倡導推廣輕型薄殼結構的著名教育家與力學家——張維
黃克智 任文敏
張維,著名教育家、力學家。在環(huán)殼的理論與工程應用方面,進行了系統(tǒng)的研究,取得了重要成果,是推廣輕型薄殼結構和普及殼體理論的倡導者之一。
長期從事工程力學的教學,對發(fā)展工程教育有重要的建樹。在教育思想方面,強調力學來自工程,為工程服務,提倡發(fā)揮學生的主動性。培育了幾代力學與工程技術人才。在力學與工程師教育、組織制訂力學發(fā)展規(guī)劃、推動國際科技文化交流方面均作出了貢獻。
張維,1913年5月22日出生于北京市一個稅務職員家庭。父親張壎是舊京師譯學館的學員,清末民國初年供職河南安陽縣稅務局,并兼任家庭教師。張維出生后2年,其父便溘然長逝,僅靠父親的積蓄及兄長的工資維持生活,家境清寒。他5歲入北京師范大學附屬小學,11歲考入北師大附中,15歲轉考至天津北洋大學預科。16歲考入唐山交通大學土木工程系。張維醉心于數(shù)學與物理學,而數(shù)學尤為突出。大學期間學業(yè)卓爾不群,在20歲(1933年)弱冠之際,便以優(yōu)異成績畢業(yè)于唐山交通大學土木工程系(主修結構工程),獲工學士學位。
大學畢業(yè)后,張維被分配到當時仍在向西延伸的、貫通東西的鐵路大動脈隴海鐵路實習,輾轉于潼關至西安的潼西段工地,在華陰、壩橋協(xié)理鐵路施工。工作未及經年,便應母校之召,于1934年4月回到唐山交通大學,任結構力學與結構工程助教。在這期間,他開始與力學結下不解之緣。1933至1934年,美國公布了新版的鐵路橋梁規(guī)范,張維查閱了大量力學著作和文獻,撰寫了對該規(guī)范內容力學理論根據(jù)的探討論文。該篇論文以其獨特的見地在中英庚子賠款留學的報考與錄取過程中,受到主審教授的高度評價。
1937年,張維以優(yōu)異的考試成績作為第5屆中英庚子賠款公費生,留學英國。他懷著“科學救國”的信念,于9月中旬抵達倫敦,在當時頗有聲望的帝國理工學院土木工程系A.J.S.皮怕德(Pippard)教授指導下學習,一年后即獲帝國理工學院文憑(DIC)。這一年的寒假,為了求索更好的學習條件和更深入的工程知識,他跨過英吉利海峽到德國進行考察。他對德國柏林高等工業(yè)學校F.特爾克(Tolke)教授的殼體理論研究很感興趣,并見到殼體理論將會在固體力學和結構工程研究中大放異彩,決定赴德國學習。經過一番周折,終于獲準于1938年7月到柏林高等工業(yè)學校土木工程系工程力學教研室,在特爾克教授指導下進行殼體理論的研究。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后,他只好繼續(xù)留在德國。他于1941年與留學德國的陸士嘉女士結為伉儷。1942年2月,任柏林高等工業(yè)學校工程力學教研室助教,從事教學與科研工作,完成了隧道應力分析與彈性波石油勘探等項研究。1944年10月,他以優(yōu)秀的成績通過論文答辯,獲得工學博士學位。張維在論文中利用特爾克導出的方程,采用漸近方法與貝塞爾函數(shù),在國際上最先解決了圓環(huán)殼受任意旋轉對稱載荷作用下的應力狀態(tài)求解問題。由于當時中國小豐滿水電站大型水輪機是由瑞士埃舍爾-維斯機械廠(Escher-Wyss Maschinen-buu Fabrik)設計和生產的,張維為了掌握祖國工程建設需要的先進技術,通過各種渠道同該廠聯(lián)系,終于在1945年9月獲準移居瑞士,在當時很有名的埃舍爾-維斯機械廠研究部任研究工程師,從事旋轉機械中的叉管、圓盤葉片的研究工作,同時等待回國的時機。
1946年5月,在得知可以回國的消息之后,張維商得廠方同意,毅然中止了合同,不等銀行解凍,帶著身邊僅有的一點錢,在中國駐巴黎使館的幫助下,全家三人從馬賽港坐船,途經西貢、香港,歷經艱辛,回到祖國的上海。他回國后,先后受聘于同濟大學、北洋大學,1947年,受聘于清華大學,與已在清華執(zhí)教的錢偉長分擔全校的力學課程教學。他先后講授過材料力學、高等材料力學、結構力學、彈塑性力學以及板殼理論等課程。
1951年起,由于高校院系調整和發(fā)展的需要,張維開始擔任行政、教學與科研管理工作。1952年,他擔任三校(清華、北大、燕京)建設委員會工程處負責人,1954年任清華大學建設委員會主任,為三校和清華的基本建設作出了貢獻。1952年到1956年,他擔任清華大學土木工程系主任。1956年,按照國家和學校的規(guī)劃,清華籌建了一批新專業(yè)。1958年,他籌建了工程力學數(shù)學系,并任第一任系主任。1957年以后,張維擔任清華大學副校長,先后分工主管教學與科研,直至1966年“文化大革命”。
在“文化大革命”期間,張維受迫害達數(shù)年之久。1976年春他主動提出離開領導崗位到校工廠參加勞動。1977年,張維重新回到了清華大學副校長的工作崗位。1983年,他受國家教委的任命,出任深圳大學首任校長。他不顧古稀之年,一年八次往返于深圳、北京之間。為了聘請國內外知名專家到深圳大學任職、任教,他不辭勞苦,不避寒暑,多次登門求賢,使許多專家為之感動。他率先對學生實行勤工助學制度,對教職工聘任、系科設置、教學計劃等實行了一系列改革。他和其他校領導一起,為建成深圳大學作出了貢獻。
1956年,張維參加制定了我國十二年科學遠景規(guī)劃,并任土水建組組長。1962年,他又參加制定了十年科學發(fā)展規(guī)劃,擔任科學發(fā)展規(guī)劃的力學組副組長,與郭永懷、劉恢先等專家一起倡議,并第一次把抗爆抗震問題列入國家規(guī)劃。1978年,他又參加了八年科學技術發(fā)展規(guī)劃的制定工作,任理論和應用力學組常務副組長,為我國工程力學學科的發(fā)展作出努力和貢獻。
1955年,張維被選為中國科學院學部委員。1962年到1984年期間,他擔任教育部工科力學教材編審委員會主任委員和力學學科組織長。1980年到1987年,他連任兩屆國務院學位委員會委員和力學學科組組長。1987-1990年又擔任國家教委科學技術委員會主任。
在學術活動方面,1983年到1987年,張維任中國教育國際交流協(xié)會副主席。1956到1984年,任中國土木工程學會副理事長。1957到1982年,任中國力學學會秘書長、副理事長。1979年以前,他任中國科學技術協(xié)會書記處書記,之后連續(xù)兩屆被選為中國科學技術協(xié)會副主席。
在國際活動中,1972到1976年,張維任聯(lián)合國教科文組織執(zhí)行局委員。自1942年以來,他是德國工程師學會會員、高級會員。1956年以來,是國際橋梁和結構工程學會高級會員。1989年以來,他擔任國際工程教育雜志編委。1980年,他被選為瑞典皇家工程科學院外籍院士。他是法國里昂中法學院通信委員(1981),德國應用數(shù)學與力學學會會員(1982)。1985年,他被選為世界工程師協(xié)會聯(lián)合會副主席。為了表彰他對中德教育、科技、文化交流方面作出的貢獻,1987年,張維榮獲聯(lián)邦德國洪堡基金會獎章,1988年10月,榮獲聯(lián)邦德國總統(tǒng)親自簽發(fā)的大十字勛章。1992年10月被選為教科文組織“思考論壇”成員。1993年列入美國《五百世界各界杰出領袖》名人傳,1993版。
力學教學必須結合工程實際
張維熱心于教育事業(yè)。在解放前后的幾年中,他擔任清華大學工學院的力學課程。在錢偉長和他的努力下,清華大學的力學課程水平得到很大的提高。解放初期,他組織編寫了全國統(tǒng)一的力學教學大綱。1962到1984年,在擔任教育部工科力學教材編審委員會主任委員期間,結合我國實際,他研究和介紹了蘇聯(lián)、英、德等國的教學計劃、大綱和教材;在1976年之后,他為恢復力學教學秩序,改進和提高力學教學水平作出了貢獻。在他的倡導和主持下,中國力學學會成立了教育工作委員會,對力學教育的發(fā)展起了積極推動作用。
在教學工作中,他認為基礎課是培養(yǎng)高質量人才的重要環(huán)節(jié),基礎知識和概念不能錯,一旦有錯,貽害深遠,改正也難,因此學校應安排具有豐富教學經驗、學術造詣較高的教授到基礎課教學第一線教學。盡管他自己工作十分繁忙,仍身體力行,擠出時間為本科生講授材料力學課。他認為,培養(yǎng)高質量人才、搞好教學的關鍵是師資隊伍的水平。他曾多次向學校、教委提出:試行公開招聘重點高校學術帶頭人,改革高等院校提升教授的辦法,改變“近緣結親”,提倡“遠緣雜交”;建立教師學術休假制度,使他們能有機會同工程實際聯(lián)系,改變教師從家門到校門的脫離實際的狀況。這些建議得到科委、教委的重視。
黨的十一屆三中全會以來,為了貫徹改革、開放的方針,以及加快高校改革、開放的步伐,使我國高等工程教育更加適合我國國民經濟發(fā)展的需要,他以高齡之年,不辭辛勞,多次出訪英、美、德等國,一方面向國際友人介紹我國高等工程教育發(fā)展的情況,加強相互了解和合作聯(lián)系,一方面多方收集資料,研究歐洲、美國高等工程教育與國民經濟發(fā)展的關系,從中汲取有益的經驗和教訓,作為發(fā)展我國高等工程教育的借鑒。他還十分重視我國的教育立法工作,針對我國教育體制中存在的重正規(guī)教育輕業(yè)余教育、重大學輕基礎教育、重大專輕職業(yè)教育、重理工輕文(法)等偏向,提出了自己的意見和建議。這些建議有的已為國家教育部門所采納,有的受到重視并正在研究改進。他還對未來的高等工程教育進行了研究,提出了未來教育具有世界性、各國差異性、學科交叉性等特點,并對新技術影響、職業(yè)教育等問題進行了探討。
張維還十分重視對研究生和中青年教師的培養(yǎng)教育工作。自他回國后,即使在后來從事繁重的行政工作時也從未間斷過培養(yǎng)研究生和中青年教師的工作。經他培養(yǎng)的10多名研究生,有的已成為國內外知名的專家,大多數(shù)都已成為各自所在單位的骨干。他對中青年教師和研究生的培養(yǎng)從來不惜精力和時間,幫助他們擬訂進修計劃,聯(lián)系出國深造,從思想上到生活上,從治學方法到查找文獻資料,給予他們具體的指導和幫助,甚至親自帶他們到圖書館找書、查資料。他在培養(yǎng)研究生工作中,十分注意理論和實際的結合。“文化大革命”前,他帶頭延長研究生年限,讓他們下廠礦、設計所、工業(yè)研究所參加實際工作,取得實際知識,增長處理實際問題的能力,取得了良好的效果。至今他仍堅持親自為研究生安排去廠礦、企事業(yè)單位進行調研和實習;對研究生的論文,他從不以獲得理論結果為滿足,而常常要求研究生動手進行試驗論證,即使在經費、條件十分困難時,他仍堅持這樣做。他還經常和學生談力學發(fā)展的歷史,教育學生端正力學與工程的關系,強調力學要為工程服務,工程力學的根在于生產,從生產實踐出發(fā)才會有力學的獨立創(chuàng)新,否則只能跟著別人跑。他非常重視從工程中提煉出力學問題,并善于從實際工程問題簡化出力學模型,提出解決問題的途徑。他還經常接觸工程界人士,從他們那里了解工程對力學的要求,從而使他能比較正確地把握力學為工程服務的方向。如在石油勘探中應用應力波的問題,以及在開發(fā)西北石油中應用散體力學等問題,他都能及時地提醒課題組注意。對于研究生的指導工作,他采取啟發(fā)式教育,調動其學習主動性,讓研究生在獨立工作方面得到全面的鍛煉和成長。他經常告誡協(xié)助他工作的中青年教師,不要“抱”著學生走,要放手讓他們闖,學生的創(chuàng)造性常常是他們在大膽探索中迸發(fā)出來的,教師的責任在于引路。在學術問題上,他堅持實事求是、嚴格要求,他平時總是比較放手讓研究生自己去干,但到關鍵時刻,則從不放過任何一個疑點。他要求學生不僅在理論上能嚴格、正確地處理新問題,還要求用老問題來校核,用試驗來驗證。對經過努力而未能解決的問題和研究中出現(xiàn)的種種一時無法解釋的矛盾,他從不回避,而是要求實事求是地不斷進行探索。例如,有一名碩士生即將畢業(yè),其論文計算結果與已發(fā)表的文獻計算不同,他分析了原因,仍不能很好地解決,就令幾個學生和副導師共同深入探討,并將結果用傳真發(fā)到他正在香港訪問的地點,最后由他拍板,實事求是地完成論文和答辯。在張維的指導下,一個獨具特色的環(huán)殼研究集體成長起來了,取得了一批令人矚目的重要研究成果。
殼體理論研究取得重要成果
首次求得薄壁圓環(huán)殼的漸近解 薄壁圓環(huán)殼比其他旋轉對稱殼的復雜之處在于它的基本方程在頂點具有奇異性,在此奇點的兩邊,由于高斯曲率變號而使微分方程變性,因而在本世紀初以來,它的應力分析一直是個難題。1915年,瑞士學者H.維斯勒(Wissler)首先在賴斯納-邁斯納(Reissner-Meissner)方程基礎上獲得了冪級數(shù)解,但他用的超幾何級數(shù)收斂慢,且只適用于細環(huán)殼(即大圓半徑遠大于小圓半徑的環(huán)殼)。1944年,張維在他的博士論文中,從特爾克教授的用復變量表示的二階常微分方程出發(fā),求得了圓環(huán)殼較完整的解。他的主要貢獻在于:
1.詳細地討論了各種冪級數(shù)解在細環(huán)殼中應用,收斂性很好,而在粗環(huán)殼則收斂很慢的問題。這在當時的計算條件下應用很是不便。
2.針對級數(shù)解的不足,首次推出漸近解。以其中v為泊桑比,a為小圓半徑,R為大圓半徑)為大參數(shù),應用貝塞爾函數(shù)的特性,獲得一致有效的漸近解。他得到的漸近解與后來其他學者得到的漸近解精度相同,但使用十分方便。他的這一工作為以后的環(huán)殼求解和應用提供了有效的分析工具。直到1983年,美國麻省理工學院著名力學家E.賴斯納(Reissner)在給他的來信中還再次肯定了他的這一工作。
求得了比較完整的承受任意荷載環(huán)殼、彎管的精確解自張維的博士論文之后,40年來,經過許多學者的努力,軸對稱荷載圓環(huán)殼的研究已趨完善。很多學者相繼研究非對稱載荷的解。不少學者研究了風型荷載。這在大圓方向作傅立葉展開中相當于取諧波數(shù)m=1的荷載形式。對一般非對稱荷載只有美國學者C.R.斯第耳(Steele)在他的博士論文中研究過,但由于他所用方程的限制,只適用于m=0、1、2等低階諧波的情形,且沒有提供算例。1984年,張維指導研究生完成了任意荷載下環(huán)殼、彎管的精確解(在薄殼理論誤差范圍內)。這個解可以說是最完整的環(huán)殼線性解,澄清了各種漸近解、近似解、數(shù)值解的精度。在這個意義上,可以說這是線性解的一個總結。
圓環(huán)殼幾何非線性、屈曲及后屈曲特性的研究由于波紋管膨脹節(jié)大位移補償器研究的需要,環(huán)殼非線性顯得很重要。隨著50年代W.T.柯伊特(Koiter)穩(wěn)定理論逐步得到世界公認以來,對環(huán)殼屈曲及其屈曲后特性的研究引起了不少學者的注意。直到1989年,除以V.V.蓋達伊丘克(Gadaichuk)用差分法研究了環(huán)殼非線性方程的分叉解,確定了分叉點這一工作以外,對環(huán)殼屈曲后特性分析尚未能給出足以說明問題的實例。這是由于在分叉點附近,解對計算誤差特別敏感所導致的困難。張維指導研究生們對非線性方程作了分析,從J.L.桑德斯(Sanders)非線性方程出發(fā),在數(shù)值跟蹤和漸近分析兩個方面對環(huán)殼非線性、屈曲和后屈曲特性分析作出了貢獻。
對環(huán)殼在彈性元件、轉子設計以及波紋管膨脹節(jié)等應用中取得了多方面成果在張維指導下,他早年的研究生趙鴻賓等人分析了世界上三種主要環(huán)殼方程的精度,指出冪級數(shù)解只適合于細環(huán)殼,漸近解只適合于粗環(huán)殼。他們給出了軸對稱載荷和風型載荷下環(huán)殼的逼近——漸近解。這種解可稱為環(huán)殼的通用解,它對粗的和細的環(huán)殼都適用。
在旋轉薄殼的自由振動的奇異攝動解中,首次找到了薄殼相關方程的一簇新的解函數(shù)——第三類廣義相關函數(shù)族用它可以全域一致有效地展開奇異無矩解,從而解決了長期以來的難題。
為在我國推廣輕型薄殼結構和普及殼體理論,張維作了有益的開創(chuàng)工作。50年代,張維建議在清華大學焊接車間設計中使用雙曲薄殼屋頂,將殼體結構推薦給我國土木建筑界,解決了設計和施工中的許多問題,實現(xiàn)了結構輕、跨度大的要求。50年代中期,他還發(fā)起并組織殼體結構論文匯編組,向土木結構工程師和科學研究工作者及時地傳播殼體結構與理論的新信息。1962年,他在北京力學學會高等材料力學講習會上講授他所編著的《殼體理論入門》,深入淺出地向工程技術人員和有關專業(yè)師生普及殼體理論知識,受到廣泛的歡迎。
為人正直 平易近人
張維為人正直,堅持原則,在“文化大革命”期間,他從不隨聲附和,對歪曲事實的批判,他采用消極對抗,甚至主動離開領導崗位下廠勞動的辦法來對付。作為國內外知名的科學家、教育家,他總是能夠認真聽取別人的意見,虛心向別的專家內行求教。對確有成就的中青年,不管是誰,他都能鼎力舉薦,使他們能在合適的崗位上充分發(fā)揮作用。
張維60年如一日忘我地工作,從不計較個人得失。1952年以后,他從事繁重的教學、科研的領導與管理工作,職務經常變動,他總是愉快地服從需要,孜孜不倦,全身心地投入工作。尤其值得提出的是,他前后17年擔任清華大學副校長,嘔心瀝血,可以說清華大學在教學與科研上取得的成就,得以躋身于國內外知名的理工科大學,是與張維的努力分不開的。他作為力學家、教育家,為我國的教育事業(yè)和工程力學學科的發(fā)展作出了杰出的貢獻。
(作者:黃克智 任文敏)
簡歷
1913年5月22日 生于北京市。
1929—1933年 唐山交通大學土木工程系學習,獲工學士學位。
1934—1937年 任唐山交通大學結構力學與結構工程助教。
1937—1938年 中英庚款公費生,英國帝國理工學院土木工程系攻讀研究生,獲帝國理工學院文憑。
1938—1945年 德國柏林高等工業(yè)學校土木工程系工程力學教研室,
1942年 任助教,1944年獲工學博士學位。
1945—1946年 在瑞士埃舍爾-維斯機械廠任工程師。
1946—1947年 任同濟大學、北洋大學教授。
1947— 任清華大學教授。
195l一1952年 任三校(清華大學、北京大學、燕京大學)建設委員會工程處負責人。
1952—1956年 任清華大學土木工程系主任。
19561991年 歷任中國土木工程學會副理事長,中國力學學會秘書長、副理事長,中國科學技術協(xié)會書記處書記、副主席。
1957—1983年 任清華大學副校長,其間于1958年兼任工程力學數(shù)學系主任。
1983—1986年 兼任深圳大學校長。
1991 中國科學技術協(xié)會全國委員會榮譽委員。
主要論著
1 張維.Der spannungszustand in kreisringschale und ahnlichen schalenmit scheitelkreisringen unter drehsymmetrischer belastung.Dokterarbeitl944,TU Berlin;或見清華大學理科報告,1949,5A:289—
2 張維.淺談工程力學的任務與教育.力學與實踐,1982,4(1):56—57.
3 張維.關于教育體制改革的幾點想法.百科知識,1985(6):2—5.
4 張維.淺談美國高等工程教育.科技導報,1986(1):65—68.
5 張維.國外力學與工程教育.力學與實踐,1986,8(3):2—17.
6 Zhang Wei.Neuordnung der wirtSchaftswissenschaftlichen aus-und weiterbildung an chinesischen hoChschulen unter berücksichtigung von koorperationsmoglichkeiten mit deutschen hochschulen.Schmalenbachs Zeitschrift für Betriebswirtschaftliche ForschungSonderheft,1987,27:19—29.
7 張維.工程、工程教育與經濟發(fā)展.在美國南加州華人科技工作者協(xié)會第26屆年會上的講話.清華大學教育研究,1988(2):1—7.
8 張維.工程力學要為我國經濟建設服務.力學與實踐,1988,10(3):43—45.
9 Zhang wei.Engineering education in china and prospect for coorpera-tion with universities of U.S.,1988 ASCE Annual Conference Pro-Ceedings,P.530-536.
10 Zhang Wei.Die Technik,das technische hochschulwesen und die wirtschaftliche entWicklung in VRChina.Vortrag abgehalten Vor Urania der DDR,1989,10.
11 張維,錢令希,李國豪.關于試行公開招聘重點高等工科院校學術帶頭人的建議.中國科學院學部委員咨詢報告,中國科學院技術科學部.1989:1—11.
12 Zhang Wei.Achievements and issues we are facing in the develop-ment of science and technology,Delivered at the Hong Kong Institu-tion of Engineers,7th Mar.1990.
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參考文獻
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