我国计算力学工程结构优化设计的开拓者――钱令希（1916―）

钱令希，著名力学家、工程师、教育家。长期从事结构力学的教学和研究，是我国计算力学的工程结构优化设计的开拓者，也是使结构力学与现代科学技术密切结合的先行者与奠基人，在我国的桥梁工程、水利工程、舰船工程、港湾工程等领域都作出了重要贡献。他善于教书育人，爱护人才，培养出了几代优秀的力学家。

钱令希，１９１６年７月１６日出生于江苏省无锡县鸿声乡的一个书香门第。父亲钱伯圭早年参加辛亥革命，后从教于荡口镇果育学校。其学生，后来成为国学大师的钱穆在《师友杂忆》一书中，曾回忆他与伯圭师关于中西文化比较的一次谈话，说：“余之毕生从事学问，实皆伯圭师此一番话有以启之。”钱令希的哥哥钱临照，是我国著名的物理学家，中国科学院学部委员，比他大１０岁。钱令希幼年时代，父兄对他的管教甚严，特别是哥哥，对他后来的成长帮助很大。

　　 童年的钱令希表现出了高度的自治能力。他９岁即离家到附近的梅村镇高小住读，１１岁考上了刚刚建校的江苏省立苏州中学，读初中一年级。从农村到大城市，钱令希什么都觉得新鲜，不禁贪玩起来。读了一学年，英文连２６个字母都背不连贯，历史课还没考及格。他顿感问题严重，决心从头干起。１９２８年１０月，年仅１２岁的钱令希经过一个暑假的发奋学习，跳过初中考入了上海中法国立工学院高中部。这是一所用欧战赔款由中、法两国合办的高等学校，分大学部和高中部，各读四年，高中第一年专学法文。钱令希小小年纪就知道汲取教训，不再贪玩。他潜心攻读，第一年，以优秀成绩通过了法文集中训练；第四年，他又以优秀成绩直升大学部土木科。当时，这所大学按照法国习惯，不呼学生姓名，只叫学号。“８００”号的钱令希一路顺风，大学年年都考第一名。这段经历，钱令希后来经常作为体会来向学生作介绍。他说：学习如同钉螺丝钉，开头要锤几下，搞正方向，把基础打牢，后来拧起来就顺利了。否则，开头钉得歪歪扭扭，拧起来就事倍功半。求学之道慎起步啊！

　　
２０世纪３０年代是中国现代史上内忧外患交困、革命斗争风起云涌的年代。大学时代的钱令希深感“国家兴亡，匹夫有责”，抱着“科学救国”的满腔热情刻苦学习，１９３６年９月，以土木科第一名的成绩，从上海中法国立工学院毕业。同年１０月，得中比庚款委员会的选拔，被保送到比利时的布鲁塞尔自由大学留学，２年后毕业，获得了“最优等工程师”的学位。

　　１９３８年，抗日战争已进入第二年。钱令希满怀抗日救国的赤诚，立即回国。在昆明，他被刚刚成立的叙昆铁路局录取为“试用”。这条铁路计划从四川的叙府南达云南的昆明，然后与滇缅铁路接通，以期为全民抗战打开一条国际通道。刚参加工作，钱令希便和一位老工程师一起在人烟稀少的西南边陲翻山越岭，风餐露宿，进行桥梁踏勘。经过麻疯病流行地区，他们两人也亳不畏惧。那年冬天，他们硬是凭着两条腿，在１４０多公里的线路上，为上百个大小桥梁、涵洞定位定型。这段经历，为他今后使理论密切联系实际，以及为工程建设服务打下了一个良好的基础。

　　从１９４１年到１９４３年，他先后在川滇铁路公司、熊庆来为校长的云南大学和茅以升领导的交通部桥梁设计工程处工作。

　　１９４３年１１月，钱令希应浙江大学工学院院长王国松教授之邀，到内迁遵义的这所大学任教。在那里，他受竺可桢校长倡导的“求是”学风的熏陶，埋头钻研学术，写出了一篇篇崭露头角的学术论文，其中的《悬索桥近似分析》一文，１９４６年经当时内迁重庆的北平图书馆推荐，在美国《土木工程学报》发表。他的另一篇《关于梁与拱的函数分布与感应》的论文，１９４６年获得当时政府颁发的科学奖。那时，浙江大学的学术空气很活跃，年轻的钱令希作学术报告时，竺可桢校长也去听讲，并给予热情鼓励。１９５０年，在这所大学搬回杭州的第四年，钱令希担任了土木系系主任。他励精图治，改革求进，大力整顿和加强了资料室和实验室，并提倡教师写教学大纲，改进教学方法。这些措施，深受师生欢迎。

　　解放前夕，浙江大学的学生运动轰轰烈烈，他的助教和学生中不少是地下共产党员或进步分子，钱令希心里有数，并对他们十分钦佩。有一次，他的资料室的柜子里发现一藤箱书籍，都是《新民主主义论》、《唯物辩证法》等革命书籍。从此，他严格保管钥匙，不让人随便进入。事后，掩藏这批图书的地下党员、后来担任宁波大学校长的朱兆祥说：“钱先生真是深知我们的好老师。”

　　钱令希１９４２年２月在云南昆明结婚。夫人倪辉是位数学教师，毕业于河南大学。生有一子一女。

　　１９５２年１月，钱令希接受大连工学院院长屈伯川博士之邀，来到大连工学院（现改名大连理工大学），任教授和第一任科学研究部（现科研处）主任。１９７９年任副院长，１９８１年至１９８５年任院长，现为大连理工大学顾问。４０年来，他把全部心血奉献给该校，为学校的教学与科研建设作出了重要贡献。他参加了该校土木系港口及航道工程专业的创建工作，又创建了工程力学系和工程力学研究所，建立了一支老中青三结合的，教学与科研并重的骨干梯队，使该校的工程力学成为国家的重点学科，并办起了博士点和博士后流动站。他爱校如家，领导全校师生员工，解放思想，大力改革，并着意促进与国外的学术交流。

　　在教书育人为国家培养高级建设人才的同时，钱令希潜心学术研究，努力使力学为社会主义经济建设服务。

　　１９５４年，他担任武汉长江大桥工程顾问，并于１９５８年参加了南京长江大桥的规划工作。１９５９年他还参加了长江三峡水利枢纽的规划会议。从我国实际出发，提出了新型支墩坝型――梯形高坝的建议，后为浙江湖南镇１２８米高坝及其他几个水电站工程所采用。

　　６０年代初，我国处于经济困难时期，国际形势也较严峻，自力更生地建设现代化的国防显得十分迫切。为研制核潜艇，钱令希承担了壳体的强度、开孔和稳定问题的研究，出色地完成了任务，获全国科学大会奖和国家自然科学三等奖。

　　１９７４年１１月，大连工学院承担了我国第一个现代化油港――大连新港主体工程的设计任务。这项工程是落实周总理“三年改进港口面貌”指示，为扩大原油出口而兴建的，钱令希领导了海上栈桥的设计和建造，他提出“百米跨度空腹桁架全焊接钢栈桥”方案，并亲自参加设计和施工。１９７８年此项目获全国科学大会奖和国家７０年代优秀设计奖。

　　钱令希对倡导和发展我国急需的计算力学起了很重要的作用。早在６０年代初，钱令希就已敏锐地看到电子计算机的应用将会给科学技术带来一场深刻的革命，它会影响到各门学科的进程。他预感到计算机将给结构力学带来全新的面貌和前景，就带领自己的研究生，共同勤奋学习数学和电子计算机的有关知识，进行知识更新；同时，在力学界竭力倡导把古典的结构力学和现代化的电子计算机结合起来，努力在我国兴建计算力学这一新学科。在１９７３年中国科学院力学规划座谈会上，他作了题为《结构力学中最优化设计理论与方法的近代发展》的学术报告，引起了力学界和工程界的关注和响应。

　　当时，大连还没有先进的电子计算机。为了抢时间培养出一支队伍，钱令希克服种种困难，取得学校的支持，带领一支小分队到上海，结合实际任务掌握这门技术。刚去时，他领着中青年教师跑了８个设计院，在工程实际中作调查研究，找寻课题和服务对象。在他的指导下，一批中青年教师很快取得了一批科研成果。１９７７年，他的主要助手钟万勰研制成功了通用性相当强的大型组合结构分析程序ＪＩＧＦＥＸ．１９８１年，教育部举办的技术鉴定会认为，这是我国计算力学和科技应用软件方面的一项重大科技成果。现在这项成果已被广泛地运用到土木建筑、桥梁、造船、航天、机械制造等各个领域。１９８０年，钱令希领导开发出了多单元、多工况、多约束的结构优化设计――ＤＤＤＵ系统。它把力学概念同数学规划方法相结合，成功地克服了一些传统难点，在为火车、汽车、特种车及雷达天线等进行优化设计时均取得良好效果，当时在实用性上处于国际领先地位。这项成果于１９８５年获得了国家级科技进步奖。

　　由于钱令希倡导计算力学，在全国产生了良好的影响，更由于他在科技界崇高的道德风尚和治学精神，在１９８２年召开的中国力学学会大会上，经过原理事长钱学森的推荐，大家一致选举他担任第二届中国力学学会理事长。钱学森作推荐时说：“钱令希教授紧跟时代的步伐，及时更新知识，走到了前面。我表示十分钦佩！”同年，他还当选为中国高等教育学会副会长。

　　１９８４年２月，为推动力学与工程结合，并反映我国计算力学的最新成果，钱令希创办了《计算结构力学及其应用》杂志，他亲自担任主编。１９８５年８月，他担任编委会主任的《中国大百科全书?力学》卷出版。

　　由于钱令希等的倡导，中国力学学会直属的计算力学学会已成为有重要国际影响的学术团体，它在国内多次举办重大国际学术会议。

　　８０年代，钱令希积极开展国际间的学术交流。１９８１年，他率领代表团赴比利时和英国访问与讲学；１９８２年，他又去美国考察、讲学。同年，他担任了国际著名的计算力学杂志――《应用力学与工程中的计算机方法》（ＣｏｍｐｕｔｅｒＭｅｔｈｏｄｓｉｎＡＰｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）的编委。１９８３年８月，他在大连主持了中美工程计算力学学术讨论会。他还是国际计算力学协会（ＩＡＣＭ）的发起人之一。该协会已于１９８６年９月正式成立。１９８５年６月，在加拿大召开的第十一届国际应用力学大会上，钱令希介绍了我国应用力学的现状和展望，受到各国专家学者的重视和关注。１９８５年１１月，他又应日本东京大学前校长、大连工学院名誉教授向坊隆博士的邀请，去日本作学术访问和交流。近年来，年逾七旬的钱令希为促进我国与国际间的学术交流，多次出访比利时、法国、瑞士和美国等。

　　１９５６年起，他当选为政协第二届、第三届全国委员会委员；１９６４年至１９９３年，他被推选为第三、第四、第五、第六、第七届全国人民代表大会代表。１９５５年，他被选为中国科学院学部委员；１９８２年，担任中国科学院技术科学学部的常务委员；１９９２年当选为中国科学院学部主席团成员。

　　１９７９年６月，他实现了５０年代以来孜孜以求的奋斗目标，加入了中国共产党。

　　１９７９年，他被评为全国劳动模范；１９８０年，又被评为大连市的特等劳动模范。

　　１９８７年９月，他接受以比利时国王名义授予的比利时列日大学名誉博士学位。

我国计算结构力学的开拓者

　　１９９０年５月，钱令希在《力学与实践》杂志上发表了题为“力学与工程”的论文，他以自己的认识和实践谈了力学的渊源和发展动力问题。他认为，力学一开始是物理学科的基础，从基础研究到实践应用，特别是与工程结合后，逐渐形成了应用力学这门独立的技术科学中的骨干学科。它服务于自然科学，但更重要的是为工程技术服务，并且服务对象极其广泛。它发展迅速，分支林立，很难说有人能通晓和掌握其全貌。钱令希是搞土木工程出身的，因此深谙力学与工程的关系。工程需要力学，但自古没有力学家，工程也进行与完成；有了力学的参与和服务，工程科学就更加灿烂多姿，力学服务要有创造性，更要具体，要以计算和实验定量地回答问题。他说：“在学术上，我老是不安份的。”他从没有满意过自己的学识和工作。钱令希正是以这种面向工程的服务精神和锐意进取的努力，在学术上作出一系列成绩，同时培养出一批又一批优秀的力学工作者。

　　悬索桥的近似分析　４０年代中期，钱令希从铁路桥梁工程实践转入内迁至贵州省遵义的浙江大学教书。那时，在云南边陲澜沧江上，我国第一座现代化的悬索桥刚刚落成。他蓄意研究这种桥型的力学性能。这种桥适用于大跨度的跨越。跨度一大，挠度就比较大，用当时的弹性小挠度理论计算就不够准确。但是，要用非线性挠度理论，在没有电子计算机的时代，工程师们是力不从心的。钱令希经详细研究后发现了两点：一是非线性因素对悬索的水平拉力的数值大小固然有影响，但是对其在桥梁活载下的变化规律却是影响极小；二是非线性因素对加筋梁的影响可以用一个柔度系数来表征，而这个系数在给定的恒载与活载比例下是相对稳定的。这两个力学性质的发现大大地简化了非线性分析。他推演出了一套完全是显式的计算公式和供工程实用的曲线，使设计者使用计算尺便能在几个小时内完成一个设计方案的近似非线性分析。这项研究成果在１９４８年美国《土木工程学报》上发表。由于它的创造性和深入浅出、面向工程的风格，于１９５１年被授予结构力学的莫采夫（Ｍｏｉｓｅｆｆ）奖。但因当时抗美援朝战争已经爆发，钱令希拒绝接受此奖。以后，这个奖临时改授予以研究立柱非弹性稳定理论著名的美国力学家Ｆ．Ｒ．尚利（Ｓｈａｎｌｅｙ）了。

　　余能理论１９５０年，钱令希在《中国科学》１、２期上发表了论文《余能理论》，这个理论本是德国学者Ｆｒ．恩格赛（Ｅｎｇｅｓｓｅｒ）于１８８９年提出来的。但是，很长时期没有得到应有的重视和发展。钱令希在论文中论证了余能理论，为非线性问题提供了一个有力的能量变分原理。文中还用以证明了直梁在纯弯曲情况下，一个平截面仍然为一平截面，不论材料是弹性的还是塑性的。长期以来，这本是梁的工程理论中的一个假设，他用余能理论简明地给予了证明。这篇论文开创了我国力学工作者对变分原理的研究。以后，在我国出现了一批有国际影响的变分原理研究成果。它也有力地说明，以变分原理为基础的有限元法研究在我国是有传统的。

　　编写了两本结构力学教材１９５１和１９５２年，钱令希的《超静定结构学》和《静定结构学》两本教材问世。薄薄两册，以其简洁而富有启发性的风格，严谨而不落俗套的系统，深受读者喜爱。书中有不少是教学过程中师生的心得和研究成果，例如《静定结构学》中的机动分析的通路法、《超静定结构学》中的集体分配法和调整分配法以及空腹桁架分析都是概念比较新颖而又便于工程实用的新内容。当时，结构力学盛行弯矩分配法，他提出的调整分配法，后来被人称为“无剪力分配法”，颇受人注意而得到推广和发展。直到现在，５０年代读土木工程的学生，还常称道这两本教材。但钱令希则说：“现在已进入电子计算机时代，这两本教材的不少方法都已过时，不足道矣！”不过这两本教材在概念上力求深入浅出和在叙述上简洁流畅的风格，还是值得流传的。

　　拱坝分析和支墩坝新坝型　中华人民共和国成立后，政府大力兴修水利工程。大型薄壳拱坝是极有利的坝型。当时，薄壳理论还很难用于拱坝分析，国外习用的试载法又过于繁复，且结果难于判断，而中、小型拱坝常用纯拱法和拱冠梁法，其力学模型的假设虽然清楚，但略去的因素太多，过于粗糙。钱令希于１９５９年在《大连工学院学报》和《中国科学》上连续发表文章，把拱坝壳体的扭转作用纳入拱冠梁法，虽然增加的计算量不大，但得到的结果却更接近于实际，因此这一方法在工程中得到了应用。

　　１９５９年，钱令希出席长江三峡水利枢纽规划会议后，提出了一个新型的梯型坝坝型，这是一种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。比之重力坝，它比较经济，且施工中容易散热，坝底浮托力也较小；比之传统的大头坝，由于它每一坝垛的横截面沿坝高都是等边梯型，截面内没有突变，所以可避免大头坝横截面内在头部可能产生的拉应力。它的最突出的优点是施工方便，混凝土工程可以采取大面积的平面模板，有利于大体积混凝土浇灌，投资也较节省。这个坝型被水利部上海勘测设计院用于浙江乌溪江上湖南镇的水电站建设。该坝高达１２８米，长４４０米，分２２个支墩，是我国最高的支墩坝，于１９７９年１０月建成，后来，广西３２．６米高的龙门坝等也采用了这种梯形坝型。

　　结构极限分析与安定分析　从工程观点出发，钱令希一贯认为结构分析中最关键的问题是结构在给定荷载环境下的极限承载能力，用它才能估计一个结构方案的真实安全度。通常，工程设计依靠的弹性分析只能给出在工作状态下的应力和变形。用允许应力和允许变形准则做出的设计，由于忽视了材料塑性赋予结构的潜力，不仅得出的结构安全系数不真实，而且造成材料资源的浪费。因此，长期以来他总想为工程师提供一种方便而又实用的极限分析方法，包括复杂加载下的安定分析方法。

　　６０年代初，他在《力学学报》和《中国科学》上发表了关于壳体承载能力的论文，从能量原理提供了一个方法。但他并不满足于这个虽然简单但不够一般的方法，后来，他又和他的学生钟万勰一起发表了固体力学中极限分析的一个一般变分原理，它以假设的速度场和应力场彼此独立变分，以满足极限分析的全部方程，包括材料的塑性屈服条件。变分结果可以给出介乎上限与下限极限承载能力的近似解。它为塑性力学中的变分原理创出一条新路，引起了人们的广泛兴趣。以后，钟万勰又把它发展成极限分析新的上、下限定理。

　　８０年代，钱令希和博士生把计算机技术、有限元方法和线性规划相结合，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，用以统一解决极限分析和安定分析问题。他们利用可变参数的温度场构造出一个虚的自平衡应力场，用来适应极限分析和安定分析的需要，效果很好，在美国１９９０年的机械工程学会压力容器及管道的国际学术会议上作过报告。近来，他和博士生又改进这个方法，用弹塑性弹簧和刚性单元来构造有限元模型，这样既可以简化计算工作，又可以提高应力分析的精度。这个方法可望有效地用于岩土力学中的极限分析问题。

　　结合壳的稳定问题　６０年代，为制订我国潜艇结构的强度计算规则，钱令希承担了锥柱结合壳在静水压力下的稳定分析的任务。当时，对于这种形状复杂的壳体，很少有参考资料，他和他的助手们研究了这类壳体的有利和不利形式，并给出相应的理论和算法，成功地应用于我国核潜艇的研制，并被纳入国家设计规范。这项工作和后来发表的论文《潜水耐压的锥柱结合壳的强度和稳定性》获得了１９７８年全国科学大会奖和１９８２年国家自然科学三等奖。

　　大连新港海上栈桥的设计和建造　这座栈桥主要用于承载通油通水的管道和一个车道，将陆地与１公里外的油码头沟通起来。鉴于荷载分布比较均匀，为节约钢材，再加上工期奇紧，钱令希在仔细研究了各种方案之后，认为最优方案是采用１００米跨度全焊的抛物线上弦的空腹钢桁架。这种桥型以国际上的首创者比利时教授维冷第（Ｖｉｒ，ｎｄｅｅｌ）命名，３０年代，曾在比利时风行一时，但是，由于当时设计和施工经验不足，曾屡有破坏事故发生。钱令希提出这个方案时，有些人劝他：“这种桥型，国内无先例，国外也没有这么大的跨度，还出过不少事故，何必去冒这个风险！”钱令希认真总结了国外失败的教训――节点设计不合理、钢材质量差和焊接技术不成熟。他肯定这种桥型对于大连新港的海上栈桥是十分有利的。他潜心研究，用扬长避短的方法，通过模型试验，找到了以柔克刚的办法来降低节点的应力集中，他认真检验使用的钢材，跑了十多个工厂，组织并培训了优秀的焊接技工，集中了工厂技术人员和老工人的经验，制订了加工程序和海上架桥的方案。接着，钱令希带领他的设计组到工厂和海边工地自始至终地参加了钢梁制造和海上架设工作。

　　这是一个国内尚无先例的成功的工程设计，整个工程仅用了不到一年的时间，它节省材料、受力合理、使用方便、美观大方。栈桥建成之日，那全长近１公里的９跨拱形钢结构长桥飞架在蓝天碧海之间，气势甚是雄伟壮观，赢得了中外工程界的称赞。现在，栈桥已在海上服务了１７年，依然完好如初。大连新港工程投产后，仅三年半的时间就收回了建港的全部投资，它每年出口原油占全国总出口量的９０％以上。这项工作荣获全国科学大会奖和国家７０年代优秀设计奖。设计小组编写的《全焊空腹桁架钢桥》一书于１９８２年由人民交通出版社出版。

　　计算力学和工程结构优化设计　１９７２年，在周恩来总理“要搞好基础理论研究”的指示下，中国科学院召开力学规划设想座谈会。钱令希在会上倡导发展计算力学；他还提出力学要越出仅作分析的老传统，还要以综合研究工程优化设计的理论和方法，进一步为工程服务。他指出由于计算机的应用，国外力学分析的新局面已经打开，并且发展迅速，而优化设计亦正在形成气候，我国力学工作者必须迎头赶上。会后，他在《力学情报》上发表了《结构力学的最优化理论与方法的近代发展》一文，引起了大家的注意。１９７８年，在制订全国力学学科发展规划时，他极力主张把“计算力学”列为力学发展的重要方向之一。他的主张被采纳，并被指定主持了全国力学发展规划中“计算力学分支学科规划”的调研与制订工作。之后，他致力于组织队伍，进行研究与实践，发表了一批论文。１９８０年和１９８１年，他担任中国力学学会结构力学专业组组长，在大连和杭州亲自组织了两个全国性的计算力学会议，进行倡导。很快，于１９８３年正式成立了中国力学学会计算力学专业委员会，学科和队伍得到迅速的发展。当时，优化设计的理论与方法在国际上有两条途径：一条是依靠数学规划，其理论基础强，并有通用性，但实用比较困难；另一条是依靠一些简明的准则，来指导优化的算法，它便于工程实用，但仅限于部件截面的优化问题，因此有局限性。在这类问题上，钱令希的研究表明，两条途径实际是可以统一的，都可归结到相同的序列线性规划的算法上来。这个结果和当时国际上几位先进学者的工作一致。但是，人家是先行１０年后才走到这一步的。他和同事们进一步研究，在１９８３年发表了《工程结构优化的序列二次规划》一文，找到一条比序列线性规划更为切合实用的途径。在这个基础上，他们开发了ＤＤＤＵ程序系统。这个系统后来有４个版本，逐步从研究性的优化程序发展到切实面向工程应用的程序。这个程序比较完善，得到工程界的应用，也为国外同行重视。

　　１９８３年，钱令希总结了他在大连工学院工程力学研究所领导的部分研究工作，写出了专著《工程结构优化设计》。该书于同年获得全国优秀科技著作一等奖。

　　在钱令希所在的大连理工大学工程力学研究所里，目前已成长起一支研究力量，他们正在计算结构力学领域内努力工作。除进行一些理论性研究之外，结构优化设计方面正继续向计算机辅助设计方向发展。已开发的混凝土结构的ＦＣＡＤ系统以及用途更广泛、功能更全的ＭＣＡＤ系统，都坚持一条准则：面向工程，理论联系实际，切实为工程服务。

　　他主持的工程结构优化设计研究工作，集体获１９９０年国家教委科技进步一等奖和１９９１年国家自然科学二等奖。