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张维教授百年诞辰纪念文集 [:1705978078]
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张维教授百年诞辰纪念文集 张维教授简介
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张维（1913.5—2001.10），我国著名的结构工程、固体力学专家、高等工程教育家、科技教育活动家，中国科学院、中国工程院两院院士，瑞典皇家工程科学院外籍院士，清华大学教授，前清华大学副校长、深圳大学校长。他几十年如一日致力于工程力学研究与教学、高等工程教育研究及其管理工作，为国家培养了几代科技人才。在我国高等教育、科技发展、管理以及国际交往中作出了重要贡献。在科学研究方面，他在国内率先把板壳理论应用于实际，推动了我国板壳理论的应用研究和发展；在教学方面，讲授过多门力学课程；在板壳理论的研究中，在国际上最早获得了粗圆环薄壳的渐近解，取得了圆环壳、壳体转点问题、加肋壳理论及应用研究的一系列成果，涉及土木、船舶、核能、电力、压力容器、石油等诸多工业部门。不幸于2001年10月4日因患急性重症肝炎病故于北京第一传染病医院。
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张维又名张以纲，祖籍北京，1913年5月22日（农历）出生在北京一个税务职员的家庭。父张壎为北大译学馆学员，清末民国初年任河南安阳县税务局局长，曾兼任河南巡抚的家教，是一位知识分子。张维不幸幼年丧父，靠父亲积蓄和兄长工资度日，家境清贫。但他自幼聪颖好学，1918年起先后就读于北京旧帘子胡同小学、女师大附小和北京师范大学附属小学（今第一实验小学），十一岁考入师大附属中学。在校期间对数学、物理有着浓厚兴趣，尤以数学见长。念完高一，即考入天津北洋大学预科，第二年又考入唐山交通大学土木系，主修结构工程。1933年以优异成绩毕业，获学士学位。毕业后分配到陇海铁路潼西段协理修筑铁路。翌年，应母校之召，回唐山交通大学任结构力学、结构工程助教。1937年4月以优异成绩考取第二十五届中英庚子赔款公费留学，9月中旬起在英国伦敦帝国理工学院土木系作研究生，师从皮帕尔（Pippard）教授；一年后获DIC文凭（硕士）。1938年转学德国柏林高等工业学校，师从特尔克（Tölke）教授攻读博士学位并兼任助教；在此期间，1941年与德国哥廷根大学普朗特（Prandtl）教授的研究生陆士嘉女士结为伉俪；1944年10月，张维以优异的成绩和出色的答辩，获得工程博士学位（Dr.-Ing.）。同年12月，离开柏林前往哥廷根，后又在瑞士埃舍尔-维斯机械厂从事叶轮机械的研究。1946年6月，张维与陆士嘉，这两位未来新中国的力学家、教育家，历尽艰辛，经西贡等地回到祖国。抵上海后，张维先后接受了同济大学短期聘约和天津北洋大学一年的聘约。1947年7月受聘为清华大学教授，与先期受聘于清华大学的钱伟长教授共同承担力学课程的教学工作。先后讲授过材料力学、高等材料力学、结构力学、弹塑性力学、板壳理论等课程。
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新中国成立后，张维从1951年起开始担任教学、科研和行政等方面的管理工作。1951—1952年，任三校（清华、北大、燕京）建设委员会工程处负责人；1955年光荣地加入了中国共产党，实现了多年的夙愿；1952—1956年担任清华大学土木工程系系主任；1956—1984年，先后担任清华大学副校长历17年之久，主管教学与科研；1958年，在清华创建了工程力学数学系，并担任第一任系主任；1983年张维受国务院委任，出任深圳大学校长。他不辞辛苦，不顾古稀之年，一年八次往返于北京和深圳之间。为组建各系领导班子，他真诚地多次登门求贤，邀请了许多知名专家到深大任职，终于在短短的几年内，把深大建成了一个初具规模的理工科大学。
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张维先后多次参加我国科技发展远景规划的制定工作，为我国科学技术的发展及工程力学学科的发展作出了重要贡献。1956年他参加制定国家十二年科技发展远景规划，担任土木工程组组长、力学组副组长；1962年参加制定国家十年科学发展规划，任力学组副组长，经他和郭永怀、刘恢先等专家的共同努力，在我国第一次把抗震抗爆问题列入规划；他还在1978年参加了8年科学技术发展规划的制订工作，任理论与应用力学组常务副组长。在这一系列的规划之中，无不饱含着他的心血和汗水。
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在高等工程教育工作岗位上，他除了担任校内的教学、教学管理工作之外，从1962年起直至1984年间担任教育部工科力学教材编审委员会主任长达22年。在教育部的领导与支持下，为提高我国工科力学教学水平作出了长期的努力和贡献，并收到显著成效。他还在1980—1987年间连续两届担任国务院学位委员会委员。1983—1987年担任中国教育国际交流协会副主席。1987年以来，一直担任国家教委科技委员会主任，直至1990年。他还是第三届全国人大代表，第六、七届全国政协委员。
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在学术方面，1955年被选为中国科学院技术科学学部委员。1956年以来担任中国土木工程学会副理事长。1957年起历任中国力学学会秘书长、副理事长、理事等职。1979年前他是中国科协书记处书记，之后连续两届当选为科协副主席，《世界名著译丛》编委主任，《电机工程》、《机械工程》两部手册编委会副主任。1994年，他与王大珩、师昌绪、罗沛霖、侯祥麟、张光斗等六位老专家共同倡议建立中国工程院，经国务院批准后，他被选为第一批中国工程院院士，并任主席团成员。1997年任中国老教授协会会长。
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在国际交往中，他在1972—1976年间任联合国教科文组织执行局委员。1956年起一直是国际桥梁和结构工程学会高级会员。1980年被选为瑞典皇家工程科学院外籍院士。1981年成为法国里昂中法学院通信委员，1985年当选为世界工程组织联合会副主席，1989年担任国际工程教育杂志编委。自1942年起他就是德国工程师学会会员、高级会员，1982年成为德国应用数学与力学学会会员。为了表彰他对中德教育、科技、文化交流所作出的重大贡献，1987年荣获联邦德国洪堡基金会洪堡奖章，1988年荣获联邦德国总统颁发的德国大十字勋章。2001年9月，获世界工程组织联合会工程教育优秀奖章。
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一、张维教授在学术上的贡献
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1.1 首创圆环壳轴对称弯曲一致有效渐近解
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薄壁圆环壳形如救生圈，它是由一个半径为a的小圆绕轴旋转（小圆中心至旋转对称轴的距离为R）而成的旋转壳。它的基本方程在其几何顶点有奇异性，即以顶点为界，外侧面（正高斯曲率曲面）上定义的方程为椭圆型，内侧面（负高斯曲率曲面）上定义双曲型方程，这种奇异点称为转向点（turning point），20世纪40年代以前，其应力分析是一个难题。1916年，Wissler在Reissner-Meissner旋转薄壳方程的基础上给出了圆环壳受轴对称载荷的应力状态解。他是以λ=a/R的幂级数形式给出的，适用于细环壳（即λ小的情况），而工程上用得更多的却是粗环壳。1944年张维基于Reissner-Meissner-Tölke方程求得了圆环壳的完整的解。他的主要工作是：①详细讨论了各种幂级数解在细环壳中的收敛性，指出幂级数解对粗环壳则收敛很慢，在当时情况下不便于应用；②针对幂级数解的不足，首次得到渐近解。以其中ν为泊松比，h为壳厚度）为大参数，应用贝塞尔函数特性，获得对圆环壳的正、负高斯曲率曲面上一致有效的渐近解。这是他在当时十分困难的条件下，得不到国际上的研究资料，完全靠自己独立研究获得的。而美国、苏联学者在20世纪50年代初才陆续发表这类问题的渐近解。张维当时给出的渐近解同后来许多学者得到的渐近解精度相同，而他的解使用起来十分方便。他的工作为环壳的求解和应用提供了有效工具。直到1983年，美国麻省理工学院著名力学家赖斯纳（E.Reissner）在给他的来信中还再次肯定了他的这一工作。
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1980年以后，在张维指导下，他早年的研究生赵鸿宾教授等人分析研究了三种主要的环壳方程的精度，指出幂级数解、渐近解的限制，同时提出了一种逼近一渐近解，既适用于细环壳，又适用于粗环壳。1990年张维教授的博士生张若京提出了方程的高阶近似解，可达到薄壳理论的精度，即精度量级为O（h/R）。
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1.2 任意载荷作用下圆环壳的解
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随着工业发展的需要，任意载荷作用下薄圆环壳和弯管的应力分析受到很多学者的注意，苏联学者Chernykh首先研究了反对称载荷有一个对称面情况的解。1959年美国学者Steele在他的博士论文中首次给出任意载荷的解，但他的解由于推导中使用了μ为大参数和的条件（m为傅里叶展开的谐波数，R是子午线圆中心到大圆环中心的距离，h是壳厚），他的解只适用于低阶谐波，且没有给出算例。1984年张维指导博士生夏子辉利用Novozhilov复变量方程，给出了任意载荷、任意边界条件下圆环壳和弯管具有薄壳理论精度量级的一般解；并进行模型实验，得到了与理论解符合很好的位移与应力实测结果。他们还给出了弯管在任意边界条件下大圆平面内和平面外受弯矩的一般解。自编程序计算了一些典型算例：如弯管承受平面内弯矩允许两端面翘曲的解、受内压作用的90°弯管两端固定的解。
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1.3 圆环壳的非线性分析
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随着波纹管膨胀节大位移补偿器的发展及其在各种工程中的应用，有必要对环壳的几何非线性问题、屈曲及屈曲后特性进行研究。张维指导课题组年轻教师和研究生们推导了基于薄壳小变形中等转动的非线性复变量圆环壳方程，采用摄动法研究了闭口与开口圆环壳的非线性解，并与实验进行了对比，指出在载荷较大时，线性与非线性解之间存在较大差别。
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张维教授指导博士生王安稳在Machnig、Flügge、Sobel之后研究了圆环壳在外压下的屈曲与后屈曲，采用摄动法给出了完整的屈曲与后屈曲的平衡路径，并指出此时后屈曲路径是稳定的；其理论解结果与Fishlowitz的实验结果符合得很好，有关文章为国际理论与应用力学大会（IUTAM）录用。他指导博士生吴怡用路径连续跟踪法研究了完善与有缺陷圆环壳的稳定性，得到了任意边界条件、任意非对称几何初缺陷圆环壳的数值解，还给出了轴压圆柱壳、圆环壳、椭圆形环壳的完善和有初始缺陷的数值算例。
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1.4 旋转薄壳的振动分析
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张维教授指导博士生张若京对“旋转薄壳自由振动的转向点问题”进行了研究。在用渐近方法解旋转薄壳的自由振动问题时，求全域一致有效解十分困难，美、苏等国力学家虽多年致力于此项研究，但始终未获成功。张若京、张维通过放松拉普拉斯积分解法的充分条件，得到了全部8个基本解的全域一致有效的完全渐近展开式，解决了壳体动力学中一个常年悬而未决的困难问题，具有重要的理论意义。在以下两个关键问题上，他们获得了成功：（1）发现并引入三个广义函数族，导出了它们的递推关系、微分关系和渐近表达式，解决了求解比较方程的问题，使得求基本解的高阶近似成为可能。另外，由于得到了以三族广义函数族表示的基本解的一般表达式，就不再需要采用试凑的半逆解法。（2）推广了常规的拉普拉斯积分解法，从而得到了一个可以描述具有分枝点奇性的奇异薄膜解的广义函数族。因为除圆柱壳和球壳外，任何旋转壳的自由振动都存在转向点问题，所以此项研究具有普遍意义。此项研究1992年与同济大学张若京共获国家教委科技进步一等奖。
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1.5 为在我国推广轻型薄壳结构和普及壳体理论做了有益的开创工作
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薄壳是一种受力形式比较合理的空间结构，20世纪50年代张维率先将壳体结构推荐给我国土木工程界。在清华大学焊接车间的设计中，建议采用双曲薄壳结构屋顶，解决了工程设计和施工中的许多问题，实现了跨度大、结构轻的要求。该结构直至2002年5月因建清华第六教室楼拆除前仍很完好。
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20世纪50年代中期，他发起并组织了壳体结构文汇编辑组，出版《壳体结构文汇》，向国内科技界、工程界介绍壳体理论及其发展；1962年他在北京力学会高等材料力学讲习班上讲授他所编著的《壳体理论入门》，深入浅出地向工程技术人员及有关专业的师生、研究人员普及壳体理论知识，受到工程技术人员的欢迎。并著有《壳体结构概论》。
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20世纪60年代起，在他与杜庆华、黄克智教授带领下，在清华大学工程力学数学系结合航空航天、船舶工程、压力容器等诸多工业部门，在锥壳、斜锥壳、加肋柱壳、换热器管板等壳体强度与稳定性分析方面取得很大成就，特别在渐近解、摄动解等方面受到国内同行的广泛赞誉与肯定，培养了一批有较高水平的后继人才。
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张维教授十分重视圆环壳、弯管的工程应用。他指导博士生朱益民在波纹管膨胀节的研究中解决了非对称荷载下的非线性分析以及多层波纹管分析中考虑层间摩擦影响等问题；他指导课题组和研究生、博士生韩祖南等进行了核电站管道系统流致振动及疲劳安全寿命分析的“八五”攻关研究。他提出用环壳作为承受高压的水下密封舱的加强肋，领导课题组并指导博士生王安稳、陈文、陈强、黄剑敏、刘文国等对具有圆环壳加强肋的圆柱壳进行稳定性和冲击破坏研究，后来被列入“九五”攻关项目，以80多岁高龄亲自参与实验设计，不顾酷暑亲自到实验现场指导，使此任务获得比较满意的结果。他还提出建议用圆环壳段作为两种壳体连接的过渡段，以降低耐压舱段中不同壳体连接处的应力集中，经海军工程大学郭日修教授（他的50年代助手）、王安稳教授的研究，取得很好效果。他还曾指导过他早年的研究生赵鸿宾等将半圆环壳用于高速转子的研究，取得很好的成绩。