計算力學

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計算力學是全國科學技術名詞審定委員會審定、公布的科技類名詞術語。

中國，從來就是一個文化底蘊極度豐富的國家，中國的文字，更是凝聚着中國的文化精魂。中國最早出現的和文字相關的文化記憶就是倉頡造字，小小的文字中蘊藏了無限的文化，然後就出現了最初的甲骨文。

目錄

名詞解釋

計算力學（computational mechanics）是根據力學中的理論，利用現代電子計算機和各種數值方法，解決力學中的實際問題的一門新興學科。它橫貫力學的各個分支，不斷擴大各個領域中力學的研究和應用範圍，同時也在逐漸發展自己的理論和方法。計算力學的應用範圍已擴大到固體力學、岩土力學、水力學、流體力學、生物力學等領域。計算力學主要進行數值方法的研究，如對有限差分方法、有限元法作進一步深入研究，對一些新的方法及基礎理論問題進行探索等等。計算力學橫貫各個力學分支，為它們服務，促進它們的發展，同時也受它們的影響。

計算力學是根據力學中的理論，利用現代電子計算機和各種數值方法，解決力學中的實際問題的一門新興學科。它橫貫力學的各個分支，不斷擴大各個領域中力學的研究和應用範圍，同時也在逐漸發展自己的理論和方法。

發展史

近代力學的基本理論和基本方程在19世紀末20世紀初已基本完備了，後來的力學家大多致力於尋求各種具體問題的解。但由於許多力學問題相當複雜，很難獲得解析解，用數值方法求解也遇到計算工作量過於龐大的困難。通常只能通過各種假設把問題簡化到可以處理的程度，以得到某種近似的解答，或是藉助於實驗手段來謀求問題的解決。

第二次世界大戰後不久，第一台電子計算機在美國出現，並在以後的20年裡得到了迅速的發展。20世紀60年代出現了大型通用數字電子計算機，這種強大的計算工具的出現使複雜的數字運算不再成為障礙，為計算力學的形成奠定了物質基礎。

與此同時，適用於計算機的各種數值方法，如矩陣運算、線性代數、數學規劃等也得到相應的發展；橢圓型、拋物型和雙曲型微分方程的差分格式和穩定性理論研究也相繼取得進展。1960年，美國克拉夫首先提出了有限元法，為把連續體力學問題化作離散的力學模型開拓了寬廣的途徑。有限元法的物理實質是：把一個連續體近似地用有限個在節點處相連接的單元組成的組合體來代替，從而把連續體的分析轉化為單元分析加上對這些單元組合的分析問題。

有限元法和計算機的結合，產生了巨大的威力，應用範圍很快從簡單的杆、板結構推廣到複雜的空間組合結構，使過去不可能進行的一些大型複雜結構的靜力分析變成了常規的計算，固體力學中的動力問題和各種非線性問題也有了各種相應的解決途徑。

另一種有效的計算方法——有限差分方法也差不多同時在流體力學領域內得到新的發展，有代表性的工作是美國哈洛等人提出的一套計算方法，尤其是其中的質點網格法(即PIC方法)。這些方法往往來源於對實際問題所作的物理觀察與考慮，然後再採用計算機作數值模擬，而不講究數學上的嚴格論證。1963年哈洛和弗羅姆成功地用電子計算機解決了流體力學中有名的難題——卡門渦街的數值模擬。

無論是有限元法還是有限差分方法，它們的離散化概念都具有非常直觀的意義，很容易被工程師們接受，而且在數學上又都有便於計算機處理的計算格式。計算力學就是在高速計算機產生的基礎上，隨着這些新的概念和方法的出現而形成的。計算力學也為實際工程項目開闢了優化設計的前景。過去，工程師們雖有追求最優化設計的願望，但是力不從心；現在，由於有了強有力的結構分析方法和工具，便有條件研究改進設計的科學方法，逐步形成計算力學的一個重要分支——結構優化設計。計算力學在應用中也提出了不少理論問題，如穩定性分析、誤差估計、收斂性等，吸引許多數學家去研究，從而推動了數值分析理論的發展。

研究內容

計算力學的應用範圍已擴大到固體力學、岩土力學、水力學、流體力學、生物力學等領域。

計算力學主要進行數值方法的研究，如對有限差分方法、有限元法作進一步深入研究，對一些新的方法及基礎理論問題進行探索等等。

計算結構力學是研究結構力學中的結構分析和結構綜合問題。結構分析指在一定外界因素作用下分析結構的反應，包括應力、變形、頻率、極限承載能力等。結構綜合指在一定約束條件下，綜合各種因素進行結構優化設計，例如尋求最經濟、最輕或剛度最大的設計方案。計算流體力學主要研究流體力學中的無粘繞流和粘性流動。無粘繞流包括低速流、跨聲速流、超聲速流等；粘性流動包括端流、邊界層流動等。

計算力學已在應用中逐步形成自己的理論和方法。有限元法和有限差分方法是比較有代表性的方法，這兩種方法各有自己的特點和適用範圍。有限元法主要應用於固體力學，有限差分方法則主要應用於流體力學。近年來這種狀況已發生變化，它們正在互相交叉和滲透，特別是有限元法在流體力學中的應用日趨廣泛。