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曾广武:我系舰船结构优化设计学科发展的回顾和展望

点击次数:  发布时间:2017-10-19 15:30:52 编辑:校史研究室

契机

上世纪七十年代初,虽然文化大革命尚在紧张进行,但由于国家大战略的需要,急需研制出一部潜艇结构设计计算规范。为此,组织开展了全国产学研联合攻关研究。应邀参加攻关研究的学校,有上海交通大学、哈尔滨军事工程学院(现哈尔滨工程大学)、大连工学院(现大连理工大学) ,以及我校。由于我校和大连工学院所承担的子课题力学理论性较强,大连工学院组建了以力学系钱令希教授(资深学部委员) 牵头的研究团队,我校则组建了由我系和力学系共同组成的研究团队。由于任务紧迫,几乎每年都举行各研究团队的交流协调会,大家建立了非常好的合作关系和友谊。1977年整个项目结束,当时国内高校教学科研尚未完全恢复正常,大家都不知道今后如何搞。在一次交流讨论会上,钱教授分析了我国工程结构领域的发展形势,倡导开展结构优化设计的研究。我听了钱老师的分析,顿时豁然开朗,感到舰船作为一类复杂结构,研究科学的优化设计方法是非常有用的,若与正在兴起的高速计算机和计算技术结合,将会对新型舰船设计和性能的提升产生积极的推动作用。回到学校后,我立刻如饥似渴地开展了优化设计理论的钻研学习。通过学习和分析,更认为钱老师的意见,是非常符合未来学科发展趋势和我们专业特点的真知灼见。于是,我初步明确了研究的计划,展开了有关研究工作。首先是将1978年新招的两名研究生的研究方向,选定为舰船结构优化设计,正式开展优化设计学科的理论研究。同时,也参加了造船工程学会军船设计学组,积极开展有关的学术交流活动。正当为找不到合适的研究课题发愁的时候,在一次军船设计学组的会议上,巧遇在沪东造船厂从事舰艇结构设计工作的校友周振柏,他是1966届船体专业毕业生,在沪东造船厂设计科船体股任股长,我曾指导他毕业设计,师生久别重逢,相谈甚欢。他问及我现在的工作情况,有没有兴趣和工厂合作,开展舰艇结构设计的研究,因为沪东造船厂正在开展新型护卫舰的设计工作。我大为兴奋,真是应验了“机会只给有准备的人” 这句名言!我们立即谈妥共同开展新型护卫舰结构优化设计的研究。这段经历使我深深体会到,名师的指点和产业界校友的相助,对学科的发展有重要作用。

快马加鞭向前冲

俗话说:兵贵神速! 回到学校后,我立即组建研究团队。记得当时参加的除我以外,还有刘土光老师、谭林森老师,以及我的研究生王余刚。张维衡老师也参加了部分研究(当时他参加的7103项目尚在进行)。首先,是赴沪东厂了解设计要求,查阅早期舰艇的图纸和计算书,为开展实舰计算机辅助结构优化设计作了充分准备。

回到学校后,根据学到的优化设计理论和算法,立即学习计算机应用和研究计算机编程。当时国内电子数字计算机的研发还处于初期阶段,生产的数量很少,价格也非常昂贵,主要是满足国防发展,特别是两弹一星研究的急需。朱九思老校长高瞻远瞩,上世纪70年代初即创办了计算机专业,并设法购到了一台华北计算所刚研制出的DJS--21机。当时的这种电子晶体管数字计算机,不但体积庞大,维护保养要求也极高。同时,由于全校共用这一台计算机,上机时间有限,需要事先预约和分配。因此,我们把电算项目分成两块,一块是舰船关键结构件(常称为舰船舯剖面结构) 的优化设计计算,另一块是局部结构(板架和框架构件) 的优化设计计算。前者在学校的DJS--21机上进行,后者则运用当时能购到的手持式可编程计算器进行。

当时这种在国内尚属先进的计算机条件,使我们对快出成果、出创新成果树立了信心。但实施起来也遇到很多现在难以想象的困难。当时的这种计算机,使用十分复杂。编好的程序和输入的数据,要逐字译成代码,并将每一个代码在纸带上打一排孔表示。上万排孔代码的纸带,只要打错一个孔,就无法进行计算,或者会得出错误结果。这项工作主要由研究生王余刚来实施,他1968年清华大学毕业,分配到攀枝花钢铁公司,曾当过搬运工和卡车司机,现在的工作是对他耐心和细心的又一次磨练。更令人头疼的是,计算机还常出故障;记得有一次发生现在看来是笑话的事,我们急着要计算结果时,计算机不工作了,我们非常懊恼,不禁长叹一声;此时管理员小罗说,先别着急,我试试看能不能弄好,接着朝计算机一个机柜拍打了两下,真的计算机又恢复工作了。事后小罗对我说,机柜有非常多的晶体管和插件,常会发生有些接触不好的情况。” 像这类计算机发生故障,或纸带被卡住打坏需要重新制作的事情,还真不算少,现在是难以想像的。

手持式可编程计算器,在当时算是没有被西方禁运的一种进行数值计算的新产品。虽然功能有限,内存很少,但对不太复杂的结构物进行强度分析计算,基本上还是可行的。但编程很麻烦,计算速度也很慢,由于经常要变方案试算,工作量也很大。为了满足进度要求,常常要加班加点。这项工作分配给了1968年毕业的青年教师谭林森。他孩子小,家务负担较重,所以工作很辛苦。有一次竟然发生洗澡时晕倒的事情,幸亏当时都是集体澡堂,及时被人扶起坐下休息,才没有酿成事故。事后我向他了解情况,他只是笑着说:“这两天没有睡好,一分神就摔倒了,没有什么关系。”

分析计算得到的优化方案,还需要常去到工厂,与厂方的设计人员和军代表讨论研究,让优化设计能反映使用要求、工艺条件和工厂的原材料状况等。白天在厂里看图纸和讨论,晚上回招待所还要估算和分析。记得当时工厂食堂伙食不好,还比较贵(工人大多是自带午饭,回家吃晚饭),研究生王余刚经济较困难,常常五分钱白菜倒在饭盒里对付一餐;我发现这样下去身体可能吃不消,就强行从工厂发的补贴中抽出一部分用于餐券。当时的交通状况还不太好,经常往返于厂校之间,也是一件很辛苦的事。

值得欣慰的是,只用了两年左右的时间,我们便于1980年完成了“用电子计算机进行舰船总纵强度计算”和“舰船舯剖面的优化设计”等多项成果,发表了《工程优化设计方法简介》 《用电子计算机进行舰船总纵强度计算》《舰船舯剖面的优化设计》《用最优化方法分析结构的稳定和振动》等多篇论文。研究成果《舰船总纵强度计算程序、舰船舯剖面结构的优化设计方法及实用程序》,获得1981年度原六机部(现为中船总公司)重要科技成果三等奖。

19822月,《长江日报》和《光明日报》都在头版显著位置作了报道和高度评价:“华中工学院曾广武副教授等,在应用最优化新技术方面取得突破。”在上述研究基础上,由我和刘土光、谭林森共同编著出版了《船舶结构强度计算及优化设计》 (华中工学院出版社1985年出版,并被评选为优秀科技图书)

同时,我在以船舶结构优化设计为学科方向招收的研究生中,开设了“最优化设计理论和方法”、“结构优化设计基础” 等多门研究生课程。培养的研究生陆续留校,加入优化学科的研究团队,先后参加优化学科研究的有王余刚、郝刚、洪波、程远胜等。并且继续扩大理论和应用研究,将研究成果应用于701所设计的小型护卫舰、巡逻艇、海关船、训练船、驱逐舰等产品,均取得显著效果。在沪东造船厂所开展的舰船结构优化设计合作,也一直延续到九十年代初期,进行了各种类型护卫舰的结构优化设计,达到了“节省重量,改善舱室布置,提高舰体强度和刚度,改善了振动,缩短了设计周期的巨大效益”(工厂的使用证明) ,使这型产品成为海军的重要装备,并出口到很多国家。该系列产品获评中船总公司科技进步一等奖,也为沪东造船厂带来显著的经济效益和影响力。我们所进行的理论和应用成果,也获得多项省部级奖,包括“水面舰艇结构优化设计方法及应用”(中船总公司科技进步二等奖,1991)、“舰船性能直接计算及评估方法研究”(中船总公司科技进步三等奖,1996) 等。

随着全系科研的深入,产生了很多新的学科方向,有的老师陆续转入新的学科的研究。刘土光老师转入了塑性动力学学科的研究,谭林森老师开展了复杂结构有限元方法的研究,但他们在舰船结构优化设计学科初创时期所作的贡献是很重要的。发展历程表明,正是由于这种团结协作的精神,才使我们在很短的时间里奠定了舰船结构优化设计的坚实基础。

迎着困难去攀登

没有名师引领,又缺乏软硬件资源支撑,要想抢占学科制高点是困难的。我们怀着初生牛犊不怕虎的精神,付出了自己的努力,取得了一定的成效。回顾脚踏实地一步一个脚印的行程,也许值得未来发展的借鉴。

首先,为了扩大优化设计在产业界的影响, 19809月,我们促成武汉造船工程学会举办了由我主讲的工程优化设计讲习班。武汉市产学研各类型学员有约三十余人参加,大都是各单位已有较好工程设计和教学经验的人员,所以学会也非常重视。学会理事长蒋大经亲自主持开学,并破例要求结业时举行考试。讲座约45课时,每个星期日讲课,地点设在武昌火车站附近的701研究所。当时武汉交通尚不太好,要按时去听课、上课,需赶早去挤公交车,没有足够的积极性是难以坚持的。我们学院也有潘立新、黄震球、黄声江、刘增荣、尹业民等老师参加了听课。由于大家的重视,讲习班总算坚持到了最后,并举行了考试。现在回忆起来,还被当时大家那种求知的热情所感动。这个讲座的成功举办,对优化设计的推广应用起了很好的推动作用,也扩大了我们学科团队在行业中的影响力。

开展国际学术交流,也是我们当时非常重视的。主要是迫切需要引进国外优化设计先进的实用技术,特别是想引进计算机辅助优化设计的实用软件,这是著作和文献上难以获得的。1984年,经过多次交流与协商,终于心想事成,邀请到了国际著名优化设计领域学者、斯坦福大学威尔德教授来校讲学,并商定由他带来一套较完整的计算机辅助工程优化设计系统(适用于当时的PC),并作为讲座的主要内容。根据协商他先将软件光盘寄给我,我们组织消化和应用。收到光盘软件系统后,我们立即组织研究生学习和剖析,并在当时科研经费尚很紧张的情况下,马上购买了两台PC计算机(当时为apple) 。经过日夜兼程,分工合作,终于基本掌握了这套程序的算法、编程方法和用法。1984年暑期,威尔德教授来校,讲习班如期开班。我校参加人员除我系部分教师外,还有机械系、电机系等教师,约二十余人。为保证学以致用,特安排事前已消化程序系统的我的研究生王余刚作辅导,同时邀请刚好回国的周济博士担任翻译兼辅导,他在国外的博士论文就是研究优化设计理论和方法,而且他年初曾与威尔德教授在一次学术会议上相遇,教授告诉他将要去中国华中工学院讲学,真是机缘巧合。通过这样的安排,使经过约一个多月的学习和实际应用,收到了良好效果。明显的表现是,讲座以后,我们就开办了很多期全国性的讲习班;机械系也办了很多期讲习班;电机系也承接到了课题,在电机设计中开展了优化设计的应用等。威尔德教授也受聘为我系客座教授。这次活动,使我们在优化设计的应用水平上有了一个很大的提升,在国内较早地开展了PC机辅助优化设计的应用,大大推进了优化设计的实际应用。

为了开展与国内外同行的进一步交流合作,1986年我参加了由教育部组团、在美国举行的首届世界计算力学大会,报告了我们在计算机辅助优化设计系统上的研究成果,并同时与大连理工大学、浙江大学、上海同济大学等同行进行了交流,建立了友谊。

1986年我将多年给研究生讲课以及科研中的心得,撰写出版了专著《优化设计方法及其在造船工程中的应用》(国防工业出版社,1986) 。该书受到学术界好评,于1988年获得国家教委科技进步奖(理论成果) 二等奖。在舰船结构优化设计及计算力学领域有了较好的影响。

1992年,由我主持承办了第三届全国计算力学大会。这是一次力学界的盛会。各界有400多篇论文投稿,经过组织专家认真评审,选出123篇论文为会议论文,136篇发详细摘要,并负责主编出版了《计算力学理论与应用》论文集(科学出版社出版,1992),论文集内容涉及计算结构力学、计算流体力学、人工智能、优化设计与控制等诸多新领域,是1987-1992年五年间我国在这些领域最新成果的展示。全国力学领域的著名专家、学者及优秀青年人,都踊跃参会。论文内容丰富,文集精美,会议气氛热烈,取得了圆满成功,也加深了我们团队与学术界同行的联系和友谊。

有一件事也是值得提一下的。根据国务院相关规定,1996年船舶工业总公司归口制订了《全国高等学校船舶类专业教材选题规划》。《船舶结构优化设计》被选列为高等学校船舶类重点规划教材。经过船舶教材编审小组评议讨论,确定由我承担“船舶结构优化设计”重点规划教材的撰写。作为面向新世纪的重点规划教材,不但要反映本领域的最新研究成果,同时,还要力求条理分明,概念清晰,适应教学特点。工作量很大,要求也很高。我当时手头教学科研任务较重,很难抽出必要的精力和时间,曾有几次想要放弃。但思虑再三,感到这项工作关系到我系的学科建设,最后还是咬牙坚持下来。经过约四年多的努力,最后于2003年完成书稿,顺利通过专家评审,于2004年出版。

低潮之中仍坚守

海洋总会有高潮低潮,河流总会有蜿蜒曲折,科学研究也会是这样。上世纪后期以来,大型计算机软硬件和计算机辅助设计系统广泛引进和推广。同时,新型舰船的设计需求也有所放缓,业界更关注现行舰船性能的提升,如舰艇的减振降噪、抗爆炸、以及新武器应用等。因此,对结构优化设计科研的需求明显减少,研究团队人员也只剩下我和程远胜两人。程远胜也就承担着传承、坚守和创新的重任。

为了坚守和努力寻求新的突破。首先是在理论上向广泛的领域拓展,并谋求新的应用领域。为此,陆续开展了很多新的研究探索,包括:船舶结构可靠性优化设计、船舶夹层结构优化设计、舱壁结构及基座结构优化设计、船舶结构拓扑优化设计、结构鲁棒性优化设计、潜艇多学科优化设计系统的研究、DF-31导弹尾罩与吊框结构的分析与优化、JL-2导弹尾罩结构的分析与优化等等。虽然大都已在实际产品设计中得到了一定的应用,为这些产品的研制作出了贡献,但由于大都不是项目主要承担单位和关键部分,都难以获得成果奖励。只有一个研究所将我们参与研究的一项科研“xx总体综合优化设计及量化评估方法研究” 的主要参加者程远胜教授列入到获奖人员中,该项目获得2012年中国船舶重工集团公司科技进步二等奖。这是我们优化学科近年来获得的最后一个奖项。

另外,值得欣喜的是,程老师指导研究生在多目标优化算法上的理论研究也获得了初步成果,其论文发表在国际计算机理论方法顶级杂志《进化算法》上(evolutionary Computation),为寻求新的突破打开了一扇窗。

另一方面,更为难能可贵的是程远胜老师带领研究生,将以前开发的水面舰艇结构优化设计系统,引入现代计算机软硬件新技术,开发出了“升级版”,并推广应用到多个舰艇设计和研究单位,收到了很好的经济效益和实用效益。有望成为一个具有知识产权和广泛应用前景的优化设计软件品牌产品,使我倍感欣慰。

发展之路不易,坚守和创新更难。但是,只要坚守与创新,我相信一定可以迎来新的发展机遇。

迎接新机遇和新挑战

河流虽会有蜿蜒曲折,但总会向前奔流。优化是一个普适概念。不仅产品设计需要优化,产业结构、城市布局、路桥建设、资源配置等等都需要优化。我相信优化这个学科还是会迎来新的发展机遇的。

回顾发展历程,虽然取得一些成绩,但是离我们预期目标仍有很大差距。分析原因,舰船结构优化设计的研究和应用,是一个实用性、综合性很强的学科,要想获得高水平的研究成果,必须要有一个优势互补的研究团队,较充实的计算机软硬件条件,新型结构物设计需求的推动,以及产业部门的紧密合作。我们未能创建起这样的条件,也就必然影响我们在学科上的较大发展和突破。记得在八十年代中期,我和程远胜教授就曾开展基于专家系统和机器学习的优化设计系统的研究开发,但由于受人力和计算机软硬件条件的限制,未能取得预期的实用成果。我们也曾经紧跟发展趋势,开展过智能型优化算法的研究,包括神经网络算法、遗传进化算法,以及专家系统等。也曾经与两个研究所合作,开展过潜艇多学科优化设计的研究。但都未能获得有所突破的进展,留下很多遗憾。

当前,计算机技术、网络技术迅猛发展,涌现了大数据、云计算、人工智能等诸多新技术。可以说人类已迈入了一个数据和信息共享的新时代。这或许可以缓解我们计算机硬件条件不足的缺陷。同时,目前的研究团队与产业部门的关系已达到新的水平,为凝聚各方面资源创造了条件。展望未来,对我院优化设计学科发展迎来新机遇和新发展充满期待。

长江后浪推前浪,浪潮滚滚奔向前。相信我院优化设计学科一定能迎来一个新的更大的发展。

(曾广武,船海学院退休教师,曾任船舶与海洋工程系系主任。)

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