鍾萬勰：計算力學裡的「愛國大義」

1962年，鍾萬勰（左）與錢令希在一起。

【大家】

學人小傳

鍾萬勰，工程力學與計算力學專家，中國計算力學發展的奠基人之一。1934年生於上海，1956年畢業於上海同濟大學橋梁與隧道專業，同年分配到中國科學院力學研究所工作。1962年調入大連工學院（現大連理工大學），工作至今。1993年當選中國科學院院士。曾任中國科學院技術科學部副主任、中國力學學會副理事長、教育部科技委員會委員、中國力學學會計算力學專業委員會首任主任委員，第一至第四屆國際計算力學協會常務理事與執行理事。現為國際計算力學協會執委會榮譽委員，英國威爾斯卡迪夫大學名譽教授。

鍾萬勰幾十年來致力於工程力學與計算力學研究，對經典彈性力學結構力學分析有重大推進，創建「離散辛數學」方法；發明了精細積分法，計算結構力學與最優控制的模擬關係，參變量變分原理等，形成了鍾萬勰計算力學學術思想體系。他為我國建造首艘核潛艇制定了「潛艇耐壓殼強度」的設計規範，曾主持完成多個重大結構工程計算分析項目，「群論在結構分析中的應用」等應用力學結構分析計算理論，在改革開放初期，為解決國家重大工程關鍵問題作出重要貢獻。研製出大量具有先進水平的結構分析集成程序軟體，至今廣泛服務於社會經濟各領域，取得顯著經濟效益。其研究成果1991年、2010年兩次榮獲國家自然科學二等獎。2011年獲ICCES終身成就獎。1998獲國際計算力學協會FELLOW獎，2001年獲何梁何利科學與技術進步獎和「全國模範教師」稱號，已發表論文300餘篇，出版《計算結構力學與最優控制》《彈性力學求解新體系》《參變量變分原理及其在工程中的應用》等中英文專著。

2020年5月23日，見到鍾萬勰院士時，這位86歲高齡的老人正在忙著著書立說，他的《辛數學及其工程應用》被徵訂為航空宇航科學與技術教材出版工程規劃「十三五」教材項目。對於人才培養，鍾萬勰向來格外重視，要不是疫情耽擱，他還會一如既往地堅持給學生上課。

首 創

「離散辛數學」是鍾萬勰對世界計算力學的貢獻，更是中國計算力學躋身世界的「國之重器」。它打破了由數學大師聖維南提出、由力學大師鐵木辛柯總結出來的彈性力學「半逆法」，即聖維南問題「湊合法」的傳統束縛，建立了高效、精準、便捷的計算力學結構分析體系。這一結構分析計算系統廣泛適用於土木建築、航空航天、電子通信、高鐵、海上採油、核電開發、機械製造、交通運輸等眾多領域，均取得顯著的經濟效益。

更令人欽佩的是，1996年，鍾萬勰帶著他的「離散辛數學」去史丹福大學力學所講學。史丹福大學是鐵木辛柯的「老窩」，裡面的弟子都是權威人物。報告會上，鍾萬勰剛講幾句話，就有人舉手提出質疑，但報告結束時，底下反而沒有人疑問，他們紛紛表示：「彈性力學還可以這樣改進！」之後，就是一陣經久不息的熱烈掌聲。

「外國人在這個領域做了這麼多年的莊，我們中國人也該佔有一席之地了！」鍾萬勰驕傲地說。

為什麼鍾萬勰的「離散辛數學」能令眾多世界計算力學大咖如此欽佩？能有如此神奇之應用功效？

首先，鍾萬勰吸收了盛行百餘年的世界經典力學哈密爾頓體系，深刻解析了德國大數學家赫爾曼·韋爾1939年針對力學分析提出的辛數學概念。在此基礎上，他創立了「離散」有限元變分的結構力學分析方式，形成了代數求解的「離散辛幾何」方法。而哈密爾頓體系是用複雜的微分辛幾何進行差分求解，其理論艱澀難懂，極其不適宜實踐應用。

其次，「離散辛數學」是鍾萬勰近40年奮鬥的心血結晶。在此期間，他創立了獨樹一幟的計算力學理論：「群論在結構力學中的應用」「極限分析中新上、下限定理」「參變量變分原理」「精細積分法」等。「離散辛數學」的誕生，標誌著鍾萬勰學術思想體系的形成。

最後，通過「離散辛數學」，鍾萬勰建立了結構力學與最優控制之間的模擬關係。這一關節點的打通，實現了結構力學和動力學分析相互貫通，力學各學科之間的交叉和融合，糾正了國際計算力學界一直認為的「動力學能量與差分『保辛』相矛盾」，即「保辛」則不能能量守恆、能量守恆就不能「保辛」的錯誤認識，為動力學控制理論發展作出重要貢獻。

1993年，《計算結構力學與最優控制》出版；1995年，《彈性力學求解新體系》出版——這是鍾萬勰一生40餘部著作中最有分量的兩部。《彈性力學求解新體系》出版時，錢學森為此寫來賀信：「是您使彈性力學的工程計算體系適應了電子計算機時代的要求，真是立了大功！」美國工程院院士卞學鐄教授稱他的彈性力學新體系是首創。

《彈性力學求解新體系》獲首屆中國工程院光華工程科技獎一等獎。1993年，鍾萬勰當選為中國科學院院士。

「離散辛數學」體現了鍾萬勰「不唯洋是尊」的治學思想，「行成於思毀於隨，要敢闖！」後來，他追根溯源，把這一發明返璞歸真到「祖衝之方法論」上，發揚光大中華傳統文化，並循循善誘將「祖衝之方法論」傳播到廣大學生之中。

奮 鬥

錢偉長慧眼識珠，鍾萬勰大學畢業後被「點名」要進了中國科學院，他也在名家的錘鍊中迅速成長。

鍾萬勰沒留過學，但他精通英語、俄語，全憑自學。

鍾萬勰學習的刻苦勁頭，有目共睹。食堂買飯排隊在看書，生病被懷疑是癌症住院期間在看書，照顧生病的妻子時在看書，候機、等船在看書，甚至「文革」時期開大會，他也拿著一本量子力學的英文書在底下看。

鍾萬勰的好學精神與從小的家庭薰陶有關。1934年，他出身於上海，父親鍾兆琳是上海交通大學著名教授，我國電機學的創始人。

鍾兆琳是一位有風骨、有氣節的科學家，曾為抵制日本人憤然辭職。鍾萬勰身上所具有的強烈的民族氣節，秉承了先父之志。

鍾萬勰小學、中學就讀於上海南洋模範學校。1952年，他考入同濟大學橋梁與隧道工程專業。大學期間，鍾萬勰就顯示出過人的數學天賦以及博覽群書的自學能力。

「那個時候，這點內容根本吃不飽。」鍾萬勰自學了《柯氏微積分學》、庫朗—希爾伯特《數學物理方法》、斯米爾諾夫高等數學教程。「胡—鷲津」變分原理的發明人胡海昌院士曾講過：「鍾萬勰的數學比我好。」可見，鍾萬勰的數學水平之高。

畢業前夕，鍾萬勰撰寫了兩篇頗有見地的論文，其中《各向異性平面彈性的接觸問題》由同濟大學校長李國豪推薦給全國力學學會成立大會。中國科學院力學所副所長錢偉長看到文章後說：「鍾萬勰你來給我當助教，你把力學學懂了。」

就這樣，1956年，鍾萬勰大學一畢業就來到中國科學院。1959年，所長錢學森派他到中國科技大學擔任理論力學的主講教師。剛畢業，就被中國科學界頂尖人物「二錢」看重，鍾萬勰迎來了人生的高光時刻。

這段時期的鐘萬勰博覽群書，眼界大開，他閱讀了朗道—慄弗西茲《理論物理學》著名的「群表示論」以及其他關於「群論在物理中的應用」等著作，吸收了1960年美國科學家克拉夫和英國科學家辛克維奇「用能量法解決數值問題」的數值分析「有限元法」，融匯了錢學森、錢偉長、錢令希、胡海昌等中國科學家的各種思想，這些為其日後的學術成長奠定了堅實基礎。

也正是在這這段時期，鍾萬勰對傳統力學理論產生了質疑。為突破它，他奮鬥了近40年。

不 撓

可惜，在中國科學院工作不久，「反右」運動開始了，鍾萬勰遭受「衝擊」。出於愛惜保護人才，部門領導胡海昌向當時的學部委員錢令希推薦了鍾萬勰。

錢令希愛才心切。就這樣，1962年，28歲的鐘萬勰在人生最富創造力和拼搏力的黃金年華，來到了大連工學院（大連理工大學前身）。

鍾萬勰回憶，那是1962年9月的一天清晨，他乘坐火車來到大連，空氣清新，真是個難以忘懷的時刻。錢令希竟然一大早就親自到車站來接他，並為他在大連的新生活安排好了一切。

由於受到錢令希的「庇佑」，鍾萬勰可以全身心投入科研工作之中。「我獲得了自參加工作以來發揮才能的最好機會。」而且每周末，鍾萬勰都是錢家的「座上客」。鍾萬勰不僅從生活上體會到了錢令希對他無微不至的關懷，而且在與錢令希的交談中，鍾萬勰更深切感受到錢令希心中懷有的富強國家的科技創新夢想。

使命在肩，更需躬身勠力前行。作為工作助手的鐘萬勰，在錢令希的科研方向指引下，兩人「珠聯璧合」，於1963年發表《論結構極限分析並建議一個一般變分原理》一文。這篇文章之所以引起強烈反響，一是因為其所研究的極限承載能力由彈性力學發展到塑性力學，涉獵問題更為複雜，二是因為拓展了獨具特色的一般變分原理。

後來，鍾萬勰才知道，「在最初進行一般變分原理研究的時候，錢先生已經接受了國家建造核潛艇的任務」。1965年前後，大連工學院正式承接核潛艇耐壓殼的研究任務，並成立理論與實驗兩個研究組。鍾萬勰擔任理論組組長。

基於前期紮實的理論基礎，鍾萬勰很快就找到了結合殼體失穩的不利形式。實驗組也驗證了這一理論結果。在獲得成果的那一天，鍾萬勰興奮得三步並作兩步跑到樓上，向錢令希匯報。錢令希非常高興地連說：「交卷了，交卷了！」

正當研究報告藉助手編程序在真空管式電子計算機上算出數值結果，並進行研究成果的初步整理時，「文革」開始了。起初，鍾萬勰還能將自己反鎖在辦公室或圖書館裡，繼續研究。可是後來，在一片「造反有理」的聲浪中，研究不僅無法繼續，他個人也屢受衝擊。

由於核潛艇研究需要，鍾萬勰在蹲「牛棚」時，憑藉小時候與父親下圍棋練就的「復盤」本領，在沒有任何資料輔助的情況下，全憑「腦袋瓜」把「核潛艇耐壓殼體錐柱結合殼體穩定性設計」默寫在了一疊廢紙上，在「放風」時交給錢令希，確保我國第一艘核潛艇成功潛水。而這一成果一直以來成為我國核潛艇耐壓殼設計和計算的規範，並獲得全國科學大會獎和國家自然科學獎。

創 新

20世紀70年代，中國的計算力學基本上是一片空白。當時的大連工學院，以錢令希院士為代表的力學工作者身懷報國之志，深感由於計算機的出現，國際力學界會發生變化。

「要做事必須有人才」，為此，錢令希不僅頂住壓力調進了鍾萬勰，而且在此期間還調進了一批所謂「出身不好」的青年才俊。1972年，趁政治運動稍有鬆緩之機，考慮到上海有2臺可以應用自動化語言的計算機，於是，錢令希向工宣隊建議開門辦學，成立「上海小分隊」，發展我國計算力學。

從1972年到1973年，這支先後由十幾個人組成的「上海小分隊」幹出了一番「轟轟烈烈」的事情。「上海小分隊」主要推廣土木結構計算分析程序，這類程序設計，計算量浩大，以前都是手工計算，耗時長。如何將計算機算法語言用到力學分析上，當時國內沒有任何書籍刊物可查，程序全靠自己開發。林家浩教授回憶：「鍾萬勰看著外國那些天書一樣的東西，他就能把它一條一條、一點一點轉化成為力學的語言，編出了自動化語言的程序，開發出JIGFEX（結構分析）計算程序軟體，到20世紀80年代初，國內已經有幾百個工程用了我們的軟體。」

為開發此程序，「小分隊」與上海市政工程設計院、上海工業建築工學院洽談，免費幫助對方解決工程設計問題，只要對方提供每天2個小時的上機機時。對方不僅給予支持，還提供了生活住宿方便。

那時，「小分隊」每天只能半夜12點前後去計算機房排隊上機，無論颳風下雨，即使雪埋腳踝，鍾萬勰也依舊去排隊，甚至發高燒也在編輯程序，真是拿出了「豁出去」的「玩兒命」勁頭。

當時的計算機內存非常小，分別為48K和192K字節。為解決如此大量的計算，鍾萬勰創造出「小馬拉大車」的「奇蹟」，「小分隊」成員按照鍾萬勰開發設計的程序，針對具體工程進行編輯。自此，這套計算機軟體開發系統解決了大量實際工程問題，上海電視塔就是其中的成功案例。

上海電視塔吊裝當天，成千上萬的上海市民前來圍觀。「上海小分隊」也由此名聲大噪，「小分隊」駐地、鍾萬勰的家都被絡繹不絕的「取經」人擠滿。鍾萬勰他們不僅把程序無償奉送，還在上海科學會堂舉辦多場培訓班。

一時間，大連工學院計算力學在國內迅速「躥紅」，發展勢頭銳不可當。

時任上海市政設計院計算組組長的胡云程工程師回憶：「我利用鍾萬勰設計的程序系統解決了當時市政設計院久攻不下的一個橋梁工程中4個鋼箱梁的『合龍』問題。鍾院士真的不簡單，他自稱是『土八路』，其實，他不僅絕頂聰明，而且還有超於常人的努力。鍾院士是真正有學問的，所以對我的影響很大。」

深究這套軟體開發系統的「神奇」之處，關鍵在於鍾萬勰將世界著名的理論物理「群表示論」思想運用到結構力學計算之中，而且涉及大量高深的數學知識。鍾萬勰創造了這套程序的「原始碼」。大連交通大學退休教授吳昌華回憶：「我就用鍾萬勰JEGFEX程序算齒輪，以前的計算機沒有硬碟，用紙帶機靠內存來解題，我算的齒輪有14個齒，28個對稱軸，按照群論理論，只要對二十八分之一的面積或者體積進行劃分、求解，問題就全部解決了，所以我知道它的神奇之處，效率太高了。」

一鼓作氣，鍾萬勰將JEGFEX系統不斷完善，開發出簡潔版的DDJ系統、結構優化程序（DDDU）等多種專用程序，在國內建築領域首先實現了作業軟體、施工圖繪製一條龍的CAD軟體開發。這些研究成果為改革開放後百廢待興的經濟建設，以及國防工程的更新換代解決了一系列重大難題。

1978年，全國科學大會勝利召開。大連工學院力學系有4個項目受到大會獎勵。其中，鍾萬勰在《潛水耐壓的錐柱結合殼的強度和穩定性》《群論在結構力學中的應用》《大型汽輪發電機基座的設計與研究》等三個項目中都發揮了至關重要的作用。

啟 發

由於大連工學院的不懈努力，推動了我國計算力學的發展，並積極走向世界，縮短差距。1984年，中國計算力學協會正式成立。鍾萬勰被推舉為該協會的第一、第二屆主任委員。

1986年，中國作為發起國之一的世界計算力學協會在美國成立。鍾萬勰受教育部指派，率團出席成立大會，並被推舉為該大會的常務理事。在連續六次大會上，他都發表了重要的學術報告，成為中國計算力學界在國際上的代表性人物。

鍾萬勰內心深處有種強烈的民族自尊感。20世紀80年代，我國開發渤海石油，建造海上石油平臺。當時的平臺設計，中國人自己還不會，國外有軟體卻不賣，要中國花錢，他們過來人給計算，而且還夾帶著不合理的附加條件。

為此，鍾萬勰組織團隊僅用一年半時間，就把這套結構設計計算程序給弄了出來。中海油派了一輛小麵包車，拉著列印出來的計算結果，從塘沽開到北京，鍾萬勰需要把外國的這些計算結果逐一算出來。

這就是難不倒的鐘萬勰團隊，《中國日報》等國內多家報紙頭版頭條報導了這件事，外方最後只好規規矩矩和中方進行合作。

20世紀80年代初，世界銀行組織貸款，投資中國經濟社會建設，其中，投資建設的工業裝備結構分析國家重點實驗室，籌劃依託於大連理工大學力學系。而對此進行資質審查、資格評估的答辯會，都是由鍾萬勰作為答辯人完成的，並且收到良好效果。

以此為平臺，鍾萬勰與國外同行進行了廣泛的學術交流。他經常在國際會議上做主旨報告或出任主席、副主席，也曾三度訪美，應邀在幾十所國際頂尖大學做學術報告，還與英國卡迪夫大學建立了友好合作關係，被英國威爾斯大學和香港大學授予榮譽教授稱號，並於1997年被世界計算力學大會授予院士獎。

一次訪歐交流中，正值海灣戰爭爆發。鍾萬勰發現，美國的「smart bomb（聰明的炸彈）」雷射制導，精準打擊，殺傷力極強，而且，「美國的學界猛講動力學與控制。這套東西，我可是行家裡手啊」。

於是回國後，鍾萬勰集中研究控制問題，「我們中國一定要把這套東西搞上去」。

憑藉近40年的學術積累和實踐探索，鍾萬勰再次回到經典力學哈密爾頓體系。此時，他有一種徹悟之感。中華文化「一陰一陽之謂道」的深刻意蘊，法國數學大師龐加萊的名言「數學能夠用一套語言把兩個完全不同領域的東西放到一起」，都給了他巨大的啟發。

於是，「離散辛數學」體系誕生了。

通過「離散辛數學」創建結構力學與最優控制的模擬關係，形成了我國自己的控制理論，即魯棒控制H∞理論，並出版《狀態空間控制理論與計算》一書。鍾萬勰團隊開發出最優控制系統設計與仿真工具箱PIMCSD Toolbox。這套軟體系統對機器人快速機動操作、制導武器的精確打擊和攔截、衛星編隊隊形的重構以及飛機起飛整編等，對國家經濟建設發展，都在發揮和必將發揮重要作用。

「有人說我的『最優控制』和外國人不一樣，我為什麼要和外國人一樣？我做出來的就好使！」「有時候外國人搞的那套土方法不行，我們都把他們甩在後面了。」之後，鍾萬勰通過人才培養，繼續將最優控制研究下去。「2000年以後，一直到2010年，我花了很大力氣到航天部門推廣我們的計算力學與最優控制，我把程序系統都送給他們，希望航天部門一定要關注。」老先生身懷愛國大義，拳拳之心令人動容。

無 悔

鍾萬勰給眾人的印象是，人很謙虛，沒有架子。他做學問也很實在，「計算力學雖然接觸面很廣，但它的作用就是輔助，工程都是你們的工程，我們輔助你可以做這個做那個，就起這個作用。」但是，就是這個「輔助作用」卻至關重要。

20世紀90年代，三峽工程舉世矚目，其中一個重要的升船機工程，在方案設計完成後，交給鍾萬勰審查。鍾萬勰看完圖紙後，直言「這可能出問題」。

升船機提升109米以後，結構穩定性方面存在問題。一條客船，多則好幾百人，一旦傾覆，後果不堪設想。於是，鍾萬勰寫信給三峽工程技術總負責人張光鬥院士和潘家錚院士。

不久，三峽水利辦召開生產會議，鍾萬勰作為大連理工大學代表出席。會上，鍾萬勰把他的想法講了出來。隨後，中央有關領導知道有院士對設計提出意見，於是在升船機建設的批文上寫道：繼續研究。

恰巧，在之後的升船機試驗中，兩次都發生事故。而當再建方案拿到鍾萬勰面前時，他審查後說「可以了」，這才投入建設。

至今，升船機安全運行。

鍾萬勰是一位科學家，他總是以追趕世界前沿的競爭心態和必勝信心對待科研，圍繞科研處理周圍的人和事。所以，你總能感到他身上有一股熱情和幹勁。

先進裝備設計與CAE軟體開發國家地方聯合工程研究中心副主任陳飆松對鍾萬勰無比感激：「從2005到2007年，軟體研發團隊處於動蕩時期，因為鍾先生的不斷激勵，我們才一直堅持著，而且遵循鍾先生JIGFEX結構計算理論，並把它拓展成為SiPESC計算軟體程序集成平臺。此集成平臺如今已經應用到我國航天領域，包括『神舟』系列載人飛船、『天宮一號』的設計以及很多型號的太空飛行器的設計。在核電方面，我們也有了重大進展，特別是為『華龍一號』解決了核反應堆推力軸承計算問題。」

自從來到大連理工大學，鍾萬勰夫妻二人就兩地分居，至今已40餘年。後來，只要有回老家上海的機會，學校就會為他提供、創造各種方便條件。但是，鍾萬勰一心撲在計算力學事業上，把為他提供這片沃土的大連理工大學當作第二故鄉。

心茲念茲，鍾萬勰用「正其義不謀其利，明其道不計其功」來描述自己科學人生的追求境界，用「衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴」來表達他獻身科學事業的無怨無悔。

（作者：吳琳，本報駐大連記者站記者；呂東光，大連理工大學黨委宣傳部新聞中心記者。）

（本版圖片均為資料圖片）