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秦荣教授在科技中的成就和贡献

秦荣教授在科技中的成就和贡献

广西大学计算力学与结构仿真分析研究所

秦荣教授是博士生导师,力学家,土木工程专家及数学专家[22,23],湖南永州人,1936年出生,1958年在华南理工大学土木工程系毕业,同年分配在广西大学土木工程系力学教研室任教。

1959年9月至1961年6月在同济大学数学力学系学习,致力研究数学及力学。

1961年7月回广西大学土木工程系从事教学与科研工作,2013年12月退休,工龄55年多。

历任助教、副教授、教授,历任硕士生导师、博士生导师、博士后导师。

1972年至1982年任广西大学土木系党政领导。

历任广西大学计算力学研究室主任,广西大学计算力学与仿真分析研究所所长。

1985年前任过同济大学工程力学系兼职副教授,1992年至1996年任过武汉理工大学兼职教授,1996年至2004年任过华南理工大学兼职教授及博士生导师,还任过株洲工学院客座教授,广西软科学研究所客座研究员,历任中国力学学会理事,中国核学会计算物理学会理事,中国力学学会计算力学委员会委员,广西力学学会理事长及名誉理事长。

中国力学学会主办的工程力学刊物副主编,世界地震工程编委会副主任。

历任广西大学国家重点学科结构工程学科带头人,广西大学211工程国家重点建设学科《结构工程与红水河流域水力资源开发研究》学科带头人。

秦荣长期在广西大学从事教学及科研工作,经历过本科生、硕士生、博士生及博士后的教学,实践。

主讲过本科生5门课程:

理论力学、弹性力学、结构力学、材料力学及地下结构。

主讲过硕士生11门课程:

弹性力学、塑性力学、计算力学、变分原理、样条函数方法、高层建筑结构、桥梁结构、断裂力学、智能结构,结构动力学、结构非线性力学。

主讲过博士生10门课程:

连续介质力学、智能结构力学、计算结构非线性力学、现代控制理论、高层与超高层建筑结构、大跨度桥梁结构、大跨度桥梁施工控制、结构抗灾分析的新理论新方法、智能控制、文献综述与评论。

培养92名研究生:

其中硕士生71人,博士生20人、博士后1人。

他们现在个个都是本单位的精英。

长期以来,秦荣完成国家级及省部级科研项目20余项,还研究过很多自选项目,在国内外公开发表228篇论文,公开出版15部专著,荣获全国优秀学术成果一等奖1项,广西自然科学优秀论文成果一等奖1项,省部级科技进步奖二等奖7项,在数学、力学及工程科学上取得一系列新成果,创立了力学学科的新理论新方法、创立了结构分析的新理论新方法、创立了数学学科的新理论新方法、开辟了结构力学的新领域,成为力学学科及土木工程学科知名人物[21-28]。

秦荣1988年获国家有突出贡献的中青年专家,1991年获享受国务院政府特殊精贴的专家,1992年获国家科委及国家教委授予的全国高校先进科技工作者称号,成为国家级人才[21,22,26]。

2006年被摘入美国出版的《世界名人录》[27],2012年被美国传记中心评为21世纪伟大人物[28]。

本文主要介绍秦荣教授在数学、力学及工程科学中的重要成就及突出贡献。

1、数学研究的新成果

数学的内容很多,秦荣只致力研究力学中及工程中用到的有关数学,取得一系列新成果。

本文只介绍下列研究成果。

1.1样条函数

1975年以来,秦荣致力研究样条函数及其应用,取得下列新成果:

(1)发现样条函数与加权残数法、变分原理、虚功原理及积分方程结合在一起,简直另成新体系,可以创立各种独特的新方法。

(2)建立了几种新的样条基函数,为创立新方法奠定了新的基础。

(3)利用加权残数法、变分原理、虚功原理、边界积分方程法及现代数学理论与方法,创立了数学、力学及工程分析的多种新方法。

这些新方法计算简便,精度高,不仅为求解数学、力学及工程问题开拓了新途径而且也为样条函数的推广应用开拓了广泛途径。

(4)提出了几种计算样条基函数数值的简便方法。

(5)在样条函数方法收敛性质误差估计方面建立了新的定理[1,2,15]

1.2代数方程组的算法

代数方程组的解法在科学及工程中应用很广,国内外在这方面创立了许多解法,我国秦荣教授曾致力研究过代数方程组的解法,取得一些新成果。

.[14-18]例如:

(1)线性代数方程组的新解法

1970年以来,秦荣教授致力于研究线性代数方程组的解法,提出一些新解法,例如,初参数法、[18]样条递推法及迭代法。

[14]

(2)非线性代数方程组的新解法

1982年以来,秦荣教授致力于研究非线性代数方程组的新解法,提出一些新解法,[14-15]例如增量递推法、增量迭代法。

1.3常微分方程的新解法

微分方程包括常微分方程及偏微分方程,在科学及工程中应用很广,国内外研究很多,提出很多成果。

我国秦荣教授曾致力研究过微分方程的解法,提出了一些新解法。

[1,5,17]本节主要简介常微分方程的新解法。

例如:

(1)新的解析法

1959年秦荣在同济大学数学力学系学习,致力研究数学及力学,创立了微分方程求解的新解析法[1]这种方法先建立满足边界条件的连续基函数,其次建立只有一个基函数的微分方程的解法,最后利用微分方程求解的待定系数,由上述可以求出微分方程的解。

这些基函数可采用梁函数、梁的阵型函数、三角函数、压杆稳定函数、代数多项式及其他任意连续函数。

1978年,秦荣教授在广西大学致力研究样条函数及微分方程的解法。

创立了微分方程求解的样条解析法。

其中样条基函数大于微分方程的阶数。

例如,二阶微分方程,必须采用三次以上的样条基函数。

上述解析法对任意阶微分方程的求解都适用。

现已用于求解二阶、四阶及八阶微分方程,效果很好。

(2)样条加权残数法[1,15,17]

1978年以来,秦荣在广西大学致力研究微分方程求解的新方法,创立了求解微分方程的样条加权残数法,其中样条最小二乘法、样条伽辽金法、样条广义伽辽金法及样条矩量法是样条加权残数法的特例,其中用到的广义伽辽金法是秦荣在同济大学创立的。

(3)样条配点法[1,15,17]

1980年以来,秦荣在广西大学创立了样条配点法,其中包括样条最小二乘配点法、样条伽辽金配点法、样条广义伽辽金配点法及样条矩量配点法。

上述解法已用于求解二阶、四阶及八阶微分方程的求解。

效果很好。

1.4偏微分方程的新解法

1959年以来,秦荣曾致力研究偏微分方程的解法,创立了一些新解法。

例如:

解析法、样条加权残数法及样条配点法。

(1)新的解析法

1959年,秦荣在同济大学数学力学系学习时,创立了偏微分方程的一些新解法,例如,双基函数法,三基函数法。

1979年,秦荣在广西大学创立了样条解析法,例如,双样条函数法,三样条函数法及单样条函数法[1]对于三维问题的单样条函数法,一个方向用样条函数,另外两个方向用其他函数。

对于二维问题的单样条函数法,一个方向用样条函数,另一个方向用其他函数。

(2)样条加权残数法[1]

1980年,秦荣创立了求解偏微分方程的样条加权残数法,包括三样条、双样条及单样条加权残数法,其中样条最小二乘法、样条伽辽金法及样条矩量法是样条加权残数法的特例[15,17]。

(3)样条配点法[1,15,17]

1980-1981年,秦荣创立了样条配点法、样条最小二乘配点法、样条伽辽金配点法、样条广义伽辽金配点法及样条矩量配点法。

(4)样条变分法[1,15]

1979年,秦荣提出了微分方程求解的样条变分法。

这个方法先将微分方程变为泛函,其次用样条函数表示泛函变量,然后用样条李兹法求泛函变量,最后可得微分方程的解。

(5)样条边界积分方程法[1,4,15]。

1985年,秦荣提出了求解微分方程的边界积分方程法,这种方法先将微分方程变为边界积分方程,其次用样条函数表示边界未知函数,然后用边界积分法求解边界未知函数,最后由此可求微分方程的解。

1.5非线性微分方程的新解法

1983年,秦荣致力研究非线性微分方程的解法,提出了一些新解法[14-17]。

例如:

样条最小二乘法、样条最小二乘配点法、样条伽辽金法、样条伽辽金配点法、样条广义伽辽金法、样条广义伽辽金配点法、样条变分法、样条积分方程法[14,15]。

这些新解法包括:

①建立新模型;②建立新算法;③利用新算法求解新模型,即得非线性微分方程的解。

上述新解法对任意阶微分方程求解都适用,包括四阶微分方程及八阶微分方程的求解。

1.6动力微分方程的新解法

动力微分方程包括线性动力微分方程及非线性动力微分方程,用途很广,国内外有许多研究提出很多有益的成果。

1978年以来,秦荣致力研究动力微分方程,创立了一系列新解法。

例如:

样条递推法、样条条件稳定法及样条无条件稳定法。

详见文献[1,5,14-17]有关章节,例如文献[15]的第14章,详细介绍了各种方法及其应用。

1.7积分方程的新解法

积分方程在科学及工程中应用很广,国内外有许多研究,提出很多成果。

1980年以来,秦荣致力研究积分方程的新解法,创立了一系列新解法[1-5,15-17]例如样条积分方程法及样条边界元法[4,15]。

上述成果已在国内外公开发表,被国内外引用很多,获得很好的评价[15,24]同行专家鉴定认为,本成果为国内外首创,达到国际先进水平。

2.力学研究的新成果

力学包括固体力学、流体力学及电磁场力学,内容很多,应用很广,国内外有很多研究,取得很多成果,对力学的发展及应用有很大的贡献。

1958年以来,秦荣致力研究力学问题,创立了固体力学、结构力学、智能结构力学、计算力学、电磁场力学、结构非线性力学及结构动力学的新理论新方法。

本章对这方面进行一些简介。

2.1新的本构关系

目前,国内外对结构塑性力学分析几乎都采用流动法则本构关系,这种本构关系与屈服曲面、加载曲面及流动法则有关。

至今没有实验证明屈服曲面及加载曲面是否存在,只是猜想,而且流动法则会导致塑性分析非常复杂。

由此可知,流动法则本构关系会给结构塑性力学分析带来严重缺陷及巨大困难。

因此,需要另外创立新的本构关系。

1985年,秦荣针对流动法则本构关系存在的问题,另辟一条新路研究本构关系。

在研究中,秦荣发现塑性应变增量与总应变增量的新关系,这是一个重要科学发现,由此创立了新的弹塑性本构关系及弹粘塑性本构关系[6-20]。

这些本构关系与屈服曲面、加载曲面及流动法则无关,克服了流动法则本构关系的缺陷,突破了流动法则本构关系[6]。

1986年以来,秦荣根据上述重要科学发现,创立了混凝土本构关系[9,10,16]、岩土本构关系[6]、损伤本构关系[9,10]、、徐变本构关系[11]、智能本构关系[8,16]及电磁热体系本构关系[16]。

上述新的本构关系已在国内外公开发表。

2.2新的变分原理

变分原理是力学的理论基础,应用很广。

国内外研究很多,取得很多成果,对力学的发展及应用有很大的贡献。

1964年,秦荣致力研究广义变分原理时发现利用加权残数法可以创立奇特的广义变分原理及广义虚功原理,这是一个重要的科学发现[7]。

由此创立的广义变分原理及广义虚功原理含有一个特定的权参数,由此可以创立各种各样的广义变分原理及广义虚功原理,由此可以创立最优的广义变分原理及广义虚功原理[7]。

1964年以来,秦荣利用这个重要科学发现创立了固体力学、智能结构力学、电磁场的广义变分原理及广义虚功原理[7、8、9、14-16]。

2012年,秦荣建立了统一的广义变分原理及广义虚功原理。

对固体力学、结构力学、智能结构力学、电磁场的线性、几何非线性、材料非线性、双重非线性问题都适用。

其中包括变分原理、广义变分原理及虚功原理、广义虚功原理[16]。

上述成果已在国内外公开发表。

2.3力学分析的新方法

目前,国内外对各种力学问题的分析主要采用有限元法。

有限元法对力学的发展及应用有很大的贡献,但它是一种网格法,对大型复杂结构的分析会带来严重缺陷及巨大困难。

显然需要另外创立新方法。

1978年以来,国内外除了继续研究有限元法外,还积极研究其他的新方法,例如,无网格法、加权残数法,取得很多的新成果。

1978年以来,秦荣针对有限元法存在的问题,致力研究力学分析的新方法,在研究中,秦荣发现,利用样条函数可以创立各种力学问题分析的独特新方法,这是一个重要科学发现。

秦荣利用这个科学发现创立了下列新方法:

(1)样条有限点法/非线性样条有限点法[1、7,8,15-17]

1978年,秦荣创立了样条有限点法,它是在样条有限元法之外另辟的一条新路。

样条有限点法是一种样条半解析法,可以将二维问题及三维问题降为一维问题进行分析,未知量的数目很少;它采用样条离散化,不存在剖分问题,它是一个样条无网格法,不需要初始网格划分及网格重构,计算很简便,精度很高。

它为样条无网格法及样条半解析法奠定了理论基础[15]。

本成果1982年获广西科技成果二等奖,同行专家评审认为,本成果为国内外首创,达到国际先进水平[24]。

(2)样条加权残数法/非线性样条加权残数法[1、1,15,17]

1979-1981年,秦荣创立了样条加权残数法,其中样条配点法、样条最小二乘法、样条最小二乘配点法、样条伽辽金法、样条伽辽金配点法、样条广义伽辽金法、样条广义伽辽金配点法、样条矩量配点法及样条能量配点法是它的特例。

样条加权残数法是一种半解析法及一种无网格法,它也为样条半解析法及样条无网格法奠定了基础[15]。

样条加权残数法的优点及评价详见文献[15]本成果1985年获省部级科技进步二等奖,同行专家评审认为,本成果为国内外首创,达到国际先进水平[24]。

(3)样条边界元法/非线性样条边界元法[4]

1980年,秦荣创立了样条边界元法,它是利用边界积分方程及边界样条离散化结合起来创立的[1,4]。

它有下列优点:

系数矩阵为对称矩阵,没有区域积分,可以消除边界奇异积分,突破了传统边界元法系数矩阵满阵且不对称、存在奇异积分的局限性,克服了传统边界元法的缺陷,解决了长期困扰国际上学术界的难题。

有关对样条边界元法的评价见文献[15]及[24]本成果1988年获省部级科技进步二等奖,同行专家鉴定认为,本成果为国内外首创,达到国际先进水平。

(4)QR法/非线性QR法

1984年,秦荣创立了力学问题分析的QR法,它是利用单元总势能泛函、单元结点位移向量与结构样条结点法位移向量的关系、结构变分原理及单元样条离散化结合起来创立的,它是在有限元法之外另辟的一条新路。

它有下列优点:

集有限元法、有限条法、无限元法及样条有限点法的优点于一体,可以将二维问题及三维问题降为一维问题进行分析,未知量的数目与单元划分无关,建立质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵及荷载向量,不需要先扩张后叠加的手续,未知量的数目很少,不仅计算简便,而且精度高,应用很广,对大型复杂结构分析非常简便。

本成果1993年在高层建筑结构成果中获省部级科技进步二等奖,同行专家鉴定认为本成果为国内外首创,达到国际先进水平[24]。

(5)样条子域法/非线性样条子域法[1、7,8]

1982年,秦荣创立了样条子域法[1]。

复杂结构及大型复杂结构可以划分为几部分进行分析,每个部分称为一个子域。

单元为子域特例,子域包含单元。

样条子域法是利用结构理论、样条子域及样条函数方法结合起来创立的,为大型复杂结构分析开拓了一个新途径。

本成果1993年在高层建筑结构成果中获省部级科技进步二等奖,同行专家鉴定认为,本成果为国内外首创,达到国际先进水平[24]。

(6)样条无网格法/非线性样条无网格法[15]

2002年,秦荣在1978-1981年成果的基础上,利用径向样条函数与变分原理/加权残数法结合起来创立一种新的样条无网格法[15]。

它的原理及评价见文献[15]的第8章。

本成果没有申请报奖。

(7)样条耦合法

在工程中,耦合问题很多,例如流固问题,结构-基础-地基耦合体系,坝-水-地基耦合体系,电磁热与固体耦合体系,地下结构与岩土耦合体系。

1986年以来,秦荣创立了一些耦合法,例如,样条边界元-QR法(1985)[5]、样条边界元-能量配点法(1986)[5]、样条无限元-QR法(1977)及样条无限域-QR法(1998)[6]。

这些耦合法为各种耦合体系分析开拓了新途径。

本成果1993年在高层建筑结构成果中获省部级科技进步二等奖,同行专家鉴定认为,本成果为国内外首创,达到国际先进水平[24]。

2.4求解动力方程的新解法

创立结构动力反应分析的新方法有两个关键问题:

(1)建立新模型,即建立动力方程的新格式;

(2)创立动力方程的新算法,即求解动力方程的新解法。

1980年以来,秦荣致力研究动力方程的新算法,在研究中发现了利用加权残数法可以创立求解动力方程的独特新解法,这是一个重要科学发现。

1980年,秦荣利用样条有限点法建立结构动力方程的模型,然后利用样条伽辽金法创立求解动力方程的新算法[1]。

1980年以来,秦荣利用样条加权残数法创立了动力方程的一系列新算法[5、14]。

上述成果已在国内外公开发表,对它的原理及评价详见文献[5,7,14-16]有关章节。

这些新算法突破了现有算法的局限性,为求解动力方程开拓了新途径。

2.5非线性静力方程的新算法

创立非线性静力分析的新方法有两个关键问题:

(1)建立新模型,即建立新的非线性方程;

(2)创立新算法,即求解非线性方程的新方法。

1983年以来,秦荣创立了一系列求解非线性微分方程的新算法[14,15]。

这些解法先利用样条函数方法建立新模型,然后利用样条加权残数法创立新算法,最后利用新算法求解非线性方程的解。

详见文献[14]的第8章。

上述成果已在国内外公开发表,同行专家鉴定认为,本成果为国内外首创,达到国际先进水平[24]。

2.6结构非线性稳定性分析的新理论新方法

结构非线性稳定性问题的分析是一个重要问题,也是一个难题,国内外许多学者致力研究这方面的问题,获得不少有益的成果,有很大的贡献。

1985年以来,秦荣致力研究结构非线性稳定性问题,创立了一些新理论新方法[9-16]。

(1)非线性静力稳定性分析的新方法,这些方法是秦荣1985-1995年创立的[6,7]。

详见文献[6]的第12章。

(2)非线性动力稳定性分析的新方法,这些新方法是秦荣1995年以来创立的[9-11,14]。

上述新方法已在国内外公开发表,对结构非线性、材料非线性、双重非线性及线性问题都适用。

2.7结构塑性极限荷载分析的新方法

结构塑性极限荷载是判断结构安全性的重要问题。

国内外对结构塑性极限荷载的求解方法进行了许多研究,有很大的贡献。

1985年以来,秦荣对结构塑性荷载的分析进行了许多研究,创立了一些新方法[6,7,9-16]。

例如:

(1)板壳塑性极限分析的样条加权残数法[6]。

(2)静力塑性铰模型-QR法,这种新方法分为一阶塑性铰模型-QR法、二阶塑性铰模型-QR法及精化塑性铰模型-QR法[14]。

(3)静力弹性调整-QR法[14]。

这种新方法分为一阶静力弹性调整-QR法及二阶静力弹性调整-QR法。

前者只考虑塑性影响,后者考虑塑性及几何非线性影响。

(4)动力塑性铰模型-QR法[15,16]新方法分为一阶动力塑性铰模型及二阶动力塑性铰模型-QR法。

前者只考虑塑性影响,后者考虑塑性及几何非线性的影响。

(5)动力弹性调整-QR法[16]。

(6)结构安定性分析的新理论新方法[6]。

(7)利用双重非线性进行结构极限承载能力分析[14]。

这种方法先利用QR法建立新模型,然后利用新算法求解结构极限荷载。

上述成果已在国内外公开发表。

2.8结构非线性分析的新理论新方法

1980年以来,秦荣致力研究结构非线性分析的新理论新方法,获得一系列新成果:

(1)创立了新的本构关系。

(2)创立了新的变分原理。

(3)创立了结构非线性分析的新方法,包括静力非线性及动力非线性分析的新算法。

(4)创立了非线性分析的新算法

(5)创立了结构非线性稳定性分析的新理论新方法。

(6)创立了结构极限分析的新理论新方法。

上述成果已在国内外公开发表,同行专家鉴定认为,本成果为国内外首创,达到了国际先进水平。

1992年获广西自然科学论文成果一等奖,1993年结构弹塑性分析的新理论新方法获省部级科技进步二等奖,2002年结构非线性分析的新理论新方法获省部级科技进步二等奖。

2.9结构损伤分析的新理论新方法

结构损伤分析是结构分析中的一个重要问题,国内外有不少研究,取得不少成果,对损伤力学及结构损伤分析有很大贡献。

1996年以来,秦荣致力研究结构损伤力学,创立了结构损伤分析的新理论新方法[9-11]。

内容包括新的损伤本构关系、新的损伤变分原理及结构损伤分析的新方法。

2.10结构不确定性力学分析的新理论新方法

在实际工程中,结构的物理性质、几何参数、受力情况及边界条件是不确定的。

由此可知,结构力学是一种不确定性力学,国内外在这方面做过不少研究,有很大的贡献。

1986年以来,秦荣致力研究结构不确定性力学,创立了结构不确定性力学分析的新理论新方法[5-7,9-11]。

内容包括新的不确定性本构关系、新的不确定性变分原理及新的不确定性分析方法。

3.土木工程研究的新成果

土木工程一级学科包括6个二级学科:

结构工程、桥梁工程、抗灾工程、岩土工程、市政工程及卫生系统工程。

国内外对土木工程学科有许多研究,贡献很大。

1958年以来,秦荣致力研究土木工程学科前4个二级学科,取得很多新成果。

3.1结构工程学科研究的新成果

(1)钢筋混凝土结构非线性分析的新理论新方法[6-7,9-11]。

这是秦荣1986年创立的。

(2)高层与超高层建筑结构分析的新理论新方法[10,13]。

这是秦荣1984年以来创立的,内容详见文献[10,13]。

同行专家鉴定认为,本成果为国内外首创,达到国际先进水平。

1988年高层建筑结构分析的新方法获省部级科技进步二等奖。

1993年结构弹塑性分析的新理论新方法获省部级科技进步二等奖。

2002年结构非线性分析的新理论新方法获省部级科技进步奖二等奖。

(3)大型复杂结构非线性分析的新理论新方法[14]。

这是秦荣1990年以来创立的,内容详见文献[14]。

同行专家鉴定认为,本成果为国内外首创,达到国际先进水平。

1993年及2002年分别获省部级科技进步二等奖各一项。

(4)大型复杂结构体系可靠度分析的新理论新方法[12].这是秦荣1990年以来创立的,内容详见文献[12]。

3.2桥梁工程研究的新成果

1992年以来,秦荣致力研究大跨度桥梁结构,创立了大跨度桥梁结构分析的新理论新方法[11].内容详见文献[11]。

本成果1993年及2002年分别获省部级科技进步二等奖各一项。

同行专家鉴定认为,本成果为国内外首创,达到国际先进水平。

3.3抗灾工程研究的新成果

1986年以来,秦荣致力研究抗灾问题,创立抗灾分析的新理论新方法。

内容包括成果:

(1)新的动力弹塑性本构关系,详见文献[14]第10章10.1节。

(2)新的瞬时变分原理,详见文献[5]第三章。

(3)结构抗震分析的新理论新方法,详见文献[14]的第16章。

(4)结构抗风分析的新理论新方法,详见文献[14]的第17章。

(5)结构抗火分析的新理论新方法,详见文献[10]的第17章。

(6)结构抗洪分析的新理论新方法,详见文献[24]。

2002年秦荣结合广西柳州市华丰湾防洪工程的研究任务,提出框格坝分析的QR法。

(7)2010年结构抗震性诊断及评估研究获广西科技进步二等奖。

(8)2009年建筑物抗震能力评估方法及其应用获国家发明专利。

3.4岩土工程研究的新成果

1985年以来,秦荣致力研究岩土工程,获得了许多新成果[6,10,11,14]。

3.4.1新的岩土本构关系

1986年以来,秦荣利用总应力建立了各种新的变分原理[6-8]。

3.4.2新的岩土工程变分原理

1986年以来,秦荣利用总应力建立了各种新的变分原理[6-8,14]。

3.4.3弹性土体分析的新理论新方法

土体分析的基本方法有两种:

总应力分析法;有效应力分

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