作为研究课题,其背景为桥梁领域的悬索桥的实用简化计算。悬索桥的跨越能力远远超过梁式体系和拱式体系。该体系除了跨距大还有省材料和美观的特点。但是跨度大也带来比较大的桥梁柔性。合理的计算必须考虑结构体系变形对受力的影响,这就是吊桥计算中发展起来的线性挠度理论。可是,当时没有电子计算机的辅助,工程师难以驾驭该理论的计算方法。钱令希的详细研究发现了两点:①非线性因素对悬索的水平拉力的数值大小虽然有影响,但是在桥梁活载下,对索拉力的变化规律却影响很小;②非线性因素对劲梁的影响可以用一个柔度系数来表征,该系数在恒载与活载给定的比例下是相对稳定的。这两点发现可以大大简化非线性分析。他推演出了一套完全是显式的计算公式,绘制了供工程实用的曲线,使工程师们借助计算尺能在几个小时内对一个设计方案完成具体的分析。该成果发表于1948年的美国土木工程学报上。由于其创造性、深入浅出和面向工程的风格,被美国土木工程学会评为1951年结构力学的Moiseff奖,当时正值抗美援朝战争,钱令希去函拒绝接受。钱令希在桥梁领域的又一贡献是1974年他领导建造的大连新港9跨100米跨度全焊的抛物线上弦的空腹钢桁架栈桥,该桥型为比利时的Virendeel教授首创,30年代风靡比利时,但是由于当时焊接技术不成熟,加之设计经验不足,屡有事故发生。尽管桥梁界对运用该桥型有争议,钱令希仍建议新港栈桥按该桥型设计。这是因为这座栈桥主要用于承受通油通水的管道和一个车道,沟通陆地和1000米外的海上油轮码头,它的荷载均匀,并以静载为主。采用这种桥型,乃是最为多、快、好、省的方案。当时工期非常紧迫,钱令希采用他在40年代末提出的调整分配法(后来被称为“无剪力分配法”)用手算做出设计。他勇担风险,潜心研究、计算、实验,特别用柔花节点的措施以降低节点的应力集中。他带领一个小组做设计和实验,还亲自跑材料和主持施工,不到一年的时间,于1975年底这座全长将近1000米的全焊桥就竣工了。1976年青年教师和学生用电子计算机对该桥进行校核,证明设计正确合理。至今,20年过去了,这座桥仍以其特有的轻快英姿完好地座落于黄海之滨的鲇鱼湾上。1987年,钱令希用计算力学的极限分析方法分析了我国隋代工匠李春建造的赵州桥,得出了1400年前的设计完全符合现代力学计算的结论,并撰文在《国际力学科学》发表。在国外大学讲学时,赢得了国外学者对中国古代文明的赞赏。工程力学领域的研究对研究者的素质有两方面的要求:一方面他应具有扎实的数学力学基础、娴熟的理论推导能力;另一方面要求有一定的工程知识和经验,具有密切联系实际的学风和切实解决实际问题的工程意识。钱令希兼有这两种素质。
        建国初期大力兴建水利之举推动了大型薄壳拱坝的采用。当时还是工程力学的“前电子计算机时期”,提出适合工程师设计计算的方便且精度高的方法是很有意义的。那时的薄壳理论还没有用于拱坝分析,国外习用的试载法过于繁复,且结果难于判断。中、小拱坝常用的纯拱法和拱冠梁法,因略去的因素太多,过于粗糙。钱令希发现影响拱冠梁法精度的因素在于略去了坝体各部的扭转作用,于是他由此人手,提出了考虑扭转作用的拱冠梁法和多拱梁法,使拱坝的计算较试载法简便,较纯拱法和拱冠梁法精确。顺便指出,他与助手们完成的多拱梁法用多个竖向悬臂梁以代替拱冠梁法的单一竖向梁,使纵横协调变形的模型更接近实际,因而计算精度更高。这种处理在有限元法出现之前,是一种用交叉梁系模拟壳结构的有效方法。为了解决手摇计算器的累积误差带来的精度降低的困难,钱令希殚精竭虑,巧妙地研究出转换参数法,克服了传统初参数法解线性常微分方程只取初始点参数引起的弊病,使拱坝计算有了数学上控制误差的保证。工程力学在水利工程中的价值不仅在于对已有坝型提出合理的计算方法,还在于能够主动地提出新的结构型式。1959年钱令希提出了一种新的支墩坝——梯形坝坝型,发表于《人民长江》杂志上。这是介于传统的重力坝与大头支墩坝之间的坝型,可用于高坝建筑。它较重力坝经济,施工中易散热,坝底浮托力较小;跟传统的大头坝比较,由于其梯形坝垛的横截面沿坝高皆为等边梯形,截面无变突,所以突出的优点是可以避免大头坝横截面在头部可能产生的集中应力和内部拉应力。该坝型在施工方面比较方便,混凝土工程可采取滑动的大块平面模板。浙江乌溪江上湖南镇的大坝采用了这一坝型,其高128米,长440米,22个支墩,1979年10月建成。后来广西32.6米高的龙门坝也采用该坝型。
        为解决工程实际中出现的力学难题,钱令希在壳体结构方面做出了不少贡献,特别是在壳体开孔、稳定、极限承载能力等方面都提出了可供实用的成果。
        壳体由于有曲率,较之杆、梁、拱、板更难分析。钱令希对于圆柱壳开圆孔、椭圆孔和多孔等困难问题运用虚宗量的Hankel特殊函数进行了分析,取得了一系列解析解。在壳体稳定计算方面,针对实际应用性很强的锥——柱结合壳,他应用壳体的半无距理论,再在结合边附近运用边界效应理论,然后利用最小势能原理解决了结合壳稳定分析问题。结构力学作为工程力学的重要分支,其发展首先是研究轴力杆组成的桁架计算,接着是研究直梁组成的刚架计算和曲梁(有时与拉杆结合)组成的拱系计算,进而才深入到对板壳体系的计算。这一发展过程体现了由少内力分量到多内力分量、由无曲率到有曲率、由一维到二维这种从易到难的进化顺序。钱令希的研究轨迹与工程力学的发展相吻合,顺应学科发展的方向,及时地做出了密切联系工程实际又与结构力学发展主流相适应的出色成果。钱令希在壳体的极限分析、开孔应力计算和稳定分析等课题的研究过程中,指导理论推导、数值计算和金属模型的实验,使一支固体力学的科研队伍迅速成长了起来。
        对理论的兴趣与素养在钱令希年轻时就已经形成。早在1944年,他28岁时发表的梁与拱结构函数分布图和感应图之间的连锁关系就显示了他高度的联想能力,他把人们熟知的弯矩-剪力-荷载三函数的微分关系向另一维推广,得到了令人耳目一新的一个微分关系的矩阵图。这篇论文因其创造性获得了当时政府1946年颁发的科学奖。紧接着的力学理论成果是前面提到结构分析无剪力分配法,这一方法开始于空腹桁架的计算,后来推广到了刚架分析,是当时盛行的弯矩分配法中最精练简洁的方法。尔后的一个力学理论成果是1950年在《中国科学》上发表的余能理论。这理论最早是Engesser于1889年提出来的。但是相对于势能理论,对它的研究和应用少得多。钱令希在论文中提出并论证了5个定理。文中还把直梁纯弯下的平截面变形假设用余能理论予以了理论证明。该论文开始了我国力学工作者对变分原理的研究。此后,我国学者做出了一批有国际影响的变分原理研究成果。钱令希对能量理论的兴趣一直是很浓厚的。他在解决一系列工程力学问题时常常利用能量原理的概念和方法。1962年钱令希在《力学学报》和《中国科学》上发表关于壳体极限承载能力的论文,从能量原理提出了一个壳体极限分析方法。1963年他和钟万勰一起在《力学学报》上发表了《论固体力学中的极限分析并建议一个一般变分原理》。它以假设的速度场和应力场独立变分,以满足极限分析的全部方程,包括材料的塑性屈服条件。变分的结果可以给出介于上限与下限承载能力之间的近似解。此文为塑性力学中变分原理创一路子,引起了广泛的兴趣。80年代,钱令希以其博士生基于计算机技术、有限元方法和线性规划的结合,在《力学学报》上发表了一个便于工程实用的一般性方法——温度参数法,用以统一解决工程结构的极限分析和安定分析。其计算效果很好,原因在于他们利用了带可变参数的温度场构造出一个虚的自平衡应力场。1900年,钱令希就此文在美国召开的机械工程学会压力容器及管道的国际学术会议上做过报告。近来,他和博士生又在改进这个方法,用弹塑性弹簧和刚性单元构造的有限元模型,该方法可望用于岩土力学中的极限分析问题。
        工程力学的实践性特点使其时时带着计算工具的印记。在电子计算机出现之前,工程力学的研究集中在模型的简化、计算技巧的灵活应用和特殊性的具体处理上。但是当计算机时代到来以后,力学研究可摆脱以往在计算规模和速度上难以逾越的束缚和障碍。人们可以用更多精力从事系统性和创造性的研究,更好地服务于科技和工程的进步。钱令希敏锐地注视到了国际上的发展动向,他进行知识更新,做研究的储备。1973年在中国科学院的一个力学规划设想座谈会上,他建议发展计算结构力学,以结构优化学科为例,阐述了一些设想,并撰文在《力学情报》上发表。至1978年,国家要制定各学科发展规划时,他极力主张把“计算力学”列入力学重要的方向之一。他的建议被采纳了,他更加热情地组织队伍,领导计算力学的发展。1980年和1981年他在大连和杭州组织了两个全国性的计算力学会议。在结构优化方面,他主张把规划法与准则法相结合,并归结到序列数学规划的算法上来,首次在该领域运用序列二次规划的途径,取得了与国际领先水平的研究相一致的成果,于1983年同其合作者们一起发表了《工程结构优化的序列二次规划》一文,同时他领导开发了面向工程结构实用优化的DDDU程序系统,研制了多个版本,在工程应用上为国家节省了大量钢材。这些理论与应用成果先后获得国家科技进步奖和国家自然科学奖。在钱令希的倡导和带领下,大连理工大学工程力学研究所已形成一支计算力学的研究力量,除了一些理论成果,这支队伍还研制出像JIGFEX,DDJ,DDDU,FCAD,MCADS系统等一批高质量的国产结构分析和优化实用软件,以推动计算力学的发展。在国际上,钱令希是国际计算力学协会(IACM)发起人之一,是著名的Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering杂志的编委。在国内,继80年代初连续组织了两次全国性的计算力学会议之后,他又于1983年亲手创办了《计算结构力学及其应用》杂志,担任主编。这份杂志吸引力学工作者为计算力学的发展而努力,促进这门新学科的发展与交流。
        1994年,钱令希为《计算结构力学及其应用》杂志创刊10周年撰文,题为《纵观结构力学》。他指出:“结构力学初期的任务,是分析结构在外因作用下的反应(应力、变形等)。……分析是认识事物的第一步,还应研究结构特征的识别、设计方案的优化和工作状态的控制,这些是结构力学高层次的任务。”他对于“从被动的分析到主动优化设计,再进一步到结构的控制”进行了详尽论述之后,号召大家顺乎生产的需求去努力奋斗,进而又一针见血地指出了某些过分依赖计算机软件而忽略了力学基本理论教育与学习的倾向,强调力学的基本概念和基本理论在工程力学的电子计算机阶段依然是提出问题、分析问题和解决问题的根本,切不可忽视。

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