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摘要：船舶结构力学隶属于传统的工程学科， 它的主要任务是结合相关理论对船的主体结构与其构件进行应力和变形分析， 其主 要是研究计算船体结构应力和变形的原理与方法、船体结构强度与刚度、船体振动和稳定性等。通过系统地比较船舶结构力学在 中国与俄罗斯两国的起源、传播与发展概况， 将其进行了对比及研究。同时， 船舶结构力学也是船舶与海洋工程专业的核心课程 之一， 但由于该课程涉及的知识面广泛且抽象、相关公式推导复杂等多种原因， 学生在传统的课程教学中存在理解困难的问题。 有鉴于此， 探索了引入有限元软件， 并简述了将有限元软件应用于船舶结构力学实践课堂教学中的现实意义。
关键词：船舶结构力学,实践教学,有限元
Comparative Study on Development of Ship Structural Mechanics in China and Russia
Zhang Dapeng， Yan Jin， Zhao Yuzhen
(Ship and Maritime College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang, Guangdong 524088. China)
Abstract: Ship structural mechanics belongs to engineering discipline. It mainly studies the principle and method of calculating the stress and deformation of ship structure, strength and rigidity of ship structure, vibration and stability of ship body, etc. The origin, spread and development of ship structural mechanics between China and Russia were compared and studied . Ship structural mechanics is one of the core disciplines of marine engineering specialty. However, due to its extensive and abstract knowledge and complex derivation of relevant formulas,students have difficulty in understanding in traditional course teaching. In view of this, the practical significance of introducing finite element software into the practical teaching of ship structural mechanics was explored .
Key words: ship structural mechanics; practical teaching; finite element
0 引言
船舶结构力学是一门非常重要的涉海课程， 对于船 舶与海洋工程专业的学生来说， 该课程也是必修课程。 继往开来， 在向海图强的今天， 搞清楚船舶结构力学的 前世今生有着十分重要的意义。研究方法主要采用追根 溯源法， 查阅国内外相关船舶结构力学的专家所发表的 论文， 在论文中逐渐梳理船舶结构力学在中国和俄罗斯 的发展脉络。通过对比船舶结构力学在中俄两国的发展 情况， 进而结合当今世界形势及工程诉求， 形成船舶结 构力学的今后发展的明确方向。
总体上来说， 20 世纪初， 创建人布勃诺夫在俄罗斯 圣彼得堡国立理工大学向众人传授所有高校从未开设过 的课程——船舶结构力学[1]。在经过布勃诺夫不断的苦 心研究与长期的实践， 专著 《船舶结构力学》 Ⅰ 、 Ⅱ卷 先后在 1912 年与 1914年问世， 自此， 船舶结构力学这一 门新型学科正式成立。其提供了一种新的计算船舶结构 强度的方法， 为后人开辟了研究船体结构强度的新路径。
在 20 世纪 50年代， 船舶结构力学又传入中国。这之后， 船舶结构力学在中国经历了 3 个阶段——20 世纪 50 年代 初至 60 年代初的广泛传播、 20 世纪 60 年代初至 70 年代 末的逐步发展、 20 世纪 70 年代后期至 21 世纪初的持续 繁荣。近一个世纪以来， 我国学者辛勤耕耘， 集腋成裘， 不断地对结构力学进行琢磨， 现已取得令人叹为观止的 成果， 其中部分领域达到国际先进水平[2]。
1 船舶结构力学在俄罗斯的创建与完善
1.1 船舶结构力学在俄罗斯的创建
船舶结构力学的创建人布勃诺夫从高校毕业后即从 事船舶建造。 1894 年， 他又进入造船工程系进行深造 (当时属研究生)。毕业后， 选择留校任教， 直至去世。 执教期间， 布勃诺夫开设新课， 同时跟随名师攻读数门 高水平的数学与力学的课程， 接受了优质的教育， 提高 了自己的数学造诣与力学水平， 为之后创建船舶结构力 学奠定坚实的基础[3]。
布勃诺夫还参与了军舰的设计， 并多次出版与军舰结构设计相关的讲义[4]。在军舰结构设计的实践中， 创 建了系统的计算船舶结构强度的方法。随后， 基于此计 算方法设计出的“塞瓦斯托波尔”型军舰成功建造， 充 分证明了布勃诺夫的方法可行、有效。在 1900— 1914 年 间， 一直参加俄罗斯船模试验水池的工作。在 1902 年， 布勃诺夫发表著名文章《船壳板在水压下的应力》， 解决 了当时船舶结构强度一个亟待解决的关键问题， 即计算 “柔性板”计及中面力的应力问题。 1904 年， 布勃诺夫 开始在结构力学教研室任教并于 1906 年出版 《弹性理论 与结构力学》， 讲义除了包括一些力学的基本问题以外， 还记载了计算船体结构强度的相关内容。
1909 年， 布勃诺夫将实践经验上升成科学理论， 正 式开设船舶结构力学这一门新课程[5]。这在当时所有高 校中是前所未有的。同年， 布勃诺夫又作补充， 出版讲 义《船舶结构力学补充教程》。追寻布勃诺夫的一生， 可 以窥见船舶结构力学的创建历程。探究布勃诺夫的生平 对了解船舶结构力学的创建史具有巨大的现实意义。 1912 年与 1914年， 布勃诺夫又先后出版著名专著 《船舶 结构力学》 Ⅰ 、 Ⅱ卷， 它的出版标志了船舶结构力学新 学科的正式创立。布勃诺夫在书中明确界定了船舶结构 力学的学科任务， 指明了船舶结构力学的整体框架与具 体包括的内容。布勃诺夫在余下一生中继续保持孜孜不 倦的研究， 提出了求解齐次边界条件的弹性力学的问题 的近似方法， 还计算了潜艇耐压壳体。然而， 1914 年爆 发第一次世界战争，《船舶结构力学》 Ⅲ卷的编著也因此 受到影响。布勃诺夫创建了船舶结构力学， 为世界船舶 结构科学的发展做出了巨大贡献， 但好景不长， 布勃诺 夫英年早逝， 于 1919 年 3 月辞别人世， 年仅 47 岁。
1.2 船舶结构力学在俄罗斯的完善
布勃诺夫逝世前， 曾出版、发表了几篇与船舶结构 力学相关的讲义与补充教程， 被业内学者认为是未能顺 利出版法 《船舶结构力学》 Ⅲ卷的主题内容。布勃诺夫 一生勤恳钻研， 将理论与实践相结合， 同时， 还注重培 养学科人才， 使这一学科能够继续发展。其中他的学生 帕普科维奇、希曼斯基等人继承了他的衣钵， 并在他的 研究成果的基础上继续开展相关研究， 做出了颇有成效 的工作。
帕普科维奇于 1887年出生。在高校学院学习造船 系， 师从布勃诺夫， 学习了所有船舶结构力学的课程并 进行了深入钻研[6-7]。毕业后， 帕普科维奇曾在造船厂参 与设计船舶以服务俄罗斯海军事业。帕普科维奇也参加 了塞瓦斯托波尔型军舰的建造。随后在 1916 年， 帕普斯 维奇回到彼得堡工业学院任教， 并在 1918 年开始向学生 讲授船舶结构力学等 3 门课程。 1920 年， 帕普科维奇又 担任海军学院结构力学教研室主任。随后， 又先后担任列宁格勒造船学院船舶结构力学教研室主任与教授并被 评为苏联科学院通讯院士。除此之外， 帕普斯维奇并不 仅仅教学， 更对船舶结构力学做了更深层地研究， 陆续 出版了船舶结构力学的相关专著。帕普科维奇在理论创 新方面发挥了自己高超的学术水平， 他于 1941 年出版了 《船舶结构力学》 第Ⅱ部， 1945 年出版编著的 《船舶结 构力学》 第一部卷 1. 1947 年出版编著了 《船舶结构力 学》 第一部卷 2.这 3本力学专著集船舶结构力学基本理 论之大成， 每一本专著都印刷 800~1 000 页， 系统描述 了船舶结构力学的基本内容， 知识面广泛， 理论精辟， 总结到位。帕普科维奇总结了理论之后， 又投入到船舶 结构力学的专门问题当中 (即工程应用)。他发表了 130 篇左右的论文， 阐述了自己对船舶结构力学专门问题的 研究成果。不幸的是， 帕普斯维奇还未写出相关方面的 论文就撒手人寰。后来， 他的学生将他生前的研究成果 整理成数篇论文， 并编辑成了论文集出版。帕普斯维奇 是著名的力学家， 一生致力于研究船舶结构力学， 推动 了学科的前进发展， 促进了船舶新兴前沿科学的进步， 为人类科学技术的进步做出巨大贡献。
1.3 船舶结构力学在俄罗斯的兴盛
希曼斯基于 1883 年出生， 毕业于海军工程学校。他 与布勃诺夫、帕普斯维奇一样， 毕业之后从于船舶建造 事业。之后， 又进入海军学院继续深造并于 1910 年顺利 毕业。他在造船厂从事军舰的建造， 曾参与建造塞瓦斯 托波尔型军舰的工作。从 1910 年开始， 又先后在海军工 程学院、海军学院、列宁格勒造船学院任教， 还于船舶 结构力学教研室中工作。
希曼斯基对帕普斯维奇生前未能完整总结的船舶结 构力学的工程应用进行全面、 系统地阐述， 他对船舶结 构力学的贡献一样不容小觑[10- 12]。希曼斯基曾参编数本 船舶结构力学相关教材， 于 1916 年与他人合作出版 《造 船工程师手册》; 于 1932 年出版 《甲板炮装置下加强结 构计算》; 1934 年出版 《板的弯曲》; 1934 年出版 《造船 手册》(卷 2.3——船舶结构力学); 1946 年出版《入坞及 下水的船体强度计算》; 1948 年出版 《潜艇结构力学》; 1949 年出版 《船舶结构动力计算》; 1957 年出版 《滑行 艇强度计算》; 又于 1958— 1960 年间出版 《船舶结构力 学手册》 卷 1、卷 2、卷 3.希曼斯基一生中研究广泛， 从有特殊性能与用途的舰船强度计算 (如潜艇、滑行 艇)， 到船舶设计与建造过程中的专门强度问题 (如甲板 炮装置下的结构加强、入坞、下水等)。希曼斯基解题方 式独具一格， 他并不喜欢将问题复杂化， 而是尽可能使 用简单易懂的数学知识， 这使研究出的计算方法能便利 地应用于实际的船舶结构设计中。正是因为希曼斯基的 特性， 使他能够不局限于前人的研究， 相反， 他基于已被创建的理论基础， 创新地开拓出船舶结构力学新领域 ——从船舶结构静力学拓展到船舶结构动力计算。
希曼斯基的科研工作得到学术界的广泛认可， 他所 出版的 《船舶结构动力计算》 获得斯大林奖金一等奖 (当时苏联的国家奖)。后来， 希曼斯基又从书中提炼出 计算船舶结构强度的方法与公式， 整合后以 《船舶结构 力学手册》 为名出版。这使船舶设计与建造工作人员方 便查阅， 书内简单易懂的内容受到广泛好评， 大大减轻 了工作人员的负担。自此， 船舶结构力学在俄罗斯蓬勃 发展。
2 船舶结构力学在中国的发展与繁荣
船舶结构力学应用于船舶结构设计中， 早在 20 世纪 50 年代已传播入中国。自传入以来， 船舶结构力学在中 国的发展可分为 3 个主要阶段： 20 世纪 50 年代初至 60 年 代初的广泛传播; 60 年代初至 70年代后期的逐步发展;70 年代后期至 21 世纪初的持续繁荣[13]。 2.1 船舶结构力学在中国的传入20 世纪 50年代初， 中国的高等院校在造船专业开设 船舶结构力学新学科[14]。船舶结构力学正式开始传入中 国。在高校， 中国开设船舶结构力学教研室， 聘请苏联 相关专家指导。初期， 中国翻译并印刷了许多苏方出版 的船舶结构力学专著， 有巴布柯维契的 《船舶结构力 学》《弹性力学》《船舶强度文集》《船舶振动文集》; 以 及本文提到的布勃诺夫的 《板理论文集》、希曼斯基的 《板的弯曲》《潜艇结构力学》《船舶结构力学手册》 等。 除此之外， 中国高校开设学科， 集中组织培养船舶结构 力学中国人才。首先开设“舰船结构力学”课程的是 1951 年大连海军学校 (海军工程大学前身) 造船系。这 之后， 军事工程学院、大连工学院、上海交通大学也先 后开设本门课程， 不同的是， 每所高校所采用的教材有 些许不同。不过， 统一都聘请苏联专家并翻译苏联出版 专著进行教学。
1953 年， 中国船舶建造人员通过从苏方引进的转让 舰艇技术材料消化吸收后采用了船舶结构力学理论方法 设计出了结构图纸与计算书， 深入掌握了船舶结构力学 的基本理论并进行了初步地工程应用。 20 世纪 50 年代中 后期， 为培养更专业的船舶结构力学人才， 国家选派优 秀大学毕业生去苏联深造学习， 著名的有罗培林等人。 回国后， 他们都为中国船舶结构力学的发展做出显著贡 献[15]。
在传入 (20 世纪 50 年代初至 60 年代初) 期间， 中 国已编著过几本船舶结构力学方面的教材。到了 50 年代 末， 中国已开始自主研究水面船舶、潜艇的结构并做了 一定的实际实验。除此之外， 海军工程大学 (当时为海 军机械学校) 还应用船舶结构力学的理论与计算方法设计了高速护卫艇， 建造完成后交付海军旅顺基地使用。 这是中国第一条应用船舶结构力学自主设计船体结构的 船， 经考证后， 这条高速护卫艇被高度认可， 在经过设 计定型后， 大量进行生产建造。
在这一时期， 经过 10 年时间的不懈地努力， 中国终 于掌握了船舶结构力学的理论内容与计算方法， 并顺利 将相关理论与方法应用到实际设计、生产、建造过程当 中。同时， 中国培养出一群熟练掌握了船舶结构力学的 专业青年学者。
2.2 船舶结构力学在中国的发展
在这一阶段， 中国开始逐渐扩大船舶结构力学科研 工作的开展[16] 。1961 年， 无锡当地建设了船舶科学大型 试验基地。 1962 年， 船舶专业组成立， 审议“全国船 舶科学技术发展十年规划”。规划推动了船舶科学大型 试验基地的建立。在进行探讨船舶结构力学的相关工作 之后， 我国的研究有了一定的突破， 解决了当时许多设 计 与 建 造 方 面 上 的 技 术 问 题 。在 1965 年 交 付 使 用 的 “东风号”远洋货船， 是新中国成立以来第一艘由中国 自行设计建造的远洋船， 建成后曾对船体多方面进行了 实际测量; 1977 年， 中国第一次进行了中型潜艇深潜试验并取得成功。这些充分体现了中国掌握的船舶结构 力学理论水平。
实际上， 船舶结构力学在 1966 年至 1976 年的文化 大革命时期受到了一定的冲击。但是， 军用舰船是海 上国防的基础， 而且船舶又是当时海上外贸运输的交 通工具， 在中国船舶结构力学学者的坚持努力下， 船 舶结构力学在当时还是有一定的发展， 不过速度较慢， 进展较小。
20 世纪 70 年代， 中国学者又掌握了有限元方法， 应 用于船舶结构的强度等计算， 有力推动了船舶结构力学 进入新的发展阶段。
2.3 船舶结构力学在中国的繁荣
1978 年 11 月， 第十一届三中全会决定将全国工作重 点转移到社会主义现代化建设上来， 这大大鼓励了中国 船舶科研人员， 船舶行业得以快速发展并走向繁荣[17]。 1979 年， 我国成立了“船舶力学”等其他专业的学术委 员会。专业委员会下又分设几个专业学组， 如“船舶波 浪载荷及其动力响应”“船舶结构振动”等。每两年， 各 学组之间还会召开一次学术讨论会， 促进我国船舶科技 水平的发展。在船舶力学学术委员会的强力支持下， 各 组还会出版会议论文集， 这在当时是十分少见的。
考虑到教学发展与科研的进步， 在 20 世纪 80 年代， 几所高校又合作出版了一套跟上当时教育水平的船舶结 构力学的新教材， 供学生们学习、使用。 1981 年， 中国 高校开始培养博士生， 而船舶结构力学恰巧是当时准授予博士学位的学科之一， 这充分体现了船舶结构力学的 重要性。直到现在， 船舶结构力学依旧是各大高校船舶 专业的核心课程之一。
20 世纪 70 年代末， 我国又派出大批中国优秀毕业生 到国外攻读船舶结构力学专业学位。如突出的吴有生先 生， 在学位论文中建立了三维水弹性力学理论[18]。回国 后， 他又带领国内科研人员开展相关研究， 为我国水弹 性力学领域做出了巨大贡献。
改革开放不仅解放了国内经济， 还开启了科研人员 学术交流的大门。我国船舶结构力学科研人员在国际上 积极活动， 且中国在船舶结构力学理论水平与应用的提 高使得我国在 ISSC组织 (船舶结构力学理论和应用的国 际权威学术组织) 上愈来愈有影响力。 1988 年， 我国徐 秉汉[19-20]、吴有生分别当选当届 ISSC 的常务委员会主 席、秘书长。中国也成功在江苏无锡举行第 11 届 ISSC 大 会。 1991 年， 我国首次举办国际性船舶结构力学学术讨 论会， 许多国外船舶结构力学专家出席参加。十年后， 我国又在上海成功举行了船舶实用设计大会。通过与国 际上掌握船舶行业高超技术的人员相互交流， 我国得以 取长补短， 自我发展， 成功使我国的船舶结构力学水平 走在世界前列。
3 有限元在中国实践教学的应用
船舶结构力学作为海洋工程专业的核心学科， 在培 养涉海专业相关人才时是不可或缺的。但学生在传统的 课堂教学中经常出现无法理解知识的问题。有限元软件 在实践教学中的应用有效地解决了这个问题[21-26]。
3.1 现实意义
船舶 结 构 力 学 是 海 洋 工 程 专 业 的 核 心 学 科 之 一 。 但是在传统的课堂教学中， 由于学科困难、教师缺乏 实践经验等原因， 大部分学生仍存在无法理解与掌握 的问题。而由于经济条件、课时少的限制， 学生无法 每节课到力学实验室进行试验教学。作为海洋工程的 一门工科， 船舶结构力学对人才培养又有着大量的需 求。在这种现实背景下， 有限元在实践教学的应用应 运而生。
早在 20 世纪 70 年代， 我国科研人员已掌握了有限元 的方法并应用到实际中。随着船舶结构力学教学困难问 题的出现， 有限元软件被应用到课堂教学的过程中去。 通过计算机的复杂运算， 学生可以省去公式推导、分析 变形的过程， 直接在电脑屏幕上看到图片、表格等形式 的分析结果， 将抽象的内容与力学概念具体化， 便于学 生理解与学习船舶结构力学的知识。学生掌握了有限元 软件的分析过程， 也能为以后学习 ANSYS 、ABAQUS 等 有限元分析软件打下基础[27-30]。
3.2 实际应用
有限元在课堂的使用， 还需要借助任课教师的介绍 与引导。任课教师可以在实际课堂教学时， 对有限元软 件进行一定的介绍与演示， 令学生认识、了解有限元的 优势。在实际的教学中， 学生会无法避免地遇到难理解 的原理、理论与公式等内容。教师可以利用有限元， 在 课堂上将相关知识在学生面前演示一遍， 引导学生们深 入学习与掌握。通过简单的数值分析、结构建模， 学生 能够更容易理解船舶结构力学的内容知识。
在课堂上， 学生跟着任课教师学习了一遍有限元软 件的操作方法。课后， 仍可以根据记忆与自己的理解， 再次利用有限元软件进行演示， 加深对教学内容的认识 与掌握。学生在学习的初期， 可以从简单的问题入手， 如梁结构的弯曲、变形问题， 先熟悉有限元软件的使用 流程， 增加熟悉度， 再拓展、扩大使用。
4 结束语
本文通过介绍船舶结构力学在中国、俄罗斯不同的 发展史， 对船舶结构力学的起源、发展、传播、繁荣等 进行了详细阐述。从而形成了船舶结构力学近现代发展 的清晰脉络， 本研究结果说明， 船舶结构力学的最初发 展主要是集中在前苏联， 在传入我国后， 经过建国初期 及改革开放两个阶段的集中发展， 船舶结构力学在我国 逐渐发展成一门主流学科。同时， 由于在新时代背景下， 随着计算机科技的进步， 许多领域都利用计算机的强大 功能， 减轻工作负担。因此， 随着技术的不断发展， 船 舶结构力学的教学与有限元分析通过相关有限元仿真软 件为媒介可以得到更好地应用于发展。
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