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关于仿真与力学

我是一直拒绝成为一个仿真工程师的,为此受了不少挫折,不过到今日,仍然坚持。

我认为,尤其在工程界,仿真并不“真”的被需要。

不“真”被需要的第一个理由,是单凭仿真决定不了任何实际问题。仿真的定量结果取决于大量的无法获知的输入参数。越是复杂的问题自由度越高。大家只是在调整仿真结果已符合实际,而不是根据仿真结果确定实际。当然在一次调整过程中得到的经验又可以投入下一次仿真,每次仿真也并非全无凭据。仿真的完成过程,就是一个鸡生蛋蛋生鸡的循环往复,而大量的人力、时间和金钱成本的投入,究竟换来多少新的知识,这点很堪思虑。对于实际问题,如果把在仿真上的投入挪到其他地方,应该足以造出更好的产品。

其实企业高层对此也是心知肚明。我曾经就职的一家车企,老总把仿真组叫做“算命组”;我现在的领导,也有意无意透出过“仿真么,只不过是给别人看看”的观点。没有一家企业不设测试部门而只设仿真部门。

但是在工程界,仿真仍然繁荣,原因很简单,因为仿真能出图,漂亮,还会动。仿真的辉煌只不过是在迎合这个越发强调可视化的世界的低俗需求。

我也喜欢好看的图,美感与创意都让人心醉,有的甚至还散发悠远的哲学韵味。但是当学术论文只有依靠专业美工的绘图才能冲上顶级期刊,当学术期刊需要依靠花俏的封面才能吸引读者,这本身已经是本末倒置。

关于世界的可视化,不是本文的主旨,在此只引用Medium创始人Evan Williams的一段话:

视频非常强大也很有影响力,但普通人很难做出一定水平的视频;图片这种方式更好上手,但是影响力有限,很少有图片能够真正传递出思想和意义;相比而言文字是人们最容易使用的,也是现在最有力的媒体形式。

太过绚烂太过密集的图片,只不过是思想苍白和言辞拙劣的粉饰。

我认为仿真不“真”被需要的第二个理由,或许比较激进。我以为如果物理概念足够清晰、数学足够好,仿真能够给出的定性结果应该均可以脑补。当然这点我们还做不到,我们也几乎没可能再做到。没可能做到的原因,就是仿真工具的存在。人还是只该对自己熟悉的东西发言,所以接下去只谈固体力学的仿真,或者说,就是有限元。因为虽然还有层出不穷的其他仿真方法,但有限元就像是一个城市里的巨兽,其压倒性的存在感和力量优势已经构成了对既有世界和新生事物的破坏和威胁。

当随便面对一个什么问题都能打开有限元软件算一算的时候,我们又有什么理由再去做理论研究,去完善科学体系,又有什么机会去进一步浇灌大脑,去收获震撼人心、摄人魂魄的脑力之花?

回忆一下吧,应力函数解法、位移函数解法、复变函数解法……每一个的构思都那么巧妙精奇,至今思之心潮澎湃。那一本本裂纹解手册,是至今我们再不能企及的丰碑。但是现在学校都不需要再教什么空间问题、反平面问题了;保角变换之类的力学课上不教,数学课上也不教。每一代学生,习得的理论工具和方法论都在减少,学习的难度都在降低。上标下标微分积分泛函变分张量,老土!虚拟工程数字建模,酷炫!是啊,费尽巧思还需靠灵光一现的脑力计算已经不需要了,我们有了有限元,干啥费那个劲去构造函数、去推导公式,还得先啃下一本又一本极尽抽象的数学书。于是力学的美感、智慧、张力和生命力,也就几乎殆尽。从这个意义上,有限元是扼杀力学的凶手吧。

说起来,有限元本只是一种数值方法,发明他的人,在中国叫冯康,是个数学家。这本也是一种奇巧美丽的方法。然而有限元和固体力学的相性实在太好,他们热恋的日子又恰是时候,计算机科学一日千里的发展终于见证了有限元成为结构仿真的代名,接下去,是不是终有一天,它也会成为固体力学的代名?

有限元软件的存在,不仅限制了力学学科本身的深入,也导致了力学范畴的破坏。软件的使用门槛实在过低,任何不懂应力应变位移和本构协调平衡的人都可以自豪地从事力学分析。从此泥沙俱下,再不能正本清源。这对于技术的进步和普及无疑是好事,但对于一门深具传统的、矜持自赏的学科,只是雪上加霜。

最后,为了让观点尽量不偏颇,也需要指出,其实当前的仿真和传统的理论并不完全对立,就像有限元中还需要嵌入各种本构模型。只不过,这种理论工作更接近于游戏,因为我们有的是办法让仿真的输出“精确”、“漂亮”。

最后的最后,引出了一个自然的问题:如果没有计算机,人类的智力是否可能攀上新的高峰?好比如果今天还没有通用有限元软件,我们是还在设计各种解析和半解析解,我们的数学技法、抽象思维和理论能力也依旧在与日俱进吧?

最后的三次方:那么,力学今天所遭遇的,是否也会是计算机科学将要遭遇的。一个横空出世的物种,她刚来的时候我们以为是解救世界打开新大门的天使,之后才发现其实是横扫生态系统的妖魔。啊,好像……这个事情,正在发生。那个1956年就被命名的叫AI的家伙,已经六十岁了,已经很耐心了。

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