1. 造船技术发展的三个阶段

宋元时期海上丝绸之路贸易繁盛的原因是宋朝在经济上采用重商主义政策，鼓励海外贸易，海上丝绸之路发展进入鼎盛阶段。

宋代的造船技术和航海技术明显提高，指南针广泛应用于航海，中国商船的远航能力大为加强。宋朝与东南沿海国家绝大多数时间保持着友好关系，广州成为海外贸易第一大港。

宋代海上丝绸之路的持续发展，大大增加了朝廷和港市的财政深收入，一定程度上促进了经济发展和城市化生活，也为中外文化交流提供了便利条件，并制定了堪称中国历史上第一部系统性较强的外贸管理法则。海上丝绸之路发展进入鼎盛阶段。

2. 中国造船三个时期

唐宋时期为我国古代造船史上的第二个高峰时期。我国古代造船业的发展自此进入了成熟时期。

秦汉时期出现的造船技术，如船尾舵、高效率推进工具橹以及风帆的有效利用等等，到了这个时期得到了充分发展和进一步的完善，而且创造了许多更加先进的造船技术。

隋朝是这一时期的开端，虽然时间不长，但造船业很发达，甚至建造了特大型龙舟。隋朝的大龙舟采用的是榫接结合铁钉钉联的方法。用铁钉比用木钉、竹钉联结要坚固牢靠得多。隋朝已广泛采用了这种先进方法。 到了唐宋时期，无论从船舶的数量上还是质量上，都体现出我国造船事业的高度发展。具体来说，这一时期造船业的特点和变化，主要表现在以下几个方面： 一是船体不断增大，结构也更加合理。船只越大，制造工艺也就越加复杂。唐朝内河船中，长20余丈，载人六七百者已屡见不鲜。有的船上居然能开圃种花种菜，仅水手就达数百人之多，舟船之大可以想见。宋朝为出使朝鲜建造了“神舟”，它的载重量竟达1500吨以上。有的大海船载重数万石，舵长达三五丈。唐宋时期建造的船体两侧下削，由龙骨贯串首尾，船面和船底的比例约为10∶1，船底呈V字形，也便于行驶。 二是造船数量不断增多。唐宋时期造船工场明显增加。唐朝的造船基地主要在宣(宣城)、润(镇江)、常(常州)、苏(苏州)、湖(湖州)、扬(扬州)、杭(杭州)、越(绍兴)、台(临海)、婺(金华)、江(九江)、洪(南昌)以及东方沿海的登州(烟台)、南方沿海的福州、泉州、广州等地。这些造船基地设有造船工场，能造各种大小河船、海船、战舰。唐太宗曾以高丽不听勿攻新罗谕告，决意兴兵击高丽。命洪、饶(江西波阳)、江三州造船400艘以运军粮。又命张亮率兵四万，乘战舰500艘，自莱州(山东掖县)泛海取平壤。可见唐朝有极强的造船能力。到了宋朝，东南各省都建立了大批官方和民间的造船工场。每年建造的船只越来越多，仅明州(浙江宁波)、温州两地就年造各类船只600艘。吉州(江西吉安)船场还曾创下年产1300多艘的记录。 三是造船工艺越来越先进。唐朝舟船已采用了先进的钉接榫合的联接工艺，使船的强度大大提高。宋朝造船修船已经开始使用船坞，这比欧洲早了500年。宋代工匠还能根据船的性能和用途的不同要求，先制造出船的模型，并进而能依据画出来的船图，再进行施工。欧洲在16世纪才出现简单的船图，落后于中国三四百年。

宋朝还继承并发展了南朝的车船制造工艺。车船是一种战船，船体两侧装有木叶轮，一轮叫做一车，人力踏动，船行如飞。南宋杨幺起义军使用的车船，高二三层，可载千余人，最大的有32车。在与官军作战时，杨幺起义军的车船大显了威风。古代船舶多是帆船，遇到顶风和逆水时行驶就很艰难，车船在一定程度上克服了这些困难。它是原始形态的轮船。 唐代，人们已能认识到北起日本海，南至南海的风有规律德到来和结束，这种与航行有关的季风成为“信风”。在利用这些信风航行的同时，人们已能正确地归纳和总结出这些信风的来去规律。如义净正是借着对南海季风、北印度洋及孟加拉湾的季风和洋流规律的认识和利用而乘船到达东南亚室利佛逝国而还归中国的。同时唐代人儿你们对海洋气象有了进一步认识，已能利用赤云，晕虹等来预测台风。 唐代天文定位术的发展，集中体现在利用仰测两地北极星的高度来确定南北距离变化的大地测量术。开元年间天文学家憎一行已可以利用“复矩”仪器来测量北极星距离地面的高度，虽与实际数字有一定的差距，但这是世界首次对子午线的实测，而且这种测量术很可能已经在航行中使用。唐代航行者已掌握利用北极星的高度而进行定位导航 。

宋以前的航海指引，一般是凭天象、天体识别方向，夜以星星指路，日倚太阳辨向，至北宋时期，航海技术开始了重大的突破，已能利用指南针航行。而指南针的应用，在南宋时期发展成罗盘形构，随着精确度不断提高，应用越来越广泛海上航行已逐步依靠指南针指示方向，比北宋时期更为进步。也促进了中外海上交通的发展。指南针应用于航海，是世界人类文明史上的重大突破，对世界文明文化的发展作出了重大的贡献。 在两宋时期，有关海图的记述已十分明确，如徐兢的《宣和奉使高丽图经》和刘豫献于金主亶的海道图等，都说明了当时海图的发展。海上交通航线的发展，为海道图的产生创造了条件。

海道图的产生出现，是人类海洋知识不断积累的结果，为人类进一步征服海洋，发展海上交通事业，提供了更多的技术工具与技术知识。

在海洋地理识别探测方面也有较大进步。根据天气变化确定方位，判断环境。并已懂得利用长绳系砣测量海深，并从砣底所粘附的海底泥沙判断航行位置及情况。而且还能利用季风航行，其驾驭风力的技术也具有相当水平。

在海上航行安全方面也有一定的保障措施。利用信鸽作为海上交通工具。并已能进行水下修补船只，防止渗漏致沉。由于航海技术不断提高，令两宋时期的对外海上交通更具安全，航向更为稳确，航行时间也大为缩短，有利于中外海上交通贸易的进一步发展。

3. 船舶建造有哪些工艺阶段

1、舟筏时代

人类以舟筏作为运输、狩猎和捕鱼的工具，至少起源于石器时代。中国1956年在浙江出土的古代木桨，据鉴定是四千年前新石器时代的遗物。说明舟筏的历史，可以追溯到史前年代。

2、帆船时代

据记载，远在公元前四千年，古埃及就有了帆船。中国使用帆船的历史也可以追溯到公元以前。从15世纪到19世纪中叶，是帆船发展的鼎盛时期。15世纪初中国航海家郑和远航东非，15世纪末C.哥伦布发现新大陆，他们的船队都是由帆船组成的。

在帆船发展史中，地中海沿岸地区、北欧西欧地区和中国都曾作出重大贡献。19世纪中叶美国的飞剪式快速帆船，则是帆船发展史上的最后一个高潮。不同地区的帆船，在结构、形式和帆具等方面各有特色。

3、蒸汽机船时代

18世纪蒸汽机发明后，许多人都试图将蒸汽机用于船上。1807年，美国人R.富尔顿首次在“克莱蒙脱”号船上用蒸汽机驱动装在两舷的明轮，在哈德逊河上航行成功。从此机械力开始代替自然力，船舶的发展进入新的阶段。

4、柴油机船时代

柴油机船问世后，发展很快，逐渐取代了蒸汽机船。第二次世界大战结束后，工业化国家经济的迅速恢复和发展，国际贸易的空前兴旺，中东等地石油的大量开发，促使运输船舶迅速发展。

4. 我国造船业的发展的第三个高峰时期

促使宋代成为海上商业帝国的第三个因素就是造船工艺和航海技术的进步，宋代的造船业是中国帝制社会的第二个高峰，它的造船技术在当时远远居于世界前列。

宋代的造船坊可造五千料的大船，载重量可达数万斛，而且船只速度快，船身稳，能调节航向。

并且由于宋代船只选材优良，制造工艺精湛，结构合理，船体坚牢，因此即使是小一些的船只也能够驰骋在海上，再加上指南针的发明和使用，这些都为发展海外贸易提供了前提和保障，所以两宋时期开启了一个航海的大时代。

5. 什么的造船技术

中国是世界上造船历史最为悠久的国家之一，在历经几千年的发展中，中国古代造船技术取得了极其辉煌的成就，更在相当一段时间，遥遥领先于世界。在中国1.8万公里漫长的海岸线中，中国的文明一直与大海有着密不可分的联系。得天独厚的自然条件，使中国造船技术从古代开始就拥有着令世界各国所赞叹的伟大成就。

6. 造船模式演变的五个阶段

互联网+”已深入社会各领域，有“综合工业之冠”的船舶业在物联网、大数据、云计算等技术的影响下，传统基础设施和创新要素日益变化，行业生态体系和发展模式遭遇严重挑战。在“互联网+”影响下，船舶业呈十大发展趋势。

船舶生态体系加速重构

能给船舶业带来革命性变化的技术已经到来，并趋向成熟，这就是信息化时代互联网下的物联网、大数据和云计算技术。其所引发的不仅仅是生产力的指数级提升，更是生产关系的颠覆，正重新构建、擘画人类生产方式变革和生活方式调整发展新蓝图。航运、造船、配套及相关技术、生产等资源的优化配置和发展方式的转变，催生的智能化技术装备、协同化创新体系、柔性化生产方式、集约化资源利用、精准化管理模式不断重塑新时期船舶业竞争新优势，对传统行业生态体系新格局进行颠覆，加之通过生态系统的有效性和用户黏性，逐步建立包含供应商、销售商、客户、竞争对手和科研机构以及政府单位等相关经济协助发展船舶业联合体，越来越多地表现为产业生态系统的竞争，传统行业的互联网化已成为未来船舶业的一张“生死牌”。

管理模式网络量子化

信息化时代，传统行业从单一部件、单机设备、单一环节、单一场景的局部小系统不断向整体大系统、全局巨系统演进，从部门级到企业级、产业链级乃至产业生态级不断演进，并形成相互作用的复杂网络，突破地域、组织、机制界限，通过对大规模信息技术数据应用，实现人、财、物资源和要素的高效整合，有计划按比例地提供强有力的革命性手段进行社会经济运行调节，对传统的管理思想和模式产生颠覆式改变。在目前经济低迷和船舶企业纷纷进行资源优化整合之际，精益管理综合作用凸显，成为推动船舶企业发展不可或缺的管理理念。借助信息化手段改造企业内部每一个流程，将科层制管理模式转为网络式管理模式，构建精简高效的扁平化组织结构，改造企业客户间关系，充分发挥员工的积极性和主动性，挖掘潜在智慧，“互联网+”式网络量子化管理成为企业新的生产力。

大数据成战略核心力量

数据，已经渗透到当今每一个行业和业务领域，成为重要的生产因素，一个大规模生产、分享和应用数据的时代正在开启，对数据的挖掘已成为企业竞争力的重要来源，而云计算则是开启大数据应用新领域的“金钥匙”。作为“综合工业之冠”的船舶业，是劳动、资金、技术密集型产业，涵盖航运、造船、船舶配套以及相关服务等产业链，并涉及机电、钢铁、化工、航运、海洋资源勘采等上下游产业，庞大的人群和应用市场，复杂性高，充满变化，使得船舶业当之无愧成为最复杂的大数据行业。船舶业却是个数据应用贫乏的行业，未来的船舶企业必须学会如何处理及如何使用数据。解决由大规模数据引发的问题，探索以大数据为基础的解决方案，将成为船舶业转型升级、效率提高的重要手段，大数据将成为未来船舶企业的战略核心力量。

万物互联平台模糊产业边界

近年来，互联网不断推动着各行业生态的改变，制造业更是经历前所未有的转变，国家战略上的纷纷布局：美国的“工业互联网”和中国的“两化融合”，国际巨头更是加快构建工业云和智能服务平台，加快全球战略资源的整合步伐，抢占规则制定权、标准话语权、生态主导权和竞争制高点，通过丰富开发工具、开发应用接口、共享数据资源、建设开发社区，构建以自己为中心的星状网络数据处理平台，以形成赢者通吃的市场局面。

智慧航运突破传统航运思维

信息化技术的应用、船舶技术的创新将引发航运管理变革和服务进步。基于互联网、大数据、云服务等技术手段，整合船舶的设计、生产、制造、使用、维护、售后、物流各个环节，在运营公司、设计建造商及设备商等之间建立起更全面的生产关系。将智能系统在船舶设计建造阶段就纳入后期航运运营考虑，引入大数据挖据技术，提高航运服务的标准化和信息化程度，提供更稳定、更易维护、更具弹性的在线订舱服务。运营过程中清晰规划运输船舶航程和航站，推进航运思维、理念及商业模式的“智慧”化。

智能船舶成必争之地

过去船舶更多侧重于船舶基本功能的实现，未来的船舶将在互联网技术下，会更加关注设备的智能化、系统的智能化甚至整体船舶运营的智能化，智能船舶将会应运而生。智能船舶的发展要充分利用现有条件，从环境、能源、材料、空间、电子、机械、导航、物联网、大数据、云计算等多个领域建立实体和虚拟设施，实现操纵系统、航行系统、设备技术、节能技术甚至生产系统等的智能化，逐步形成能自感知、自评估、自预测、自组织、自重构于一体的船舶，实现信息与实体智能耦合全过程。DNV GL集团2014年曾发布一份名为《未来航运业》的报告，提出智能船舶这一新概念。2015年中国政府发布的《中国制造2025》明确将智能船舶作为重点发展的领域。可见未来智能船舶将决定各国船舶工业在船舶市场的地位，成为各大造船国家现今进行的必争之地也就理所当然了。

智能制造发展趋势势不可挡

大数据背景下，智能制造已成为船舶制造与航运领域发展的趋势，“互联网+”促使船舶企业借助物联网、大数据、人工智能取代封闭的生产制造系统，提高制造系统柔性化、自动化和智能化水平，通过信息物理融合系统，用IT把设计源头与工厂的各个末端连接起来，实现人、产品、设备完全交互，牵引着传统工业发生革命性的演变。搭建设计、生产、采购等业务“一体化”智能生产流程设施，建立智能化的生产系统和车间物流系统，使智能化设备机器代替人工操作的机器，通过云技术把所有生产资源都连接起来，使目前的半自动化、全自动化生产系统向智能化生产系统转变，实现船舶的定制化与规模化、个性化与普适化、虚拟与实体、微观与宏观、当前与未来的结合。

科创模式及资源要素全球化

在“一带一路”战略规划下，中国船舶业要实现转型升级，必须爬全球价值链高端的这个“坡”，过核心技术这道“坎”。基于此，船舶企业纷纷联合政府机构、科研院所和高校等单位，建立国家级高新技术船舶实验室，搭建“官、产、学、研、用、检”全产业链良性循环、可持续发展的生态体系。越来越多的科技型企业更是打破传统的内部研发模式，跨越组织边界，开始更多地利用和整合外部的社会力量来进行创新。

技术产业化成发展新方向

伴随国家制造业的转型升级，船舶业必将迎来跨越式的发展，在物联网等信息技术的支撑下，为满足未来客户大批量个性化需求，企业设计纷纷转型改制，基于互联网进行全球资源优化整合、科技创新发展和设计模式转变，从封闭型的单纯向企业提供设计向工程技术总承包的开放式模式转变。工程技术公司更是通过全产业链、全生命周期的工程EPC能力和国际市场拓展能力运营模式，围绕集约航运、绿色航运、安全航运、智能航运主题，进行新船型开发、船舶性能优化、航运安全、航运效率、节能减排、航运信息化等学术前沿和关键问题研究，为客户提供技术咨询服务，输出设计技术，转让设计方案、技术标准、专利技术及科技成果，抢占市场订单赢得市场份额，提升船舶国际市场的竞争力。

产融结合重建行业竞争格局

在“互联网+”形势下，针对巨大的船舶业全产业化规模和特色的个性化发展需求服务推出明显不足，引导社会资本和商业银行创新面向船舶业构建一种高效快速匹配资源的产融结合经营模式，金融直接投资产业，股权收益补偿，形成合理的收益分享、风险共担机制，愈来愈受到资本和产业的关注和追捧。随着市场发展趋势，船舶业也在实施产业科技和金融融合战略，联合系统内投资企业就某一产业进行研究，评估并实施解决方案利用上海船研所技术优势，借助上市公司资金投入，将重组客户、供应商、销售商以及企业内部组织的关系，重构生产体系中信息流、产品流、资金流的运行模式，重建新的产业价值链和竞争格局。

7. 船舶建造阶段

中国的造船工业是目前距离发达国家差距最小的产业。2009年中国工业化报告指出，我国造船工业目前已经达到了世界最先进水平的60%以上。

我国目前和日韩造船工业主要差距在：

1 产品结构不算非常先进。尽管我国目前也能建造诸如LNG船，FPSO，深海钻井平台等高附加值海洋工业产品，但是数量和比例仍有较大差距。韩国目前垄断了世界70%以上的LNG船订单。

2 关键技术有待突破。比如船用引擎，船用机电设备等等。大型船用引擎我国目前只能在法国，德国授权下生产，一些关键部件（柴油机密封装置，电子控制部件）仍不能自主制造，或者质量远不能和其相比。

3 管理方面。这属于软件上的差距。

不过我国造船工业已经进入了高速发展阶段，相信未来10年将会是我国造船工业的一个腾飞期，大大缩短与日韩等国的差距。

8. 造船模式演变经历的四个阶段分为哪四个阶段?

最近几年造船业快要处于饱和状态了，现在造船行业人才很缺.特别是设计人员与高级的技术人员的。这个行业工作很辛苦。管理方面的人才也很需要的。

发展来看的话，中国的造船业相对来说没有韩国、日本的效率高。现在中国的造船行业处于发展阶段，还没有进入技术阶段.

9. 现代造船模式经历了几个发展阶段

结构工程是人类文明的脊梁。人类最早的结构大概是利用天然条件的巢居和穴居，后来发展为自己凿户建房而住。我国早在三千年之前的《周礼》这部书的《考工记》中就已经记载了各种建筑的形制。到了汉代在王延寿的《鲁灵光殿赋》中说：“于是详察其栋宇，观其结构。”出现了结构的专名词。

随着人类文明的发展，人类所建造的结构种类愈来愈多，愈来愈复杂。继房屋结构之后，又出现了道桥、车船、水利、机器、飞机、火箭、兵器、化工设备、输电等各色各样的结构。

雅典女神庙，坐落于雅典卫城，建于438B.C.是古希腊建筑的典型例子

随着结构种类的多样化和复杂化，结构的概念也在扩展。目前，所谓结构，是指凡是能够承受一定荷载的固体构件及其系统的人造物都统称为结构。从更广义的意义上说，凡是承受一定载荷的固体构件及其系统自然物，如植物的根、茎、叶、动物的骨骼、血管、地壳、岩体等也可以看作结构。

结构的发展紧密地和结构材料与结构力学有关。前者可以看作结构工程的硬件，后者可以看作结构工程发展的软件。

无论是东方还是西方，在使用钢、混凝土为主要建筑材料之前，时间最长的是以石、木、砖为建筑材料。具体来说，西方多以石料作建筑材料，而我国和东方各国多以砖、木为建筑材料。木结构不耐火，也不耐腐蚀，所以我国存世古建筑历史很长的不多。

应县佛宫寺释迦塔（公元1056年）

1774年，英国工程师斯密顿（J.Smeaton）在建造海上灯塔时石灰。粘土、砂混合物砌基础，效果很好。1824年英国石匠营造者亚斯普丁(J. Aspdim，1779-1885)取得了烧制水泥的专利，因其与波特兰地方的石材很相近，所以称为波特兰水泥。法国1840、德国1855设水泥厂。1970年世界每人每年使用水泥156公斤。

19世纪中叶之后，炼钢技术得到普及于是在结构上普遍采用钢铁。1859年英国建成世界上第一艘钢船。1846年英国在北威尔士建成布瑞塔尼亚铁路大桥（1846，铁管）1873年英国伦敦建成跨泰晤士河的阿尔伯特吊桥，最大跨度384英尺。

布瑞塔尼亚大桥（1846，铁管）

在人类有了水泥、钢铁等现代材料之后，结构的形式速度复杂化。

结构力学，一直是结构设计的理论基础。它的基础是经典力学、弹性力学、塑性力学、弹性体的振动与波的理论、以及弹性体平衡的稳定性理论。

19世纪和以前的结构力学研究

在结构力学研究的历史上，最早是静力学的研究，因为在以砖石木为主要结构材料的时代主要遇到的问题是结构的平衡问题。后来才发展到有关强度的研究。

人类研究得最早的结构元件是梁。达·芬奇在他的手稿中研究和讨论了柱所能承受的载荷。伽利略在他《关于两种新学科的对话》（1638年）提到、考查了固定端悬臂梁的承载能力的问题。马略特作了伽利略所作的实验，由于他们的截面上平衡条件都不对，所以结果的系数都不正确。雅科比·伯努利（Jacob Bernoulli，1654－1705）关于梁的研究，这就是现今人们所称的伯努利梁理论。

结构力学的其次一种重要元件。基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff 1824-1887)在1850年发表了平板问题的重要论文，文章纠正了以往关于平板问题边界条件的错误。基尔霍夫采用虚位移原理推导板的边界条件，指出对于求解平板问题只要两个边界条件便够了。他正确地求解了圆板的振动问题。在建立平板问题的方程时，他假定：

变形时垂直于中面的直线仍保持为直线，变形后还垂直于中面；

中面的元素在变形时不伸长。

这个简化平板问题的假设现今仍在使用，被称为直法线假设也称为基尔霍夫假设。1888年，英国人乐甫（Augustus Edward Hough Love1863－1940）利用基尔霍夫对平板问题的假设导出了弹性薄壳的平衡方程，至今这个假设被人称为基尔霍夫――乐甫假设。

实际的工程结构往往不是单一的构件，而是构件的复杂系统。早期精确的固体力学是在单个构件上进行研究，如梁的弯曲、柱的扭转等。后来随着近代工业的发展，越来越多地要求对复杂的结构系统进行研究。早期在静力学发展成熟时，就有处理多个构件的静力平衡问题的研究，现在，在有了变形体力学之后，有关变形固体的多个构件的内力与变形分析问题也便很自然地提到日程上来了。

结构力学的内容十分广泛，吊桥、拱、桁架、梁、弹性地基、挡土墙等等。他的应用又涉及铁路、公路、造船、机械、水利、等众多的工程部门。所以随着现代工业的发展它的内容也逐渐丰富了起来。

1. 连续梁的理论

纳维是实际上处理连续梁的最早学者。他在1825年的论文中最早给出了处理这一问题的三弯矩方程。但还不是现在的形式。真正现在形式的三弯矩方程是克拉珀龙（B.P.E.Clapeyron,1799－1864）于1849年在重建巴黎附近的一座桥梁时发展出来的，到1857年才以论文的形式发表。1855贝尔托（H.Bertot）的论文最早提到了三弯矩方程。

2. 麦克斯韦耳及其对桁架的研究

1864年麦克斯韦耳总结他关于桁架研究的一般结论。他已经可以区分静定与超静定桁架。对于静定桁架，麦克斯韦耳在前人的基础上简化了用作图的方式去求桁架的内力。对于超静定桁架，麦克斯韦耳从能量法导出了解超静定结构的一般方法。大约在10年之后，他的这个方法为莫尔(O. Mohr，1835－1918)加以整理，给出规范的形式，这就是目前通用的力法，又称为麦克斯韦耳――莫尔方法。

3. 卡斯蒂利亚诺定理

卡斯蒂利亚诺(A.Kastiliano，1847-1884)是意大利工程师。1873年他的工程师学位论文在1875年正式出版。论文中包含了现今称为的卡斯蒂利亚诺定理与单位荷载法等结构力学的经典内容。

他的定理是，若将变形能写为广义力的函数

Pi（i=1，2，...，n）为广义外力，则有

20世纪结构力学的进展

求解超静定结构的力法是19世纪末就建立了。用形变法求解超静定刚架结构是20世纪初最早由本笛克森（Axel Bendixen）在1914年给出的。这种方法求解较多未知量问题时，在30年代由克罗斯（Hardy Cross）提出了一种逐次近似的方法，称为松弛法。这个方法在美国很快得到了推广。

随着人类文明的发展，结构变得越来越复杂。从本世纪开始，从建筑、造船、航空、桥梁、车辆、起重机械、大型水坝、隧道与地下结构等等方面不断提出越来越复杂的结构课题，需要对它们的强度进行分析。

为了对这些复杂结构进行分析，人们不得不引进一系列假设对结构进行简化。这种简化在现在看来未免过于粗略，但是它是人类在处理简单结构到迎来计算机时代之间的一种过渡手段。

例如，拱坝是一种比较复杂的结构，要想准确分析它，需要求解变厚度壳的方程，那是十分复杂的计算工作。美国在1929年采用了一种称为“拱贯梁”的近似方法，这种方法是把坝在水平方向分为若干条拱，在铅直方向分为若干条梁，然后利用载荷分配的方法逐步近似求解。在电子计算机出现后，拱贯梁法已经被淘汰，但它的确在历史上起过重要作用。

结构的复杂化是沿着两个方向发展的，一个方面是构件简单，例如梁与杆，但是用它组成越来越复杂的系统，未知量成百上千，另一方面是发展复杂的构件，板、壳及其组合系统。板壳理论到乐甫时代，就已经建立了，到20纪30-40年代又有一个大发展的阶段。这时提出与解决了一批新的问题，如稳定性问题、非线性板壳问题、板壳的一般理论问题等。

俄国杰出的工程师帕颇考维奇（П.Ф.Папкович，1887－1946）于1947年出版的《船 舶结构力学》两大卷，是20世纪早期研究复杂结构成果的总结。

计算结构力学的发展

人类研究计算工具有很久的历史，从算筹、算盘、手摇计算机、电动计算机，已经有几千年了。1945年在美国诞生的电子计算机既是计算工具的革命，又是牵动整个科学技术的大革命。

最早的电子计算机ENIAC的设计方案是莫希利（J.W.Mauchly，1907-1980）提出的。研究小组的总工程师是埃克特（J.P.Eckert，1919-）。1945年底，ENIAC宣告竣工。

计算机一旦来到世界上，便受到人们的热情关注与不断改进。先后经过了四次换代：从1945年到1958年以电子管来制造计算机为第一代，从1959年到1963年以晶体管来制造计算机为第二代，从1964年到70年代初以集成电路来制造计算机为第三代，从70年代以后用大规模集成电路制造巨型计算机为第四代。特别是，从70年代中开始的微处理机，使计算机的性能大大提高，并且由于价格便宜使计算机大为普及。据有人统计，从1945年第一台计算机诞生起，计算机的性能每18个月提高一倍，计算机的价格每18个月降低一半。

自有史以来人类发明的各种工具，都是延长人的器官，如望远镜、显微镜是延长人的眼。而计算机则是延长人的脑。所以人们又把计算机称为“电脑”。计算机从它的原理、设计、制造与应用已经形成了一个新的庞大的学科群，这就是计算机科学。

在20纪初，英国著名的力学家乐甫在他的名著《数学弹性理论》一开头，总结力学发展的规律时说：定理越来越少，计算越来越繁。意思是说一些有比较狭义意义的定理被一些更广泛意义的定理所包含，而计算公式越来越复杂。因而力学研究极大的困难在于计算太慢。计算工具太慢就成为力学研究与发展的瓶颈。

美国人发明电子计算机的初衷也正是为了解决计算弹道这个典型复杂的力学问题开始的。计算机的产生使力学学科发生了巨大变化。结构分析、弹道计算、空气动力计算、数值天气预报、渗流与地下水的运动规律、天体力学中的轨道计算等等越来越多、越复杂的问题都可以交给计算机计算了。

计算机产生后，力学学科的研究手段，从只有理论、实验，增加为理论、实验与计算三种手段。计算机的强大威力淘汰了一些不适应计算机的过时方法，适应计算机的特点发展了新的计算方法，在计算机的帮助下发现了许多新现象，如奇怪吸引子与混沌就是在计算机的帮助下发现的。

计算力学这一名词的出现大约是50年代末的事情。它是研究借助计算机求解力学问题、探索力学规律、处理力学数据的新学科。计算力学又是力学、数学、计算机科学的交叉学科。

在计算机发明后的早期，用计算机求解力学问题或别的问题仅仅利用了计算机快这一优点。紧接着而来的问题是程序工作量不能适应计算机的高速度。一台计算机需要数以百计的工作人员编程序才能喂饱。于是编写程序又成了合理使用计算机的瓶颈。人们想出了许多方法去解决这一困难。从50年代先后出现的符号汇编语言、FORTRAN语言、ALGOL语言等以及随之而迅速发展起来的软件产业，就是为解决这一问题应运而生的。

在适应于计算机求解力学问题节约程序人力方面，最成功的就是有限元方法的产生与发展。它的产生也是计算力学作为力学一个独立的分支学科形成的标志。

有限元法的思想尽管可以追溯得更早，如有人说有限元的思想是40年代美国人库朗（R.Courant）在1943年提出来的，有人说有限元是加拿大人辛格（J.L. Synge）在40年代提出来的，更有人说有限元是欧拉的折线法就包含的，还有人说在东汉刘徽的割圆术就是有限元法，不一而足。当然这些说法也不是完全没有道理。因为有限元法的思想的确是有一部分同上述人的工作有点联系。但是要知道，有限元法是同计算机紧紧相联系的。

事实是，在50年代中期世界各国都有一批人在思考用计算机求解结构力学与连续介质问题。如曾经在英、德工作过的希腊人阿吉里斯（J.H. Argyris）1956年、美国的特纳（M.J. Turner）、克拉夫（R.W. Clough）与马丁（H.C. Mardin）在1956年、苏联的符拉索夫（В.З.Власов）在50年代、中国的冯康在60年代初都提出了帽子函数插值或单元刚度的矩阵表示。所以很难说有限元的思想是那一个人的发明，它是一种世界性思潮的产物。

不过在有限元法的发展历史上的重要事件是，50年代末加利福尼亚大学伯克利分校的威耳孙（E.L. Wilson，1930－）在克劳夫指导下的博士论文《二维结构的有限元分析》，该论文于1963年完成了世界上第一个解决平面弹性力学问题的通用程序。这个程序的主旨是借助于它解算任何平面弹性力学问题不需再编程序了，只要按说明输入必要的描述问题的几何、材料、荷载数据，机器就可以进行计算，并且按照要求输出计算结果。

有限元法的程序一经投产，立刻显出它的无比优越性，原来在弹性力学领域内对付平面问题，只有复变函数方法与平面光弹性方法两手，这两种方法在有限元法的对比下便渐渐退出了历史舞台。

威耳孙在有限元程序系统方面后来还进行过许多有意义的研究，他编写了有限元的多种单元的程序SAP (Structural Analysis Program)，在他的指导下，他的研究生编写了非线性结构分析程序NONSAP，1981年他还最早编写了适应微处理机的程序SAP81。

SAP程序经曲圣年、邓成光、吴良芝等移植与修正、SAP81程序经袁明武扩充改造形成独立的版本SAP84，这两个程序在我国工程建设中发挥了重大作用。NONSAP经过美国巴特(Bathe)的改进形成有世界影响的非线性分析程序ADINA。

随后，结构分析的有限元软件迅速发展。包含二维元、三维元、梁单元、杆单元、板单元、壳单元、流体单元等多种单元、能解决弹性、塑性、流变、流体以及温度场、电磁场各种复杂耦合问题的软件以及软件系统不断出现。在10多年内生产与销售有限元软件形成了有相当规模的社会新产业，而且使用有限元法解决实际问题迅速在工程技术部门普及。

1960年克劳夫在匹兹堡举行的美国土木学会电子计算会议上的《平面应力分析中的有限元法》是最早提到有限元的论文。之后有限元的论文、文集、专著大量涌现，专题学术会议不断召开。新的单元、新的求解器不断提出，先后有等参元、高次元、不协调元、拟协调元、杂交元、样条元、边界元、罚单元等不同的单元，有带宽与变带宽消去法、超矩阵法、波前法、子结构法、子空间迭代法等求解方法，还有网格自动剖分等前后处理的研究，这些工作大大加强了有限元法的解题能力，使有限元方法逐渐趋于成熟。1988年出版的《有限元法手册》是有限元法发展的一个阶段总结。

应当注意的一些研究方向

计算力学的迅速发展，以及为他所取得的成功所鼓舞，使得一些学者对于计算力学的成就产生了过分乐观的估计。例如在20年前美国就有人说，再过10年风洞就要被计算机代替，20年过去了，计算机还不能取代任何风洞。计算力学所取得的成就，大体上说，对于可以用线性理论来近似的那些问题，靠计算机大部可以较好地解决了，可是对于实质上是非线性的那种力学问题，目前计算机几乎还是无能为力的。

钱学森先生说，力学“是一门用计算机计算去回答一切宏观的世纪科学技术问题，计算方法非常重要；另一个辅助手段是巧妙的实验。”如果说，目前在宏观力学问题中线性问题有百分之九十的可以依靠计算机来求解，百分之十靠实验求解，那么在非线性领域内，情形正好反过来。所以自从计算力学这个学科产生以来，它努力的方向就有两个方面。一方面对于线性问题，主要是扩大它求解问题的规模；另一方面，对于非线性问题来说，在努力寻求计算方法。

近年来非线性问题的求解已经成为计算力学学科发展的主攻方向了。现在看来钱学森先生的看法对于宏观问题中的线性问题，已经是一种现实，而对于宏观问题中的非线性问题，这只能当作计算力学这一学科的努力方向，我们还必须准备走很长的路。

从60年代开始，在结构分析的有限元程序中，逐渐计入非线性项。例如讨论结构材料的塑性性质的，称为物理非线性问题，讨论结构的大变形引起的修正，称为几何非线性问题。最初的计算方案都是采用荷载增量法，即逐步给荷载一个小的增量，求相应的变形增量。

大约从60年代末，人们在实际解题中发现有的问题在荷载达到极大值时计算机总是溢出而停机。这个问题困惑了人们许多年，直到70年代末80年代初才解决。1971年美国学者温泊纳（G.A.Wempner）、1978年荷兰学者瑞克斯（E.Riks）分别从理论上提出解决这个问题的方法，80年代初人们在程序上实现了这个方法。这个方法后来被称为弧长法。

计算机登上历史舞台后，首先在力学中与结构分析结合形成计算力学。这时又提出结构优化问题与结构控制问题。即在给定的荷载与功能要求的条件下借助于计算机寻求最优的结构形式与结构参数，或在一定的外力条件下寻求最优的控制力使结构的内力或位移符合要求。近年来，一种能在电信号刺激下可以很快产生应变反应的材料出现了，人们称之为电流变材料或智能材料，将这种材料用于结构上，给它一定的电信号，结构就可以迅速作出所需要的反应，这种结构也被称为智能结构。对于智能结构的研究是近年来兴起的一个重要研究方向。

结构的优化设计是计算力学中一个重要的非线性研究领域，它的主要目的是在满足一系列条件下（这些条件也被称为约束）寻求结构最优参数。通常这类问题是非线性的，而且计算量非常大，只有靠计算机的帮助才能解决。在钱令希（1916－）教授的大力提倡、组织与推动下，大连理工大学的程耿东、钟万勰得到了一些重要结果，结构优化的研究在我国有很好的发展。

求解非线性问题紧接着而来的是遇到分叉的问题。在有限元的通用程序中，对于结构稳定性的问题，通常是将问题化归于一个特征值问题，它的基础还是线性理论。在用非线性程序来求解时，往往由于遇到分叉而不能前进。这是因为在分叉点结构的总体刚度矩阵退化问题无法继续求解。

为了克服这一困难，对于高维系统中的平衡解的静分叉以及霍普夫分叉，人们又发展了一系列的方法，但是在实践上还不能说已经彻底解决了。这方面的总结可参阅武际可与苏先樾著的《弹性系统的稳定性》一书（科学出版社，1994年）。关于高维系统的同宿轨道与异宿轨道的计算，以及高维系统向混沌转化的计算，迄今仍是难题。

10. 造船技术的发展历史

陆上交通靠车马，水上交通靠舟船。历经沧桑的我国古代造船业在当时是雄踞世界前列，西方欧洲也是望尘莫及。

历史悠久的我国造船业起步于遥远的原始社会的新时期时代。在发展过程中，经历了三个高峰时期：秦汉时期、唐宋时期和明朝时期。

先秦时期

大自然各种常见现象的反复出现，启迪了我们祖先的思想，从“伏羲始乘桴”和“伏羲氏刳木舟”等远古传说，都非空穴来风，都是根据自然现象人民想象创作出来的。在远古社会，人类以捕鱼、打猎为生，不可避免过河下水，于是就有木舟、木筏。

关于远古祖先制作独木舟和木筏的故事，古书已有记载，大禹治水而制作木舟的故事就很精彩。当然，神话传说毕竟是神话传说，不能等同现实看待，但是它在一定的程度上也反映了当时的某些社会现象，毕竟神话传说是人们通过生活的启迪加上想象创作出来的。

随着人类文明的不断进步，人们也在不断的追求水上交通工具的变革，由最初的木舟和木筏逐渐发展到木板船，最早出现的木板船叫舢板，原名“三板”。几千年来，人们在使用中对三板船不断改进，使它逐渐完善。在当时，人们还受木筏制造原理的的启发，造出了舫，也称“方”、“枋”“方舟”“方船”“枋船”，有时也写作“航”。

在这期间人们对船还没有一个严格的等级规定，一直到周代开始对乘船有了严格的等级规定：天子乘坐“造舟”，诸侯乘坐“维舟”，高级官员乘坐“方舟”，一般官吏乘坐“特舟”，普通百姓只能乘坐“桴”。“造舟”由多只船体构成，“维舟”由四条船只构成，“方舟”由两条船只构成，“特舟”是单体船，“桴”顾名思义就是木筏和竹筏。

到了春秋战国时期，我们南方已经出现专设的造船工场——船宫，同时也有了战船的记载。据史料记载，吴国就是凭借这战船的优势先后在汉水和太湖打败楚、越两国，后来越王勾践灭吴时战船已经发展到300多艘。

秦汉时期，是我国造船业发展史上出现的第一个高峰。据古书记载，秦始皇曾派大将率领用楼船组成的舰队攻打楚国。到了汉朝，以楼船为主力的水师已经十分强大，据说，打一次战役，汉朝就能出动2000多艘楼船。1975年，在广州发掘了一处规模巨大的造船工场遗址，发现了三个大船台，可以同时造数艘重量达五六十吨的木船，据考证，这是秦汉时期的造船遗址。

秦汉造船业的发达，为后世造船技术的进步，奠定了坚实的基础。三国时期的江东孙吴之地，便是历史上造船发达的吴越之地。晋朝在灭掉蜀汉后，为了灭掉吴国，曾派王濬建造楼船，船内可以承载2000多人，舱面建有瞭望台，船上可以驰马往来，被称为“舟楫之盛，自古未有”。相传吴国被灭后，被晋朝俘获的官船多达5000多艘，还不算民船数量。为了提高航行的速度，南齐大科学家祖冲之“又造千里船，于新亭江试之，日行百余里”。它是装有浆轮挡的船舶，称为“车船”，在造船史上占有重要地位。

唐宋时期是我国造船史上出现的第二个高峰。我国古代造船也自此进入了成熟期。隋朝在这一时期，虽然时间不长，但是造船业很发达，甚至建造了特大型的龙舟。提起龙舟，大家就会想起为纪念爱国诗人屈原而兴起的端午赛龙舟的风俗。隋朝时期，大龙舟采用的就是榫接结合铁钉钉联的方法。

到了唐宋时期，无论从船舶的数量上还是质量上，都体现出我国造船事业的高度发展。一是船体不断增大，结构也更加合理。在唐朝河内，长20丈余，载人六七百的船已经是屡见不鲜。还有的船上能开圃种花种菜。到了宋朝更有载重1500吨以上的“神舟”。二是造船数量不断增多。唐宋时期造船工场明显增加许多。三是造船工艺越来越先进。唐朝的舟船已经采用先进的钉接榫合的联接工艺，大大提高了船的强度。

唐宋时期的建造的舟船不仅种类繁、体积大，而且工艺先进、结构坚固、载量大、航运快、安全可靠等优点，在国际上享有很高声誉。从7世纪以后，中国远洋船队就日益频繁的出现在万顷波涛的大洋上，当时的外国人皆用“世界上最先进的造船匠”的语言来称赞中国船工。

明朝时期是我国造船业的第三个发展高峰。由于元朝经办以运粮为主的海运，又继承和发展了唐宋的先进造船工艺和技术，大量建造了各类船只，其数量与质量远远超过前代。在元朝初期，仅水师战舰就达17900艘。元朝造船业的大发展，为明代建造五桅战船、六桅战船、七桅战船、八桅战船、九桅战船创造了十分有利的条件，迎来了我国造船业的新高潮。

据考古新发现和古书上记载，明朝时期的造船工场分布之光、规模之大、配套之全，是历史上空前的，达到了我国古代造船史上的最高水平。正是有了这样雄厚的造船业做基础，才有了郑和其次下西洋的远航壮举。郑和的宝船属于沙船类型，更属于沙船中的佼佼者。同时在明代还出现了福船和广船等优良的船型。

总之，在经过秦汉时期和唐宋时期两个发展高峰以后，明朝的造船技术和工艺都有了很大的进步，登上了我国古代造船史的顶峰。明朝造船业的伟大成就，久为世界称道，这也是我国各族人民对世界文明的巨大贡献。直到欧洲资本主义兴起和现代机动轮船的出现，我国在造船业上享有的长久优势，才逐渐失去。

作为我国古代舟船史的尾声，是我国第一艘轮船的诞生。从19世纪中业开始，我国一些接受西方技术的知识分子，先后试制国轮船。《二十年目睹之怪现状》的作者吴趼人就曾做过种种尝试。直到1864年，徐寿等人在南京“金陵军械所”终于成功造出了我国第一首轮船“黄鹄号”。这艘轮船的制造成功，在当时引起了很大社会反响，同时更振奋了中华民族精神。