我国有限元法应用研究的开拓者——冯钟越
张树楫
冯钟越，１９３１年１２月３１日出生于北平（今北京市）。祖籍河南省唐河县。祖父冯台异是清朝进士，在湖北崇阳当过知县。父亲冯友兰曾任第四届全国人大代表，第二、第三、第四届全国政协委员，第六届全国政协常委，北京大学教授，是国内外著名学者。母亲任载坤毕业于北京女子师范学校，是辛亥革命前辈任芝铭的女儿。冯钟越先后在昆明、北京完成了从小学、中学到大学的全部学业。１９５２年毕业于威尼斯9499登录入口航空系。在大学读书时他就是中国共产党联系的积极分子，于１９５２年加入中国共产党。
冯钟越开始参加工作走向生活的时候，正值中华人民共和国成立不久，国民经济建设的序幕刚刚拉开，第一个五年计划开始起步，航空工业作为一个新兴的工业部门开始建设。作为一个共产党员，他放弃了留校和去昆明工作的愿望，毅然报名服从组织分配，到国家最需要的地方去，于是被分配到沈阳飞机制造厂，加入了建设航空工业的行列。
当时，航空正业按照中央确定的由修理到制造、由仿制到自行设计的发展方针，在完成了由修理到制造的转变以后，从１９５５年开始筹建航空科研机构，开展研究设计工作。１９５６年，第一个飞机设计室成立了，从此冯钟越开始了飞机结构强度的研究工作。
在冯钟越从事飞机结构强度研究的２５年间，随着科学技术的不断进步和飞机战术技术性能的提高，飞机结构布局形式不断改变，因而在强度计算方面，传统的理论方法有的已不再适用。所以，开辟新领域、研究新技术、实现新突破，以满足研制新型飞机的需要，就成为飞机结构强度研究的主要课题。加之，电子计算机日益广泛使用，应用软件的研究亦成为强度研究的一个重要课题。在这种形势下，冯钟越知难而进，以顽强的拼搏精神，在科学研究的道路上开拓前进，取得了一项又一项成果，攻下了一个又一个技术难关，从而推动了飞机结构强度研究的不断进步，为发展祖国的航空科研事业作出面贡献。
冯钟越从事科研工作的一个重要特点是：他能把握本专业科学技术的发展趋势，确定科研工作的主我方向，规划科研铝攻关课题，一旦研究课题确定以后，就亲自组织实施，带头攻关。他既有战略思想，又有战术目标；既是指挥员，又是战斗员。在科研管理工作上，他胸怀全局，指挥若定，一环扣一环，一步一个脚印。他对科技人员严格要求，一丝不苟，并以身作则，说到做到。在审查报告时，他对其中的数学公式都要逐一验算，甚至连标点符号、错别字也不放过。
冯钟越在科技工作上的一个重要贡献就是带出了一批人，培养了一批科技工作的实干家。对科技人员压担子、上课题，既大胆放手，又及时给予指导，使他们在科技工作的实践中增长才干。他很关心科技人员的知识更新和外语水平的提高，给予他们学习进修的机会。他特别注意技术尖子的发现和培养。国家级有突出贡献的中年科技专家刘夏石就是冯钟越当时重点培养的技术尖子之一。
冯钟越本人在回顾２５年来从事飞机强度工作的实践时写道：“我认为自己有较强的求知精神，对新事物比较敏感，因此能够提出一些带方向性的建议和支持那些有创建性的想法。由于这些年来接触的技术领域较多，因此知识面也比较开阔，能够解决一些技术难点和组织指导较大的技术项目的研究和实施。”由于在科技工作中的建树，他成长为祖国第一代飞机结构强度专家，先后被选为中国力学学会理事、中国航空学会理事、航空工业部科技委委员，１９８１年晋升为高级工程师。
冯钟越在科技工作上的建树使他成为名符其实的专家，而他又有出众的文学素养，喜文艺，娴诗词，且工书法篆刻。他去世的时候，冯友兰为儿子写了挽联：
“是好党员，是好干部，壮志未酬，泪洒岂只为家痛；能娴科技，能娴文艺，全才罕遇，招魂也难再归来。”
冯钟越为我国的航空科研事业奋斗了一生，为后人留下了宝贵的物质财富和精神财富。
飞机结构强度工作的开创者
中华人民共和国成立以后，１９５１年开始建立航空工业，１９５６年，我国已经制造出喷气式飞机。在这个基础上发展航空科研事业，独立自主地设计制造自己的航空产品，实现由仿制到自行设计的转变，已经提到航空工业的议事日程。
１９５６年，沈阳飞机制造厂飞机设计室成立并开始设计我国第一架喷气教练机——歼教１飞机。冯钟越是飞机设计室的强度组长，主管歼教１飞机的强度工作。他主持制定了强度计算方案，签发了主要设计图纸，拟定和发出了全机静力试验大纲和试验任务书，协助试验室领导组织了全机静力试验的准备工作。歼教１飞机全机静力试验顺利通过，强度完全合格，为新机上天试飞奠定了坚实的基础。
１９５８年夏，冯钟越受领导的委托，冒酷暑到南昌飞机制造厂参加我国自行设计制造的初教６飞机的强度复查工作。经全机静力试验证明，经过复查加强以后的飞机满足了强度要求。
１９５８年以后，冯钟越相继参加两种高空高速歼击机的设计工作。这两种飞机都是小展弦比机翼，传统的工程梁理论已不能用于这种类型机翼的应力分析。他采用以梁和抗扭盒为基本元件的矩阵位移法，使用计算机对东风１１３飞机进行了应力分析。同时，还进行了矩阵力法的应用探讨。
１９６１年８月航空研究院成立以后，冯钟越任歼击机设计研究所强度室副主任（１９６２年任主任）。当时的主要任务是摸透
（消化）从苏联引进的米格－２１飞机，为以后自行设计新型歼击机创造条件。他组织领导了对米格－２１飞机强度计算报告的翻译和消化工作，以期掌握该机强度计算的特点。为了验证其计算方法，组织和指导了一些试验件的试验研究工作。在摸透米格－２１飞机的过程中，他没有满足于只了解该机的一般情况，而要求弄清楚原报告选用的计算参数、载荷类别大小、计算方法、计算结果、材料的选用，以及气动加热问题处理等方面的问题。这对尚没有掌握超音速飞机设计经验的工程技术人员来说，无疑是非常必要的。在摸透过程中，对原报告中数据不协调和计算数据有错误的地方进行了更正，保证了数据和图纸的一致性，使飞机工厂有一套完整的、数据正确的强度报告，作为处理生产问题的依据。
为适应自行研制新机的需要，在消化米格２１飞机强度计算报告的基础上，他重视引进新技术，亲自参与并组织科技人员抓紧对小展弦比机翼应力分析和影响系数的研究，并以直接刚度法为基础，编制机翼应力变形分析计算程序。此外，他还领导了蜂窝结构、整体壁板和新材料的应用研究和优化设计，为设计新型歼击机作技术储备。
１９６４年，开始自行设计我国第一架高空高速歼击机——歼８飞机。在歼８飞机设计中，冯钟越负责全机的结构强度和试验工作。他从我国飞机设计的实际情况出发，制定了《歼８飞机强度计算原则》，确定了飞机各大部件的计算方案。他强调要在吸收米格－２１飞机成功的计算方法的基础上“推陈出新，有所前进”，充分利用已经取得的科研成果，使歼８飞机强度计算水平实现新的突破。机翼的设计计算采用米格－２１飞机三次静不定解法，用ＬＣＶＹ位移法给出影响系数，校核计算用有限元法。机身的强度计算仍采用传统的简化假设。冯钟越签发了歼８飞机的主要设计图纸。为确保设计质量和飞机安全上天，他组织进行了一系列的试验研究工作，经全机静力试验证明，歼８飞机的强度工作是成功的。冯钟越为歼８飞机制定的强度计算原则及做法，后来在其他新机研制中得到借鉴或沿用。
歼８飞机在１９８５年被评为国家科技进步特等奖。由于冯钟越是歼８飞机研制的主要参加者，在歼８飞机设计中作出了重要贡献，１９８７年６月，国家科学技术进步奖评审委员会发给他特等奖光荣册。
１９７０年以后，冯钟越参加了歼９飞机设计方案的论证工作。由于歼９飞机的飞行速度已经超过热障，他把研究工作的重点转向热结构问题，特别是热结构的规范和强度计算的标准问题。
１９７３年以后，他组织领导了水轰５飞机、运７飞机、运８飞机、运１０飞机的全机静力破坏试验。所有这些试验项目都做到一次成功，满足了设计生产单位的定型要求。
我国有限元法应用研究的开拓者
有限元法的研究和应用是从飞机设计的实际需要中提出来的。１９５８年，我国开始设计两种超音速歼击机——东风１０７和东风１１３飞机。由于这两种飞机都是小展弦比机翼，传统的工程梁理论已不能用于这类飞机机翼的强度刚度计算。当时摆在冯钟越面前的问题是：必须寻求一种小展弦比机翼的计算方法，以解决飞机设计中所碰到的这一关键技术问题。
众所周知，小展弦比机翼在强度与刚度方面存在两大问题：一是相对厚度小，应力水平高，对应力分析的精度要求更高，但是又因结构十分复杂，其内部空间小，除提供收放起落架及存放油箱需要外，还要悬挂各种操纵面（襟翼、副翼），所以以平面假设为基础的工程计算方法已不再适用，必须寻求一种新的结构分析方法；二是小展弦比机翼的颤振分析是设计的一大关键，而颤振分析（当时认识水平上）基于准确的结构柔度影响系数矩阵（而传统的工程计算方法对此是无能为力的）。这就是说，必须找到这样一种方法，它既能给出准确的应力和变形，同时又能给出结构的柔度影响系数矩阵。
冯钟越为解决这一关键技术问题翻阅了大量的文献资料，发现国际上也在刚刚开始探索这一问题的解决方法。在众说纷纭中，冯钟越认定结构分析的矩阵方法就是出路。于是他组织人力开展研究工作，和大家一起学习讨论，弄清方法原理，试算例题。当时，设计室只有手摇式计算机，算一个１０阶矩阵代数方程，往往需要一个星期的时间。通过一段时间的摸索，对结构分析的矩阵方法初步入了门，掌握了位移法和力法的基本原理和计算步骤。
１９６１年，成立航空研究院（国防部六院）。冯钟越及时向六院提交了他亲自起草的“小展弦比机翼强度刚度研究”课题的立题报告。六院批准了冯钟越的报告，并作为六院的重点研究课题列入科研计划，由他亲自担任课题负责人，从思想上、技术上指导课题研究工作的开展。课题组成员长驻北京进行技术攻关，并得到中国科学院计算研究所的大力支持。
在课题研究中，冯钟越治学态度严谨，不仅高度重视理论研究，而且重视试验验证工作。在课题研究全面铺开的同时，他克服一切困难又亲自组织力量生产了１：５金属模型，以便进行试验对比分析；接着又进行了难度较大的机翼结构影响系数的实测工作，为课题研究工作的顺利开展和后来取得成功奠定了基础。
“小展弦比机翼强度刚度研究”课题经过３年努力，于１９６５年圆满完成了课题规定的研究任务，并提交了可供型号设计实际使用的小展弦比机翼应力分析和柔度影响系数计算的位移法、力法、直接刚度法、子结构分析法等相应的有限元分析程序，基本上接近于当时的国际水平。
从１９６４年开始，我国自行研制歼８飞机，冯钟越果断地决定把自行研制的有限元法用于歼８机翼的校核计算，使我国飞机设计采用了有自己特色的、先进的、可靠的分析方法，使电子计算机在我国自行设计的飞机上得到实际应用。该项研究成果获１９７８年全国科学大会奖。
结构分析系统——中国计算力学的里程碑
１９７５年４月，三机部六院在西安召开了飞机和战术导弹强度研究十年规划会议。根据国内外的发展趋势和各方面的迫切要求，冯钟越认为我国已经具备了研制大型通用结构分析系统的条件，建议将通用有限元航空结构分析系统研制作为强度研究的重点课题。部院同意并批准了冯钟越的建议，将航空结构分析系统的研究课题列入部院的科研工作计划，并先后任命冯钟越为结构分析系统Ｉ、Ⅱ、Ⅲ型的主任工程师。
航空结构分析系统Ｉ型（汉语拼音缩写为：ＨＡＪＩＦ１），是用于结构静力分析的软件系统。从１９７６年５月开始研制，１９７９年９月通过部级鉴定。它是我国首次研制成功的大型、通用、效率较高的航空静力结构分析应用软件系统。
结构分析系统Ｉ型，可分析结构在气动载荷、集中载荷和惯性载荷作用下的变形与应力。系统采用了有独创性的多级子结构和局部对称性分析技术，通用性强，便于分析任何形态的大型复杂结构。系统建立了面向用户的结构分析专用语言，使用灵活，易于掌握，便于组织专用程序。系统具有数据自动生成能力，大大减少了人工劳动。系统提供了自动分块加有效列和超元矩阵两种解法。系统采用了模块化结构，便于系统的扩充与修改。系统具有中断与诊断功能。
结构分析系统Ⅰ型投入使用后，提高了分析大型航空结构的能力，为飞机强度设计和研究工作提供了有力的科学计算手段，从而提高了飞机的设计质量，缩短了研制周期，是实现航空技术现代化不可缺少的基础性工作。鉴定认为：“用计算机解决大型复杂结构，建立结构分析自动化程序系统，在我国还是第一次实现，填补了国内空白，是航空工业重大科研成果，对新机研制有十分重要的意义。”大连工学院钱令希指出：“结构分析系统Ｉ型的研制成功，是我国计算力学的里程碑。”这项成果获１９７９年三机部和国防工办科技成果一等奖、１９８５年国家科技进步二等奖。
结构分析系统Ⅱ型（ＨＡＪＩＦ－Ⅱ），是用于航空结构动力分析的软件系统。该系统于１９７９年１１月开始研制，１９８１年１０月通过部级鉴定。
航空结构动力分析系统，具有结构的固有振动特性计算、主动控制系统的颤振计算和部分突风响应计算等功能。其规模具有２．８万条ＦＯＲＴＲＡＮ语句、２７个模块、３１条固定流程，结构模型可以有７０００自由度，可以计算７０个特征向量。在非定常空气动力计算中，每个翼面的空气动力分块数可达２００块，可以计算５个翼面。在颤振和突风响应计算中使用的形态可达５０个。
该系统是我国第一个航空结构动力分析系统，经过实际使用证明工作可靠，能够满足目前航空结构固有振动和气动弹性分析的迫切需要；在力学、数值计算和程序设计中采用了不少国内外７０年代后期的新技术，具有国内的先进水平。这项成果获１９８１年三机部科技成果二等奖、１９８５年国家科技进步二等奖。
结构分析系统Ⅲ型（ＨＡＪＩＦ－Ⅲ），是用于航空结构非线性分析的软件系统，１９７７年开始论证，１９８１年开始研制，１９８５年通过部级鉴定。冯钟越在完成立题论证、组成了研制工作班子、待研制工作开始起步以后，于１９８２年１０月因病逝世。
结构分析系统Ⅲ型拥有近８万条ＦＯＲＴＲＡＮ语句，具有较齐全的非线性分析功能。它在自动选取载荷增量步长、自动确定节点自由度等方面具有一定的独创性。该系统填补了我国大型结构非线性分析系统的空白，达到国外８０年代初期的先进水平。该成果获１９８７年国家科技进步一等奖。
在研制ＨＡＪＩＦ系统的同时，冯钟越还组织并指导了结构多约束优化设计系统的研制。这项工作于１９７９年开始，１９８１年结束。该系统的研制成功，把先进的有限元分析和数学规划方法有机地结合起来，为飞机结构打样设计提供了有效手段。该项目获１９８８年部级成果一等奖、１９８５年国家科技进步二等奖。
致力于航空科学技术的现代化
党的十一届三中全会以后，实现工业、农业、国防和科学技术的现代化已经提到社会主义建设的议事日程。“千里之行，始于足下”，这时，冯钟越所思考着的问题是如何改变飞机强度工作的落后面貌，尽早实现试验和计算手段的现代化，乃至整个飞机设计和制造的现代化。他认为我们试验室技术装备陈旧，要想把试验研究搞上去，必须更新装备。
１９７９年，冯钟越两次出国考察，参观了美国和联邦德国的科研机构和飞机公司，了解了两国飞机强度研究的现状和发展水平。他看了人家的，但更多的则是想到自己如何发展的问题。他说：“衡量水平的规模和标准最主要的是看计算机应用的广度和深度。”他认为，我们在强度研究工作方面不能等硬件，而要从软件的发展上尽快赶上去，并促进硬件的发展。要大力加快试验技术计算机化的进程。应该集中人力、财力，有重点有步骤地逐步实现试验技术的计算机化，改变目前仍停留于人工操作的落后状态。
飞机结构强度研究所担负着大型飞机鉴定性试验和疲劳、振动及瞬态热应力试验，而现有的试验设备技术落后、效率低、误差大、试验周期长，很难适应试验工作的要求。他积极向部院领导建议，从国外引进必需的先进设备，以加速强度研究的现代化进程。经部领导批准以后，冯钟越组成了专门的工作班子，对引进项目进行了调查论证，从而使引进的项目在技术上达到先进，在价格上比较合理。
为解决瞬态热应力试验设备的落后状态，１９７７年１２月和日本日立公司签订合同，引进日立－８０计算机系统，即计算机控制加热加载、瞬态热应力测试实时数据采集和处理系统。这套设备投入使用以后，瞬态热应力的试验技术在国内居于领先地位。
随着航空科学技术的迅速发展，对疲劳试验技术提出了更高的要求。国内研制的模拟式和数模混合式自动协调加载设备与国外通用的数字计算机控制的模拟式液压伺服加载系统相比，在性能和安全可靠性方面有着较大的差距。为改变这一落后状况，部批准从美国ＭＴＳ公司引进一套１００通道数控协调加载系统。该系统可用于１２０吨级大型飞机的疲劳试验，兼容静力试验。这是当时国内技术先进的疲劳试验设备。
为了实现飞机设计和制造的现代化，在航空结构分析系统的研制取得重大突破以后，冯钟越把研究方向转向关于实现飞机设计与制造自动化这一领域，即研制计算机辅助设计与辅助制造系统。为了寻找依据，借鉴国外的经验，他把这个课题作为１９７９年访美时考察的重点之一。在大量收集国内外信息、资料的基础上，进行了系统的立题论证工作，亲自撰写了《发展计算机辅助设计与辅助制造的途径》论证报告。１９８０年，冯钟越正式向部院领导提出“立足国内现有硬件，不失时机地开展计算机辅助设计与辅助制造工作”的建议，很快得到部院领导的支持和赞同。１９８０年底，７７６０ＣＡＤ／ＣＡＭ课题组组成，部任命冯钟越为这个课题组的主任工程师。１９８１年，他带病冒着盛夏酷暑奔波于北京、沈阳、西安、成都等地，进行调查研究和联合攻关事宜。正当７７６０ＣＡＤ／ＣＡＭ的研制工作开始起步的时候，１９８２年１０月，冯钟越不幸病逝。７７６０ＣＡＤ／ＣＡＭ系统于１９８６年研制成功，并获１９８８年国家科技进步二等奖。
来源：《中国科学技术专家传略》
