張大朋，嚴 謹，趙鈺楨

（廣東海洋大學船舶與海運學院，廣東 湛江 524088）

0 引言

船舶結構力學是一門非常重要的涉海課程，對于船舶與海洋工程專業(yè)的學生來說，該課程也是必修課程。繼往開來，在向海圖強的今天，搞清楚船舶結構力學的前世今生有著十分重要的意義。研究方法主要采用追根溯源法，查閱國內(nèi)外相關船舶結構力學的專家所發(fā)表的論文，在論文中逐漸梳理船舶結構力學在中國和俄羅斯的發(fā)展脈絡。通過對比船舶結構力學在中俄兩國的發(fā)展情況，進而結合當今世界形勢及工程訴求，形成船舶結構力學的今后發(fā)展的明確方向。

總體上來說，20世紀初，創(chuàng)建人布勃諾夫在俄羅斯圣彼得堡國立理工大學向眾人傳授所有高校從未開設過的課程——船舶結構力學[1]。在經(jīng)過布勃諾夫不斷的苦心研究與長期的實踐，專著《船舶結構力學》Ⅰ、Ⅱ卷先后在1912年與1914年問世，自此，船舶結構力學這一門新型學科正式成立。其提供了一種新的計算船舶結構強度的方法，為后人開辟了研究船體結構強度的新路徑。在20世紀50年代，船舶結構力學又傳入中國。這之后，船舶結構力學在中國經(jīng)歷了3個階段——20世紀50年代初至60年代初的廣泛傳播、20世紀60年代初至70年代末的逐步發(fā)展、20世紀70年代后期至21世紀初的持續(xù)繁榮。近一個世紀以來，我國學者辛勤耕耘，集腋成裘，不斷地對結構力學進行琢磨，現(xiàn)已取得令人嘆為觀止的成果，其中部分領域達到國際先進水平[2]。

1 船舶結構力學在俄羅斯的創(chuàng)建與完善

1.1 船舶結構力學在俄羅斯的創(chuàng)建

船舶結構力學的創(chuàng)建人布勃諾夫從高校畢業(yè)后即從事船舶建造。1894年，他又進入造船工程系進行深造（當時屬研究生）。畢業(yè)后，選擇留校任教，直至去世。執(zhí)教期間，布勃諾夫開設新課，同時跟隨名師攻讀數(shù)門高水平的數(shù)學與力學的課程，接受了優(yōu)質的教育，提高了自己的數(shù)學造詣與力學水平，為之后創(chuàng)建船舶結構力學奠定堅實的基礎[3]。

布勃諾夫還參與了軍艦的設計，并多次出版與軍艦結構設計相關的講義[4]。在軍艦結構設計的實踐中，創(chuàng)建了系統(tǒng)的計算船舶結構強度的方法。隨后，基于此計算方法設計出的“塞瓦斯托波爾”型軍艦成功建造，充分證明了布勃諾夫的方法可行、有效。在1900—1914年間，一直參加俄羅斯船模試驗水池的工作。在1902年，布勃諾夫發(fā)表著名文章《船殼板在水壓下的應力》，解決了當時船舶結構強度一個亟待解決的關鍵問題，即計算“柔性板”計及中面力的應力問題。1904年，布勃諾夫開始在結構力學教研室任教并于1906年出版《彈性理論與結構力學》，講義除了包括一些力學的基本問題以外，還記載了計算船體結構強度的相關內(nèi)容。

1909年，布勃諾夫將實踐經(jīng)驗上升成科學理論，正式開設船舶結構力學這一門新課程[5]。這在當時所有高校中是前所未有的。同年，布勃諾夫又作補充，出版講義《船舶結構力學補充教程》。追尋布勃諾夫的一生，可以窺見船舶結構力學的創(chuàng)建歷程。探究布勃諾夫的生平對了解船舶結構力學的創(chuàng)建史具有巨大的現(xiàn)實意義。1912年與1914年，布勃諾夫又先后出版著名專著《船舶結構力學》Ⅰ、Ⅱ卷，它的出版標志了船舶結構力學新學科的正式創(chuàng)立。布勃諾夫在書中明確界定了船舶結構力學的學科任務，指明了船舶結構力學的整體框架與具體包括的內(nèi)容。布勃諾夫在余下一生中繼續(xù)保持孜孜不倦的研究，提出了求解齊次邊界條件的彈性力學的問題的近似方法，還計算了潛艇耐壓殼體。然而，1914年爆發(fā)第一次世界戰(zhàn)爭，《船舶結構力學》Ⅲ卷的編著也因此受到影響。布勃諾夫創(chuàng)建了船舶結構力學，為世界船舶結構科學的發(fā)展做出了巨大貢獻，但好景不長，布勃諾夫英年早逝，于1919年3月辭別人世，年僅47歲。

1.2 船舶結構力學在俄羅斯的完善

布勃諾夫逝世前，曾出版、發(fā)表了幾篇與船舶結構力學相關的講義與補充教程，被業(yè)內(nèi)學者認為是未能順利出版法《船舶結構力學》Ⅲ卷的主題內(nèi)容。布勃諾夫一生勤懇鉆研，將理論與實踐相結合，同時，還注重培養(yǎng)學科人才，使這一學科能夠繼續(xù)發(fā)展。其中他的學生帕普科維奇、希曼斯基等人繼承了他的衣缽，并在他的研究成果的基礎上繼續(xù)開展相關研究，做出了頗有成效的工作。

帕普科維奇于1887年出生。在高校學院學習造船系，師從布勃諾夫，學習了所有船舶結構力學的課程并進行了深入鉆研[6-7]。畢業(yè)后，帕普科維奇曾在造船廠參與設計船舶以服務俄羅斯海軍事業(yè)。帕普科維奇也參加了塞瓦斯托波爾型軍艦的建造。隨后在1916年，帕普斯維奇回到彼得堡工業(yè)學院任教，并在1918年開始向學生講授船舶結構力學等3門課程。1920年，帕普科維奇又擔任海軍學院結構力學教研室主任。隨后，又先后擔任列寧格勒造船學院船舶結構力學教研室主任與教授并被評為蘇聯(lián)科學院通訊院士。除此之外，帕普斯維奇并不僅僅教學，更對船舶結構力學做了更深層地研究，陸續(xù)出版了船舶結構力學的相關專著。帕普科維奇在理論創(chuàng)新方面發(fā)揮了自己高超的學術水平，他于1941年出版了《船舶結構力學》第Ⅱ部，1945年出版編著的《船舶結構力學》第一部卷1，1947年出版編著了《船舶結構力學》第一部卷2。這3本力學專著集船舶結構力學基本理論之大成，每一本專著都印刷800～1 000頁，系統(tǒng)描述了船舶結構力學的基本內(nèi)容，知識面廣泛，理論精辟，總結到位。帕普科維奇總結了理論之后，又投入到船舶結構力學的專門問題當中（即工程應用）。他發(fā)表了130篇左右的論文，闡述了自己對船舶結構力學專門問題的研究成果。不幸的是，帕普斯維奇還未寫出相關方面的論文就撒手人寰。后來，他的學生將他生前的研究成果整理成數(shù)篇論文，并編輯成了論文集出版。帕普斯維奇是著名的力學家，一生致力于研究船舶結構力學，推動了學科的前進發(fā)展，促進了船舶新興前沿科學的進步，為人類科學技術的進步做出巨大貢獻。

1.3 船舶結構力學在俄羅斯的興盛

希曼斯基于1883年出生，畢業(yè)于海軍工程學校。他與布勃諾夫、帕普斯維奇一樣，畢業(yè)之后從于船舶建造事業(yè)。之后，又進入海軍學院繼續(xù)深造并于1910年順利畢業(yè)。他在造船廠從事軍艦的建造，曾參與建造塞瓦斯托波爾型軍艦的工作。從1910年開始，又先后在海軍工程學院、海軍學院、列寧格勒造船學院任教，還于船舶結構力學教研室中工作。

希曼斯基對帕普斯維奇生前未能完整總結的船舶結構力學的工程應用進行全面、系統(tǒng)地闡述，他對船舶結構力學的貢獻一樣不容小覷[10-12]。希曼斯基曾參編數(shù)本船舶結構力學相關教材，于1916年與他人合作出版《造船工程師手冊》；于1932年出版《甲板炮裝置下加強結構計算》；1934年出版《板的彎曲》；1934年出版《造船手冊》（卷2,3——船舶結構力學）；1946年出版《入塢及下水的船體強度計算》；1948年出版《潛艇結構力學》；1949年出版《船舶結構動力計算》；1957年出版《滑行艇強度計算》；又于1958—1960年間出版《船舶結構力學手冊》卷1、卷2、卷3。希曼斯基一生中研究廣泛，從有特殊性能與用途的艦船強度計算（如潛艇、滑行艇），到船舶設計與建造過程中的專門強度問題（如甲板炮裝置下的結構加強、入塢、下水等）。希曼斯基解題方式獨具一格，他并不喜歡將問題復雜化，而是盡可能使用簡單易懂的數(shù)學知識，這使研究出的計算方法能便利地應用于實際的船舶結構設計中。正是因為希曼斯基的特性，使他能夠不局限于前人的研究，相反，他基于已被創(chuàng)建的理論基礎，創(chuàng)新地開拓出船舶結構力學新領域——從船舶結構靜力學拓展到船舶結構動力計算。

希曼斯基的科研工作得到學術界的廣泛認可，他所出版的《船舶結構動力計算》獲得斯大林獎金一等獎（當時蘇聯(lián)的國家獎）。后來，希曼斯基又從書中提煉出計算船舶結構強度的方法與公式，整合后以《船舶結構力學手冊》為名出版。這使船舶設計與建造工作人員方便查閱，書內(nèi)簡單易懂的內(nèi)容受到廣泛好評，大大減輕了工作人員的負擔。自此，船舶結構力學在俄羅斯蓬勃發(fā)展。

2 船舶結構力學在中國的發(fā)展與繁榮

船舶結構力學應用于船舶結構設計中，早在20世紀50年代已傳播入中國。自傳入以來，船舶結構力學在中國的發(fā)展可分為3個主要階段：20世紀50年代初至60年代初的廣泛傳播；60年代初至70年代后期的逐步發(fā)展；70年代后期至21世紀初的持續(xù)繁榮[13]。

2.1 船舶結構力學在中國的傳入

20世紀50年代初，中國的高等院校在造船專業(yè)開設船舶結構力學新學科[14]。船舶結構力學正式開始傳入中國。在高校，中國開設船舶結構力學教研室，聘請?zhí)K聯(lián)相關專家指導。初期，中國翻譯并印刷了許多蘇方出版的船舶結構力學專著，有巴布柯維契的《船舶結構力學》《彈性力學》《船舶強度文集》《船舶振動文集》；以及本文提到的布勃諾夫的《板理論文集》、希曼斯基的《板的彎曲》《潛艇結構力學》《船舶結構力學手冊》等。除此之外，中國高校開設學科，集中組織培養(yǎng)船舶結構力學中國人才。首先開設“艦船結構力學”課程的是1951年大連海軍學校（海軍工程大學前身）造船系。這之后，軍事工程學院、大連工學院、上海交通大學也先后開設本門課程，不同的是，每所高校所采用的教材有些許不同。不過，統(tǒng)一都聘請?zhí)K聯(lián)專家并翻譯蘇聯(lián)出版專著進行教學。

1953年，中國船舶建造人員通過從蘇方引進的轉讓艦艇技術材料消化吸收后采用了船舶結構力學理論方法設計出了結構圖紙與計算書，深入掌握了船舶結構力學的基本理論并進行了初步地工程應用。20世紀50年代中后期，為培養(yǎng)更專業(yè)的船舶結構力學人才，國家選派優(yōu)秀大學畢業(yè)生去蘇聯(lián)深造學習，著名的有羅培林等人?；貒?，他們都為中國船舶結構力學的發(fā)展做出顯著貢獻[15]。

在傳入（20世紀50年代初至60年代初）期間，中國已編著過幾本船舶結構力學方面的教材。到了50年代末，中國已開始自主研究水面船舶、潛艇的結構并做了一定的實際實驗。除此之外，海軍工程大學（當時為海軍機械學校）還應用船舶結構力學的理論與計算方法設計了高速護衛(wèi)艇，建造完成后交付海軍旅順基地使用。這是中國第一條應用船舶結構力學自主設計船體結構的船，經(jīng)考證后，這條高速護衛(wèi)艇被高度認可，在經(jīng)過設計定型后，大量進行生產(chǎn)建造。

在這一時期，經(jīng)過10年時間的不懈地努力，中國終于掌握了船舶結構力學的理論內(nèi)容與計算方法，并順利將相關理論與方法應用到實際設計、生產(chǎn)、建造過程當中。同時，中國培養(yǎng)出一群熟練掌握了船舶結構力學的專業(yè)青年學者。

2.2 船舶結構力學在中國的發(fā)展

在這一階段，中國開始逐漸擴大船舶結構力學科研工作的開展[16]。1961年，無錫當?shù)亟ㄔO了船舶科學大型試驗基地。1962年，船舶專業(yè)組成立，審議“全國船舶科學技術發(fā)展十年規(guī)劃”。規(guī)劃推動了船舶科學大型試驗基地的建立。在進行探討船舶結構力學的相關工作之后，我國的研究有了一定的突破，解決了當時許多設計與建造方面上的技術問題。在1965年交付使用的“東風號”遠洋貨船，是新中國成立以來第一艘由中國自行設計建造的遠洋船，建成后曾對船體多方面進行了實際測量；1977年，中國第一次進行了中型潛艇深潛試驗并取得成功。這些充分體現(xiàn)了中國掌握的船舶結構力學理論水平。

實際上，船舶結構力學在1966年至1976年的文化大革命時期受到了一定的沖擊。但是，軍用艦船是海上國防的基礎，而且船舶又是當時海上外貿(mào)運輸?shù)慕煌üぞ?，在中國船舶結構力學學者的堅持努力下，船舶結構力學在當時還是有一定的發(fā)展，不過速度較慢，進展較小。

20世紀70年代，中國學者又掌握了有限元方法，應用于船舶結構的強度等計算，有力推動了船舶結構力學進入新的發(fā)展階段。

2.3 船舶結構力學在中國的繁榮

1978年11 月，第十一屆三中全會決定將全國工作重點轉移到社會主義現(xiàn)代化建設上來，這大大鼓勵了中國船舶科研人員，船舶行業(yè)得以快速發(fā)展并走向繁榮[17]。1979年，我國成立了“船舶力學”等其他專業(yè)的學術委員會。專業(yè)委員會下又分設幾個專業(yè)學組，如“船舶波浪載荷及其動力響應”“船舶結構振動”等。每兩年，各學組之間還會召開一次學術討論會，促進我國船舶科技水平的發(fā)展。在船舶力學學術委員會的強力支持下，各組還會出版會議論文集，這在當時是十分少見的。

考慮到教學發(fā)展與科研的進步，在20世紀80年代，幾所高校又合作出版了一套跟上當時教育水平的船舶結構力學的新教材，供學生們學習、使用。1981年，中國高校開始培養(yǎng)博士生，而船舶結構力學恰巧是當時準授予博士學位的學科之一，這充分體現(xiàn)了船舶結構力學的重要性。直到現(xiàn)在，船舶結構力學依舊是各大高校船舶專業(yè)的核心課程之一。

20世紀70年代末，我國又派出大批中國優(yōu)秀畢業(yè)生到國外攻讀船舶結構力學專業(yè)學位。如突出的吳有生先生，在學位論文中建立了三維水彈性力學理論[18]。回國后，他又帶領國內(nèi)科研人員開展相關研究，為我國水彈性力學領域做出了巨大貢獻。

改革開放不僅解放了國內(nèi)經(jīng)濟，還開啟了科研人員學術交流的大門。我國船舶結構力學科研人員在國際上積極活動，且中國在船舶結構力學理論水平與應用的提高使得我國在ISSC組織（船舶結構力學理論和應用的國際權威學術組織）上愈來愈有影響力。1988年，我國徐秉漢[19-20]、吳有生分別當選當屆ISSC的常務委員會主席、秘書長。中國也成功在江蘇無錫舉行第11屆ISSC大會。1991年，我國首次舉辦國際性船舶結構力學學術討論會，許多國外船舶結構力學專家出席參加。十年后，我國又在上海成功舉行了船舶實用設計大會。通過與國際上掌握船舶行業(yè)高超技術的人員相互交流，我國得以取長補短，自我發(fā)展，成功使我國的船舶結構力學水平走在世界前列。

3 有限元在中國實踐教學的應用

船舶結構力學作為海洋工程專業(yè)的核心學科，在培養(yǎng)涉海專業(yè)相關人才時是不可或缺的。但學生在傳統(tǒng)的課堂教學中經(jīng)常出現(xiàn)無法理解知識的問題。有限元軟件在實踐教學中的應用有效地解決了這個問題[21-26]。

3.1 現(xiàn)實意義

船舶結構力學是海洋工程專業(yè)的核心學科之一。但是在傳統(tǒng)的課堂教學中，由于學科困難、教師缺乏實踐經(jīng)驗等原因，大部分學生仍存在無法理解與掌握的問題。而由于經(jīng)濟條件、課時少的限制，學生無法每節(jié)課到力學實驗室進行試驗教學。作為海洋工程的一門工科，船舶結構力學對人才培養(yǎng)又有著大量的需求。在這種現(xiàn)實背景下，有限元在實踐教學的應用應運而生。

早在20世紀70年代，我國科研人員已掌握了有限元的方法并應用到實際中。隨著船舶結構力學教學困難問題的出現(xiàn)，有限元軟件被應用到課堂教學的過程中去。通過計算機的復雜運算，學生可以省去公式推導、分析變形的過程，直接在電腦屏幕上看到圖片、表格等形式的分析結果，將抽象的內(nèi)容與力學概念具體化，便于學生理解與學習船舶結構力學的知識。學生掌握了有限元軟件的分析過程，也能為以后學習ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件打下基礎[27-30]。

3.2 實際應用

有限元在課堂的使用，還需要借助任課教師的介紹與引導。任課教師可以在實際課堂教學時，對有限元軟件進行一定的介紹與演示，令學生認識、了解有限元的優(yōu)勢。在實際的教學中，學生會無法避免地遇到難理解的原理、理論與公式等內(nèi)容。教師可以利用有限元，在課堂上將相關知識在學生面前演示一遍，引導學生們深入學習與掌握。通過簡單的數(shù)值分析、結構建模，學生能夠更容易理解船舶結構力學的內(nèi)容知識。

在課堂上，學生跟著任課教師學習了一遍有限元軟件的操作方法。課后，仍可以根據(jù)記憶與自己的理解，再次利用有限元軟件進行演示，加深對教學內(nèi)容的認識與掌握。學生在學習的初期，可以從簡單的問題入手，如梁結構的彎曲、變形問題，先熟悉有限元軟件的使用流程，增加熟悉度，再拓展、擴大使用。

4 結束語

本文通過介紹船舶結構力學在中國、俄羅斯不同的發(fā)展史，對船舶結構力學的起源、發(fā)展、傳播、繁榮等進行了詳細闡述。從而形成了船舶結構力學近現(xiàn)代發(fā)展的清晰脈絡，本研究結果說明，船舶結構力學的最初發(fā)展主要是集中在前蘇聯(lián)，在傳入我國后，經(jīng)過建國初期及改革開放兩個階段的集中發(fā)展，船舶結構力學在我國逐漸發(fā)展成一門主流學科。同時，由于在新時代背景下，隨著計算機科技的進步，許多領域都利用計算機的強大功能，減輕工作負擔。因此，隨著技術的不斷發(fā)展，船舶結構力學的教學與有限元分析通過相關有限元仿真軟件為媒介可以得到更好地應用于發(fā)展。