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张维教授百年诞辰纪念文集 [:1705978090]
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张维教授百年诞辰纪念文集 第2章 杰出的力学家
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张维对于我国力学学科发展的贡献主要体现在以下几个方面：
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（1）薄壳结构力学的理论研究，包括圆环壳的理论分析与实验验证，旋转壳固有振动的转点问题及其全域有效解；
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（2）坚持力学是技术科学的理念，力学必须与工程实际相结合，将力学研究成果应用于我国国民经济与国防建设的主战场；
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（3）通过倡导、筹建工程力学研究班和创建清华大学工程力学系，为我国培养了一代工程力学人才；
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（4）组织与指导我国高等院校工科专业的力学教材编写工作，推动壳体力学在工程界的普及。（此部分贡献将在本文第3章阐述）
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薄壳结构，如工业中常见的储油、储气、储物料等的容器，大型土水结构的拱坝、房屋大厅的穹顶，乃至日常生活中的鸡蛋壳、植物种壳等都是壳体结构，它是一种在分布荷载（例如重力、液压力、气动力、加速度引起的过载质量力等都属于分布荷载）作用下具有优越承载能力的轻结构，但由于它是一种两个空间曲面包围的薄壁构件（两曲面之间的距离称为厚度，在下文中以h表示，与这两个空间曲面距离相等的曲面称为壳体的中面，若其曲率半径为R，厚度与曲面的曲率半径之比h/R是一个小量），薄壳理论的基本方程非常复杂，求解薄壳方程在数学上是复杂的求解偏微分方程的边值问题。关于壳体理论，英国科学家乐甫（Love, A.E.H.，1863—1940）对薄壳弯曲作了系统研究，1888年他推广了薄板理论中的基尔霍夫（Kirchhoff, G.R.）假设，对薄壳提出了直法线假设，这就是基尔霍夫-乐甫假设，成为薄壳理论广泛应用的理论基础。基于该假设，可将薄壳理论由三维弹性力学问题化为二维曲面空间中的力学理论问题。
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从20世纪中期起，由于航空、航天、石油化工等各种新兴工业部门的兴起，薄壳结构在工程中得到了广泛的应用，而复杂的薄壳结构力学分析问题也随之成为力学家们关注的热点问题。张维作为杰出的力学家，他的学术生涯，从一开始就选择了弹性力学中较为艰深的部分——壳体理论，而且又选择了壳体理论中难度最大的问题之一的圆环壳作为主要对象和展示平台，这在1940年左右没有电子计算机的时代，无扎实的数学功底是没有这个胆量选这样的难题的。
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张维几十年如一日对壳体理论及其应用展开了长期艰苦的研究，研究范围涵盖了旋转壳体和斜圆锥壳体。特别是他领导的研究团队解决了圆环壳的各方面力学问题，包括在对称和非对称载荷作用下圆环壳的线性和几何非线性应力和变形分析、屈曲与后屈曲分析、弹塑性分析、组合环壳的强度与振动分析，并且将圆环壳的力学分析应用于工程结构。他指导博士生对于旋转薄壳振动问题的研究，解决了美、苏力学家四十多年未曾解决的旋转壳固有频率谱和对应的主振形具有转点区段的问题。张维学术团队所采用的研究方法既有渐近解析解、精确解、有限元数值解，还有实验验证。研究结果不论是难度和深度都一直处于世界先进水平，并解决了其中的重大问题；其学术活动一直处于该领域的国际前沿并引领圆环壳的研究方向，赢得了国际认可。他领导的学术团队对于圆环壳研究的傲人成就是中国学者对壳体理论的重大贡献。曾先后获得过国家教委一等奖、三等奖、清华大学基础研究奖等。
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在研究过程中，张维一生倡导发扬近代力学的德国哥廷根学派精神，坚持贯彻理论联系实际，既注重理论创新研究，又重视试验研究，更重视力学研究与我国国民经济和国防建设主战场相结合，进行应用研究，为国民经济和国防事业发展作出贡献。他指导研究团队将圆环壳应用于高速离心机的设计、研制，同时也发展了圆环壳理论，这些研究曾获全国科学大会奖、国家科技进步二等奖等奖项。
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在科学研究的同时，张维参与发起和筹建工程力学研究班，为国家培养了一代工程力学教学和科学技术研究的高质量人才，这些人毕业后成为我国各高校工程力学专业和有关工业部门科研院所的骨干人才。他创建了清华大学工程力学数学系，任首届系主任；与赵访熊、杜庆华等教授在清华大学共同创建了固体力学、流体力学、一般力学、工程热物理和计算数学5个专业，从1958年至1977年，该系共培养了1600多名毕业生和40名研究生。他教过和带过的学生、研究生、年轻教师中有十余人被选为科学院、工程院院士，培养和训练了几代中国优秀的教师、学者、工程师。从他的研究成果、人才培养和国际影响看，张维在清华大学工作50多年，在以他和杜庆华、黄克智三位固体力学学科带头人领导下，亲力亲为，共同努力，团结合作，使这个团队在固体力学领域取得了国内外公认的成就，完全可以说形成了一个以张维、杜庆华、黄克智为核心，以杨卫、余寿文、徐秉业、王勖成、郑兆昌、戴福隆、姚振汉、薛明德等为学术领军人物的在国内外具有一定影响力的清华大学固体力学团队，这个团队朝气勃勃，后继有人，蒸蒸日上。
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2.1 张维对壳体结构的理论研究成果及各类工程结构的应用研究
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2.1.1 早期对工程结构的应用力学研究
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1933年大学刚毕业的张维在陇海铁路潼关段做实习工程师时，就对当时美国公布的新版铁路桥梁规范产生了兴趣，他查阅了大量力学著作和文献，在此基础上对该规范内容进行了深入探讨，撰写了“基于弹性理论，对于美国铁路工程师协会桥梁设计规范1934年修订版的注释”论文[2.1]。张维将该论文于1935年向中英庚款委员会留英公费生考试委员会递交，该论文以其独特的见地，受到主审教授的高度评价。
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20世纪40年代初期，他在德国柏林工业大学读博士并担任助教期间，在导师特尔克教授指导下，除博士论文外，还结合工程实际进行了两项力学在工程问题中的应用研究（内部报告，未发表）：
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第一项研究是输油管道的非线性“水锤”问题。“水锤现象”是由阀门突然开启或关闭引起管道内流体压力突然降低或升高、压力波的传播与多次往复反射引起管道振动的现象。张维应用流体力学的基本理论，通过计算分析给出了不同开关时间水锤压力的变化曲线及其回荡衰减的规律，为当时安全设计输油管道提供了科学依据。他在这方面的研究经历对20世纪80年代清华大学工程力学系成立气动研究所（SMC），开展管道水锤、气动研究具有一定影响，对现今各类管道设计，特别是核管道设计，也有重要的参考价值。
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第二项研究是爆炸波在地层中的传播问题。此前的研究仅限于应力波在均匀介质中传播的线性问题，但地层是由多层不同介质形成的，将地层简化为均匀介质与实际地质情况相差太远，张维研究了应力波在多层介质中的传播这一复杂的非线性问题。他不避艰难，作出了很好的成绩。
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1945年，张维在“二战”刚结束离开德国准备回国前，在瑞士艾舍尔-维斯机械厂（Escher-Wyss）研究部担任研究工程师，从事了“加强裤管的强度计算”[2.2]和“汽轮机旋转圆盘强度计算”[2.3]的研究工作。
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1946年张维回国后，受聘为清华大学工程力学教授。由于当时国家建设物资极度匮乏，为解钢材缺乏之急，他想到以竹筋代替钢筋，在经费、设备十分困难的条件下，开展了“竹材的力学性能”研究[2.4]。
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2.1.2 轴对称薄圆环壳的一致有效渐近解[2.5]
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1944年，张维在所获得的柏林工业大学的博士学位论文[2.5]中，首次求得了轴对称载荷下薄圆环壳的一致有效渐近解。他的解早于美、苏学者6年以上。
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旋转对称壳是工程中最常用的一种壳体，它的中面是由一根平面曲线（称为子午线）绕着其同平面内的一根直线（称为对称轴）旋转一周而形成的曲面；由子午线关于轴线的弯曲方向不同而造成旋转壳方程的性质不同，分为正高斯曲率壳（例如球型储罐所采用的球壳）、负高斯曲率壳（例如热电站冷却塔所采用的壳）和零高斯曲率壳（例如圆柱壳、圆锥壳）。而图示圆环壳由一个半径为a的圆，其圆心与旋转轴保持距离R旋转一周而成，它是旋转对称壳体中最为复杂的壳体，在一个闭合圆环壳中，既有正高斯曲率曲面（外侧），又有负高斯曲率曲面（内侧），二者结合处的两条圆周线处高斯曲率为零，该处对应的薄壳基本方程性质发生突变，在数学上是微分方程的奇异点。
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