最早将“有限元法”引入国内,他让三峡“一号国宝”绝处逢生

来源于:中国科学家博物馆
发布时间:2024-10-11 13:07:27
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小学三年级的课堂上,发放成绩单,有一个小男孩语文、数学双百分,排名年级第一。老师在班里说,这次考试,数学有个题目很难,超出了所学范畴,全校只有他答对了,非常难得。小男孩心里乐颠颠的,放学了,举着卷子就往家里跑,还没有进家门,就喊,妈妈,妈妈,我得了第一!

妈妈正在做饭,没功夫理会他,甚至都没有回过头。小男孩以为妈妈没有听见,跑到妈妈的身后,又大声喊,妈妈,我是全校第一!妈妈说,知道啦,你还要去打锣放鞭啊!好一会儿,妈妈忙完了,才对坐在一旁生闷气的小男孩说,考试,就是一次作业,考好了不值得沾沾自喜,我们每天都要做作业,我们能够为每一次作业的好和差而悲喜交加吗?以后的路还长着呢,要的是一种韧劲。好了好了,把卷子收起来,吃饭,今天做了你爱吃的糖醋鱿鱼,算是慰劳你啦!

这个小男孩就是我们本篇文章的主人公,未来我国的岩土力学专家、中国工程院院士葛修润。

 

葛修润院士

一定要把淮河修好”

1950年,淮河流域遭遇史上罕见的特大洪水。同年10月14日,中央人民政府政务院做出了《关于治理淮河的决定》,明确提出了治淮的方针与任务,为以后淮河的全面治理与开发打下了基础。1951年5月15日,毛泽东在授予治淮委员会等单位的锦旗上题词:“一定要把淮河修好”。

1952年,高考结束的葛修润面临着人生的第一次重要抉择。在填报志愿时,父母希望他填报距家近一点的上海交大。葛修润则在纸上反复写着:一定要把淮河修好,一定要把淮河修好,一遍、两遍,一页、两页。他决定了,18岁,成人了,可以选择属于自己的人生了,不,可以选择属于国家和人民的人生了。到北京去,到清华去,清华有最好的水利专业。

1952年,18岁的葛修润考取了清华大学水利系。到了清华的葛修润,因为学习成绩拔尖,同时也因为思想品质好和组织管理能力强等多方面的因素,当了班长。身为班长的他,花时间最多的是班上的义务教育活动。因为大家起点不同,很多同学课程跟不上,葛修润就给同学补课,帮助同学们共同进步。

到大学半年以后,国家有政策要选拔一部分学生到留苏预备班去,葛修润二话没说就报名了。1954年9月,经过近一年的学习,葛修润被分配到乌克兰敖德萨建筑工程学院水利系工程结构专业学习。由于学习成绩优异,老师对葛修润很是器重,让他专心科研工作,做科研报告等。

1959年7月,25岁的葛修润获苏联优秀毕业生文凭和苏联水利工程师的称号。毕业前夕,他的专业导师问他是否愿意留在苏联工作,葛修润婉言谢绝了。

祖国在召唤,此生系中华!

攻克有限元

1959年,已经归国的葛修润,在北京完成3个月封闭学习后,被分配到中国科学院中南力学研究所(现为武汉岩土力学研究所),从此开始了自己五十余年的重大岩体工程问题研究。

1971年,他得知国家急需将世界上最先进的应力分析法“有限元法”引进并应用于岩土工程课题,用仿真模拟求解真实的工程问题。在没有可参考程序的情况下,葛修润立刻带领科研小组开展了有关有限元线性和非线性程序的攻关。

当时国内已经独立自主研制出了三台晶体管式的计算机,其中一台就在武汉大学数学所。由于葛修润不能直接进入“X-1机”大厅进行操作和运算,他就抓紧一切时间学习该计算机的说明书和操作指令,以及有关有限元的一些文献。

经过连续三四个月的苦斗,以葛修润为主的科研小组成功编写出了平面问题有限元线性和非线性程序,并于1971年底前调试通过了计算分析程序,对我国西南地区某大型地下火电厂三个硐室群的平面变形问题进行了线性和非线性计算,此成果被国内同行们公认为我国将有限元分析用于大型地下硐室群分析的首例。

 

葛修润关于有限元增量表达及非线性方程法的手稿

钻研有限元方法的日子对于葛修润来说,是紧张而昏暗的。“那几年,为了有限元方法,我基本日日夜夜都在工作,晚上熬夜工作,白天也继续工作。那时候我得了肝炎,身体特别不好,爱人因为分居也不在身边。”

病重时,葛修润只能躺在床上休息,但只要稍微一清醒,他就会爬起来拿笔运算,有时实在爬不起来,就躺着想问题。后来,在一位老中医的帮助下,他的身体才慢慢地好转。

1974年,葛修润为葛洲坝二江泄水闸做抗滑稳定非线性分析,为该工程作出重大贡献。“有限单元法在岩体力学中的应用及非线性分析方法”获1978年中国科学院重大科技成果奖。1985年,“葛洲坝二、三江工程及其水电机组”被国家科学技术进步奖评审委员会授予国家科学技术进步奖特等奖。葛修润也被誉为“最早将有限元法引入我国岩体工程学研究的先驱之一”。

 

1985年,国家科学技术进步奖特等奖证书

保护白鹤梁

葛修润参加过葛洲坝和三峡等多项重大建设工程,多次为“护宝”提建议出思路,成了不在行内的文保专家。

1992年,全国人大通过修建三峡工程的决议。位于重庆涪陵的白鹤梁——这个原本可能在三峡蓄水后被永久淤埋的“世界第一古水文站”,却因为葛修润的奇想而绝处逢生,使它在动土的工程完成之后,被收藏于一个鹅蛋形的水下博物馆中。

为了保护白鹤梁,各路专家先后提出五种护宝方案:“水下博物馆”“水下淹没、陆上复制”“岸边复制”“沿大堤修建白鹤梁”及最后诞生的“原地淤埋、异地仿真”。

葛修润院士作为专家组组长领衔对最后的方案进行审议时提出一个新的构想:“我们可以用‘无压容器’的原理,把白鹤梁本体在水下完整地保护下来。”他说:“迄今为止提出的方案,都不能改变白鹤梁被淤埋的命运。难道我们真的对此无能为力了吗?如果不能找到最好的方法来保护白鹤梁,就是我们一代中国知识分子的失职!”

葛修润用备下的一些透明薄膜和草图作讲解,表述自己的方案——在题刻最集中的原址段上造一个长70米、宽25米左右的椭圆型壳体,将题刻罩起来,江水经过滤后注入,可抵消壳体外的水压,再建一条水下管道,让人们透过玻璃窗观赏白鹤梁题刻。葛院士的新构想获得不少专家的认同,并最终被采纳。他说:“文化遗存是千年历史的精华,为之献计献策是义不容辞的。”

2006年,葛修润与夫人在白鹤梁

在1985年3月提交的《入党志愿书》中,葛修润这样写道:“我一定要更加努力地钻研业务,提高学术水平,积极培养年轻人。为实现四个现代化敢于不怕艰难险阻,攀登科学高峰;在科研岗位上努力起先锋模范作用;作(做)一名在科研战线上与其他同志互帮互助,共同前进的老兵。”退休后的葛修润,还是放不下工作,实验室、工地依然是他的战场。

2023年1月4日,葛修润因病在武汉逝世字,享年88岁。“急国家之所需,为国争光”,他用自己一生践行了这句座右铭。而他高度的责任感和使命感,严谨治学的精神和态度,也将永远激励后辈学人继续前行。

参考资料

[1]祝福堂 杨运灿.共和国的骄子——葛修润[M],老科学家学术成长资料采集工程.

[2]郑欣荣.联合国教科文组织推介白鹤梁保护经验——葛修润院士讲述幕后故事[N].长江日报,2011.01.04.

[3]鲁伟 陈继荣 任重.他用科学与良知题刻完美[N].科学时报,2011.01.06.