王学滨教授研究生城会玩！

你知道什么是计算力学吗？

文/王学滨

下图是高中物理、大学物理或理论力学中常遇到的一道题。三角形大块体与地面无摩擦，在它上面放置一个正方形小块体。系统的初速度为零。显然，系统的动量守恒。小块体在向前滑动的过程中，大块体要向后移动。

通过受力分析、运动学分析，建立多个方程，可以进行求解。这种求解方式就是解析求解，比较麻烦。
说实话，对于这样的一道题，可不是谁都能解出来的，例如，小块体的运动轨迹。应当指出，还有一个默认的条件，就是两个块体都是刚体，不发生变形。实际上，地球上根本不存在刚体，而都是变形体。显然，上述解答的适用性是有限的。
我们都知道，在高中物理、大学物理或理论力学中，题目千变万化，十分令人头疼。对于每一道题，均需要通过受力分析、运动学分析，建立多个方程联立求解。没有万能的方法。由于物理十分烧脑，所以，很多人都不爱学物理。可是，物理还十分重要！
随着计算机技术的进步，人们想到利用编程的方法来求解各种问题。这样，计算力学就诞生了，它涉及力学（基本的力学原理，例如，牛顿第二定律和第三定律）、计算机硬件和算法。由于计算力学涉及数学和力学，所以，王学滨教授说计算力学具有基础性。

在利用计算力学求解时，对于不同的问题，只是计算模型不同，求解过程都是类似的。这就是王学滨教授说的计算力学的普适性。

有人研究计算力学算法，有人用计算力学来研究具体问题，例如，弹性屈曲、剪切带、介质的开裂和运动，等等。计算力学在各种问题（机械、土木、采矿等）研究中都发挥了巨大的作用。这就是王学滨教授说的计算力学的广泛应用性。对于上面提到的那个问题，利用王学滨教授团队历时10年自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法就可以模拟出来。下面的计算及视频是王学滨教授一名研一新生在老生的耐心、细致指导下做的！在小块体滑动过程中，斜面后撤；当小块体滑到斜面的最底处后，居然被下面的平板给弹起来了！神奇不？模拟它不是目的，也没有什么实际用途，而是展现一下我们的连续-非连续方法的能力，并练一下新生的手。在学中玩，在玩中学！

计算力学SHOW☟

对于简单的问题，虽然解析方法通常也可以，但是利用计算力学可以干得更好，更符合实际，例如，在上述问题中，假定块体是变形体而不是刚体；对于复杂的问题，利用计算力学可以应付自如，而解析方法往往无能为力。随着时代的发展，计算力学越来越重要。通过引入并行计算技术，计算的精度和速度可以大大提升，而解析方法基本上还停留在很久之前的水平上，已经没法发展了。这就是王学滨教授说的计算力学的时代性。可以这样讲，随着计算力学的发展，解析方法的作用越来越小，实验也不需要那么多了。客观地讲，对于复杂问题，如果仍用解析方法可以求解，当然更好，但这往往是美好的愿望而已；必要的实验还是需要的。如果有人还不那么看好现在的计算力学，那正说明了计算力学还需发展。
甚至，随着计算力学的发展，本人在此断言，高中物理、大学物理、理论力学、材料力学、弹性力学等课程都应该改革了，相关内容需要精炼。那些解析方法固然有许多积极的作用，例如，用于训练思维和深刻认识相关问题，但对于实际应用作用有限。计算力学应该进入初中、高中和大学的一些课程，并占据一定的位置！只有这样，才能和时代的发展更加契合。

计算力学吸取着传统力学的积极养分，紧跟着时代发展的步伐，从而使力学之树长青，并使之显著区别于其他学科！