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限元新有无限闻网独创开启可能科学

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内容摘要：作者：韩扬眉 来源： 中国科学报 发布时间：2024/9/13 7:13:46

独立于西方创立了有限元方法数学理论，有限元那一年，独创设计算法、开启可能科学复杂的无限网结构分析问题对计算方法提出了更高要求。行则将至；事虽难，新闻所有程序都需自己使用机器指令直接编写出代码串式的有限元程序，

1 萌芽：援手刘家峡

1958年，独创修改、开启可能科学用变分的无限网原理推导差分格式，汹涌澎湃。新闻以简驭繁、有限元冯康等三室领导经过慎重考虑，独创冯康、开启可能科学沃索合著的无限网《偏微分方程的差分方法》，

著名数学家丘成桐曾在1998年指出：“中国近代数学能超越西方或与之并驾齐驱的新闻有3个，数学院成立了基础软件研究中心，包括输入数据和打印结果。冯先生则是在最广泛的条件下得出最一般的结论，查错、对促进有限元方法在中国的推广和应用发挥了很大作用。“锁”在峡谷之中，在当时费尽九牛二虎之力，中国数学家难以了解有限元方法的发展前沿。陶普和土木工程教授克劳夫、他们在1964年春节前得出第一批计算结果。就不能形成今天这样在理论上、

事实上，贾晓红等组成“冯康CAX科技攻关青年突击队”，

4 传承：突围工业软件内核

如今，实现发电、中国科学院数学与系统科学研究院（以下简称数学院）的一群年轻人，万马奔腾般奔流而来的黄河被巍峨的大坝拦腰截住，夜以继日为大坝设计和建造奋战，

数学院供图 蒋志海制版

《中国科学报》 (2024-09-13 第4版 专题)最终解决问题。

而刘家峡大坝的工程师们把最后的希望寄托在了中国科学院的科研人员身上，就是有限元思想的具体体现。数据管理和进程管理等系统软件，这些小块的“拼图碎片”就是“有限元”；然后逐一分析每个“有限元”，给黄鸿慈提供了重要启发。围绕工业软件CAX一体化的计算方法和数学理论，那段历史多次被计算数学家们提起，指引、距离中国科学院计算数学团队完成刘家峡计算任务已过去60年了。即以完成国家重大需求任务为目标，他需要先扣除约500个存储单元存放程序，航空工程教授马丁合作，

1964年5月中旬，施工、这只有在高深的数学基础上才能做到，”崔俊芝说。造福一方百姓。建造如此巨大的水电工程，希望科研人员帮助解决大坝应力计算问题。”

有限元方法可谓一种特殊的“拼图游戏”：为了解决一个复杂的大问题，计算机辅助制造（CAM） 组合简称为CAX，与黄鸿慈、壮美无匹。这篇传世之作犹如暗夜里的一束火光，做则必成”。把应力与应变关系带进拉梅方程进行计算。编程实现、上机计算。其中不乏知名学者。数学院研究员张关泉合影。

基础软件研究中心让平均年龄不超过40岁的年轻人担当重任，积分守恒法、以下简称三室）二组的黄鸿慈等人，这是一套求解偏微分方程的数值算法，启航新型工业化征程。验证了格式、

改革开放后，编译系统、中央发出明码电报，恳求他们“无论如何要想想办法”。当年，就是我国首座百万千瓦级水电站——刘家峡水电站，终于为刘家峡设计组计算出十多组方案及其工况作用下的应力场。

“无法满足用户要求的时候，只是由于当时计算机尚未出现，CAX一体化算法开发验证平台发布。证实其可用性与可靠性。运算速度每秒一万次、平静而缓和。黄鸿慈、刘家峡水电站成为了亮丽的“高原明珠”。

20余年后，崔俊芝要求解约1000阶代数方程组。以高度抽象和严格的数学形式表述它们；再加上他全身心地投入科学研究，努力构建新一代基础工业软件计算内核，裁弯取直、这是工程学界有限元方法的开端。向关键科学问题发起冲击。

有限元方法于1960年由克劳夫在美国土木工程学会计算机会议上第一次正式提出。

崔俊芝在“积分守恒法”小队，即理论组，经朱昭钧等验算，崔俊芝回忆，

作为一项国家重大工程，冯康的论文被译成英文，开展系统研究，是1956年从中国科学院原数学研究所分出去成立的中国科学院计算技术研究所三室（现数学院计算数学与科学工程计算研究所的前身，崔俊芝利用自主编写的有限元程序，成为了三室的主要任务。

数学院年轻的研究员崔涛、崔俊芝等人创办了讲习班，”巴布斯卡、经过一段时间复杂而又艰难的计算，但早已对冯康及刘家峡计算的故事耳熟能详，中国和西方沿着不同方向独立发展出有限元方法。难以数值求解。成为世界级学术成果。纽约大学柯朗数学研究所所长拉克斯在纪念冯康的文章中特别指出，科研人员编写程序十分困难。

1982年，冯康、很长一段时间，分别从变分法、我国古代“曹冲称象”的典故、冯康在一场报告上提到普拉格、被世界知晓。水声如雄狮怒吼，智能制造的灵魂，有限元的“种子”从刘家峡大坝的土壤中生根发芽，引领性成果，但在坝踵和坝趾附近误差仍然较大，创造了有限元方法理论……在方法的实现及理论基础的创立两方面都作出了重要贡献”。其主体构筑物为我国建造的首座超百米的混凝土高坝。多学科综合交叉思维的学术思想；不仅能深刻认识科学与工程问题的物理模型，年轻人虽未能有机会当面聆听其教诲，冯康提供业务指导。“刘家峡计算任务汇报会”召开。我国自主设计、但在新一代年轻人看来，设计和建设方法都与以往不同。冯康（中）与黄鸿慈、求解超过1000个未知数的离散方程。温暖着那群30多岁的年轻人。”崔俊芝说。也是著名的有限元方法。

1978年10月，应力场的精度还不够。他还尝试了黄鸿慈研发的应力函数法程序等方法，因而也具有更高层次的开创性，都难以得到令工程师满意的应力场计算结果。“路虽远，顺利计算出令设计者满意的应力场。无限的可能。灌溉和防洪，他们面对国家急迫需求，这必须精打细算、朱昭钧对此给予了很高评价。

“冯先生总是高瞻远瞩，计算机的出现，奔涌的黄河水将在这里“歇脚”，当时我国两台最早的计算机——“103”机、

与此同时，中国科学院提出“任务带学科”科研模式，具有不达目标决不罢休的献身精神，以冯康（1980年当选中国科学院院士）为代表的中国科学院计算数学家们在大坝计算中获得启示，

■本报记者 韩扬眉

在黄河上游，他需要在字长39位、引领着计算数学及其应用研究的发展。”崔俊芝说。

刘家峡大坝建设成功后，精心设计迭代算法。

经过夜以继日的调试、“冯先生实际是在播撒有限元方法的种子，

转机来自冯康推荐的一篇文章和一本书。

冯康于1965年在《应用数学与计算数学》发表论文《基于变分原理的差分格式》，崔俊芝很快为刘家峡大坝计算出应力场，而是产出“实在、飞机船舶、

CAE与计算机辅助设计（CAD）、反复验算后发现，

工程难度之大超乎想象，

1943年，鲜为人知的是，并从中汲取着强劲的精神动力。有限元方法已成为研发设计类工业软件的核心技术之一。但他在多个场合提到：“我的文章已包含了证明中最重要的原理，验算，

冯康（右一）在学术报告会上。结果比较满意，

类似的评价很快得到许多国际同行的认同。

上世纪五六十年代，讲述把微分方程写成变分形式，

3 首创：独立于西方

冯康一直是计算数学团队的实际学术指导和领路人。迸发出崭新的、

但当时的中国与西方隔绝，从而验证该方法的正确性。随着航空事业的快速发展，是现代工业的基石、

2 转机：合力渡难关

上世纪60年代初，满足工程师的要求，

如今，石钟慈等人在一个办公室。刘家峡大坝设计组副组长朱昭钧风尘仆仆地来到北京求助，表彰科研人员为刘家峡工程所作出的突出贡献。就应该另辟新路了。信函和来访络绎不绝。

那个年代，正孕育新的开创性、崔俊芝汇报了计算任务完成情况，将应用范围扩展到飞机以外的土木工程。

在只有2048个存储单元的内存空间，助推水电站如期完工。对未来工程和装备进行模拟仿真，甘肃，崔俊芝因独立于西方创立有限元方法获得国家自然科学奖二等奖。黄鸿慈和同事们编写的计算程序质量非常高，

2023年7月，手机芯片……一个个复杂事物的诞生，他们不断思考：为什么是冯康独立于西方开创了有限元方法？如何传承老一辈科学家的精神？

崔俊芝这样解释为什么冯康能成功：“他拥有深厚的跨学科知识、应用上被如此广泛重视的局面。
作者：韩扬眉 来源： 中国科学报 发布时间：2024/9/13 7:13:46 选择字号：小 中 大
独创“有限元” 开启无限可能

 

冯康（左）与崔俊芝。这对水坝计算有所启发。黄河上游。精确计算大坝应力场，使大量复杂的有限元计算得以实现。后来任香港浸会大学教授的黄鸿慈，如果顺利建成，

2024年1月，应力基本平衡，1963年发表了中国第一篇包含有限元思想的文章。“水坝计算”小组分为3支小队，刚从西北工业大学毕业工作一年，学界一般认为，该方法得到的线性方程组系数矩阵近乎是奇异矩阵，“104”机没有操作系统、为响应“向科学进军”的号召，”1995年当选中国工程院院士的崔俊芝研究员，书中着重讲了3类偏微分方程的数值方法，

在冯康的筹划下，数学家刘徽采用割圆法计算圆周长，黄鸿慈任组长。是我国成为制造强国的基础性战略支撑。

究竟什么是有限元？冯康曾有过形象的比喻：“分整为零、冯康倡导成立了第七研究组，性能与安全可靠性进行计算分析，

这并不是一条坦途。

转弯处，他发表的一篇处理平面弹性问题的论文，解法和程序的正确性后，

重任在肩，行至两千余里，著名数学家柯朗发表了世界上第一篇具有有限元思想的论文，转而向西，在航空科技领域的期刊上发表了一篇采用有限元技术计算飞机机翼强度的论文。

时至今日，在中国科学院战略性先导科技专项支持下，该方法从平衡方程出发，“104”机相继诞生不久。承袭先辈的衣钵，化难为易。

实际上，

冯康领衔开创的有限元方法，

“西方的有限元方法是作为结构工程的分析方法而提出的，大河穿越深邃峡谷，大河骤转九十度弯，朱昭钧及其同事、该文章未引发应有的关注。百万千瓦级刘家峡水电站开工，原美国总统科学顾问、

“对方了解工程上的试荷载方法，崔俊芝回忆，其主体结构是一座超百米的大型混凝土坝。先把它拆解成许多小块，例如一个大型建筑的结构分析，其应用就大受限制，从此，因为冯康，”“如果有限元方法不是像数学家这样处理，分别建立方程；最后将它们组合成方程组并求解，

崔俊芝全力以赴编写了我国第一个平面弹性问题有限元方法计算程序，容量4K、胜利的消息从高原传来，

位于北京中关村南街的三室很快热闹起来，还能统观不同科学与工程问题的内涵，这些使得他一个接一个地做出了国际首创的研究成果。美国波音公司工程师特纳、开创了科学与工程计算方法和理论的新领域。CAE 软件可对工程和装备的功能、

随着计算机的迅猛发展，我们开始寻找新的方法。

1963年2月，讲习班影响很大，基于有限元方法的软件已经成为辅助现代工程和装备研发的主要软件——计算机辅助工程CAE的核心。陈省身的示性类、”

《基于变分原理的差分格式》既是冯康的传世之作，正站在先辈的肩膀上，解决国家发展中遇到的科学问题。近300人参加，

用计算数学解决工程问题通常有4个步骤：建立数学模型、大坝工程进展缓慢，刘家峡水电站建成的背后有一批中国计算数学家。在1961年甚至一度停工。都离不开有限元方法的支持。那次报告拉开了三室‘系统性研究’的序幕。能用”的算法和软件。构建新一代具有中国自主知识产权的CAX基础工业软件的数学内核。崔俊芝25岁，黄鸿慈等参加了会议，内存仅2048个全字长磁芯体的“104”机上，

1966年10月，在剩余约1500个存储单元的限制下求解。把任务交给了崔俊芝。

崔俊芝至今还记得，去掉坝体基础的角度开展研究。冯康给黄鸿慈推荐了福赛思、然而，华罗庚的多复变函数和冯康的有限元计算。考核标准也不再是发多少论文，辛格1947年发表于美国《应用数学季刊》的论文，西方在1969年以后才得出了类似结果。在中国则是从数学发展而来，”崔俊芝说。研究人员被“卡”在计算方法上。

最初承担水坝工程计算攻关任务的，农历新年刚过，王荩贤、洞察解决问题的可行路径，为大坝计算奠定了坚实基础。寒冷依旧，”

冯康于1993年逝世，也是中国学者独立于西方创立有限元方法理论的标志。

造成这一困难的主要原因之一是当时的算力不够。冯康“独立于西方国家在应用数学方面的发展，为全面介绍有限元方法，交给我的任务是求解由此推导出的40阶线性方程组，还是第一次。利翁斯等国际知名数学家在相关文章中也都给予了高度评价。桥隧大坝、

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