“多尺度”向前进!杨自豪老师一行来访与攻关组交流工程数学问题

杨自豪老师(图左)、张洁琼博士(图右上)、李义强老师(图右下)
       2019年8月29日,西北工业大学数学系(兼中科院数学与系统科学研究院)杨自豪老师、李义强老师及张洁琼博士分别从西安和杭州飞往珠海。突发的恶劣天气导致杨老师和张洁琼博士凌晨4点多才到珠海。尽管如此,杨老师等仍坚持按既定计划开始研讨,在中交港珠澳大桥岛隧工程及中交悬浮隧道工程技术研究联合组办公室进行了一天一夜、连续七场的交流。中国青年科研工作者的敬业精神与充沛的体力令攻关组的小伙伴们十分倾佩。
       第一场会议开始时,会议室挤满了人,攻关组组长林巍向杨老师一行及攻关组全体做了相互介绍。杨老师对这支敢啃硬骨头的年轻攻关团队表示欣赏,并希望自己的学生有机会也能加入联合工作,攻关组表示十分欢迎。接着,林巍概述了中交悬浮隧道研究的历史沿革,讨论了攻关组工作的三个特点和三项原则。第一个特点是系统性。工程技术研究必须基于对问题的系统认识和全面理解。目标越远大,越需要极其现实的行动。攻关组当前已梳理了五千多个工况的计算和近百项敏感性分析。第二是对研究方法的研究,也即退后一步看问题,不仅研究如何做,还研究做的时候实际上是在做什么;研究尚未提出问题或定义问题就需要寻找解答的工作方法。攻关组攻克技术问题的同时,也在对研究方法进行总结。第三是对真实的追求。贯彻总体组的研究理念,例如已开展的悬浮隧道结构行为机理研究水池试验,就是为了观察“悬浮隧道在水下究竟是怎么动的”以及“单参数改变时运动特征会有什么变化”等隐藏在数字背后的本质问题(beyond figures)。攻关工作第一原则是利它。类比总体组对试验提出的要求,攻关组撰写的报告需可复制、可重复。也即将任何一份报告拿给一位研究生看后,后者能较快地应用于工作中,只有这样的报告对于悬浮隧道研究而言才是有存在的理由的。并且,报告中对当前已完成的工作应申明局限性,给出可能的优化方向;第二是建立了全面系统的分析流程后,鼓励成员进行更深入、更机理性质的研究。研究报告不在于篇幅,而在于深刻,让读者受益。第三是“简单最好”,借用Popper K和FUNG YC等人的著述。杨老师介绍了他所任职的学校西工大及所在城市西安的近况,攻关组小伙伴们听得兴趣盎然。
       第二场会探讨工作模式。杨老师提出了更高效的合作模式。首先,攻关组尽可能清晰地提出工程数学问题,也可径直提出需要求解的方程,且一次最好提两个,这样解答一个问题的同时,在潜意识中能对另一个问题持续思考,进而提高最终问题的解答成效。接到问题后,杨老师团队将对问题从数学角度进行难度评估,进行巧妙分解,例如将一个问题分解成五小问题,结合问题重要程度差异进行排序,全部问题解决后,形成详细报告,便于有关人员查阅和应用。林巍对杨老师提出的工作模式表示感谢和赞同,并鼓励杨老师团队多在中交悬浮隧道工程技术研究项目中申报具有自主产权的软件著作,多发表论文。
       第三场会议讨论一些方程的理论精确解。基于今年年初的已有委托,林巍提出了一些新需求,并举例说明了理论解在工程中的重要作用:数值解好处是易解困难方程,工程师也能做一些简单编程,然而,理论解能让工程师加深对工程问题的理解,提高分析工作的效率,理论解的另一个好处是工程师可借数学论证的严谨性来证明自己的新观点,也即基于完全申明的假设和前提条件推导得出的观察与发现必然是无法被推翻的工程发现。
       中午简单用餐后,开始第四场会议。刘傲祥设计师介绍了悬链线问题的理论验证,李义强老师展示了缆索找形分析的程序,并解释道,这段有限元软件命令流可以解决缆索在重力、浮力、缆索的内部应力以及部分缆索与海床面的接触力的共同作用下,缆索的初始形状,相比之前的版本,又增加考虑了缆索由多段材料状态构成时缆索的初始形状。攻关组成员认真听取了李老师的讲解,提出了各自关心的问题。林巍希望增加参数敏感性分析,比如考虑顶端外力变化、缆索刚度变化以及缆索重量变化等内容。刘傲祥向李老师请教该找形方法的原理与解释。双方就悬链线问题具体实现方式的深入交流为将来深入工作打下了良好基础。
       第五场探讨涡激运动模型。周卓炜博士介绍了悬浮隧道涡激运动产生的原因,缆索和管体涡激运动的研究背景,展示了涡激运动特定模型的控制方程,展示了文献中基于该模型的求解结果,这些结果考虑了多种折合速度、系统刚度的影响。林巍讨论了该模型对悬浮隧道研究的重要意义,该涡激运动模型能起到“纽带”作用,纽带的一头连接着更靠近机理性研究的物理模型试验和CFD数学模型研究,另一头连接着工程研究需要的悬浮隧道整体数学模型、敏感性分析及其子件的敏感性分析。前者接近真实但耗时或耗资大,直接作用于后者可能无法实现(也许要计算几万年),因而涡激振动模型可能起到将前者的信息“翻译”从而可以应用于后者的有益作用,类比杨老师晚上介绍的“多尺度”手段;并提议杨老师团队既可基于已有数学模型开发悬浮隧道分析用的工具也可另辟蹊径。紧接着,杨老师与周卓炜探讨了模型控制方程的推导过程,指出该模型是多个二阶微分方程的耦合,可以通过数值方法求解,并详细询问了每个变量的物理意义。与此同时,张洁琼博士对上午讨论的问题有了新的发现,与林巍讨论形成平行会议。杨老师和李老师与攻关组成员交流了悬浮隧道流固耦合问题的实际背景。陈进博士介绍了立管涡激振动的原理及控制方程,详细讲解了耦合结构动力学方程和N-S方程的难点,以及流体和固体边界传值的实现方式。
       傍晚时,杨老师参加攻关组每日例行“窗口会”。今天会议主讲人是曾繁旭博士,他介绍了《海震的计算方法及数值验证》。由于水体不能承担剪切力,横波不能在水中传播,纵波在水中将以竖向压缩波的形式传播,即海震。目前,地震发生时的动水压力计算方法有三种:Morison方程,Laplace方程,以及波动方程。曾繁旭分别对着三种方法进行了介绍。在Morison方程中,将地震发生时的动水压力简化为阻尼力和惯性力,并且在修正的Morison方程中引入结构位移,考虑了流体和结构之间的相互作用。假设流体不可压缩,所以水质点的运动速度等于地面的运动速度,从而考虑海震对结构的影响。第二种方法是基于无旋、无黏、不可压缩的假设的Laplace方程,结合边界条件,可以得到管体上动水压力的解析解,与Morison方程类似,水质点运动速度等于地面的运动速度。第三种方法为基于无旋、可压缩的波动方程。从基本的质量守恒方程、动量守恒方程及绝热状态下的状态方程出发,介绍了波动方程的推导过程。对于该波动方程是否能够解析求解向杨老师进行了请教。杨老师指出类似这类双曲型方程寻找解析解较困难,因为对边界条件和方程中的系数要求很高。目前各种离散方法较为成熟,而且只要方法选择恰当,计算速度会较快,精度也较高,建议通过数值方法求解。曾繁旭接下来介绍通过商业软件实现该方程的数值求解,并介绍建立的数值模型,模拟压缩波的传播过程。将计算结果与理论值进行对比,验证模型的准确性。杨老师询问了软件中的离散方法,并提醒离散格式要慎重选取,否则对计算结果产生较大影响。
       晚饭后,杨老师应邀在攻关组每周一次的水果分享会上为攻关组成员带来了一场生动、有趣的报告会与交流会。首先,杨老师介绍了自己团队研究领域为计算力学与应用数学,以及研究方向为科学计算的模型、理论和方法,杨老师团队长期从事多尺度与多物理计算方法、不确定性定量化、近场动力学理论等基础研究,从事数学在工程领域的应用。接着,杨老师围绕“多尺度分析方法与软件技术及其在材料科学和工程中的应用”,从结构及其材料损伤和断裂模拟、激光增材制造(3D打印)数值仿真以及心脏与血液相互作用数学模型等方面为大家进行了讲解,激起了大家的浓厚兴趣。在混凝土材料损伤与断裂模型中,针对混凝土材料及其构件建立系列单胞模型,研究了分析混凝土材料及其构件力学行为的数值计算方法,开发了计算分析程序,并得到了试验数据的良好验证;其中将混凝土粗骨料、细骨料以及随机分布的短切纤维建立微细观单胞,在宏观上从强度、刚度以及损伤断裂方面进行了计算和分析。杨老师介绍了金属增材3D打印及心脏与血液的“流固耦合”数学求解方法,为大家带来了思想的启迪和计算分析的灵感。随后,攻关组成员对此次交流进行了踊跃提问,林巍请教了“多尺度”的含义和研究所投入的时间和人力。当得知这些研究是基于杨老师的老师崔老师团队数十年的研发积累后,大家不禁对老一辈科学家的工作精神肃然起敬,并感想需要沉下心来日积月累攻克难题。攻关组成员陈进就浸入边界法在求解时如何实现提问,刘凌锋对混凝土模型中细纤维团簇及其随机生成方法提问,孙南昌对反复荷载及变幅荷载作用下混凝土损伤问题以及单胞随机问题进行提问,周卓炜博士对多尺度分析如何实现及多重网格技术的计算结果叠加进行提问,邹威对如何控制模型单元、确保空间上不重合以及心脏和血液耦合方程等进行提问,杨老师及李老师对大家的提问均一一耐心地、详细地进行解答,会议现场气氛十分活跃。最后,林巍将带有攻关组全体签名的纪念卡片赠与杨老师,攻关组全体成员与杨老师一行合影留念。此次交流会拓宽了攻关组成员的视野,也为大家提供了解决问题的方法和思路!
114
责任编辑:editor

上一条: “多尺度”向前进!杨自豪老师一行来访与攻关组交流工程数学问题

下一条: SDJT攻关组举办第四场公开课


中国交建 TEC TU 天科院 大连理工大学

Copyright © 2019 中交悬浮隧道工程技术联合研究组_CCCC_SFTJT版权所有 |粤ICP备05060342号-7· 设为首页 · 加入收藏 · 管理系统SFT · 管理系统(内网)