結構力學發(fā)展簡史

1、v 結構力學的研究對象結構力學的研究對象 結構力學是固體力學的一個分支，它主要研結構力學是固體力學的一個分支，它主要研究工程結構受力和傳力的規(guī)律，以及如何進行結究工程結構受力和傳力的規(guī)律，以及如何進行結構優(yōu)化的學科。所謂工程結構是指能夠承受和傳構優(yōu)化的學科。所謂工程結構是指能夠承受和傳遞外載荷的系統(tǒng)，包括桿、板、殼以及它們的組遞外載荷的系統(tǒng)，包括桿、板、殼以及它們的組合體，如飛機機身和機翼、橋梁、屋架和承力墻合體，如飛機機身和機翼、橋梁、屋架和承力墻等。等。v 結構力學的任務結構力學的任務 研究在工程結構在外載荷作用下的應力、應研究在工程結構在外載荷作用下的應力、應變和位移等的規(guī)律；分析不同形

2、式和不同材料的變和位移等的規(guī)律；分析不同形式和不同材料的工程結構，為工程設計提供分析方法和計算公式；工程結構，為工程設計提供分析方法和計算公式；確定工程結構承受和傳遞外力的能力；研究和發(fā)確定工程結構承受和傳遞外力的能力；研究和發(fā)展新型工程結構。展新型工程結構。v 生物結構的啟發(fā)生物結構的啟發(fā) 觀察自然界中的天然結構，如植物的根、莖和觀察自然界中的天然結構，如植物的根、莖和葉，動物的骨骼，蛋類的外殼，鳥類的翅膀，可葉，動物的骨骼，蛋類的外殼，鳥類的翅膀，可以發(fā)現(xiàn)它們的強度和剛度不僅與材料有關，而且以發(fā)現(xiàn)它們的強度和剛度不僅與材料有關，而且和它們的造型有密切的關系，很多工程結構就是和它們的造型有密

3、切的關系，很多工程結構就是受到天然結構的啟發(fā)而創(chuàng)制出來的。結構設計不受到天然結構的啟發(fā)而創(chuàng)制出來的。結構設計不僅要考慮結構的強度和剛度，還要做到用料省、僅要考慮結構的強度和剛度，還要做到用料省、重量輕減輕重量對某些工程尤為重要，如減輕重量輕減輕重量對某些工程尤為重要，如減輕飛機的重量就可以使飛機航程遠、上升快、速度飛機的重量就可以使飛機航程遠、上升快、速度大、能耗低。大、能耗低。v 結構力學的發(fā)展簡史結構力學的發(fā)展簡史 人類在遠古時代就開始制造各種器物，如弓人類在遠古時代就開始制造各種器物，如弓箭、房屋、舟楫以及樂器等，這些都是簡單的結箭、房屋、舟楫以及樂器等，這些都是簡單的結構。隨著社會的進

4、步，人們對于結構設計的規(guī)律構。隨著社會的進步，人們對于結構設計的規(guī)律以及結構的強度和剛度逐漸有了認識，并且積累以及結構的強度和剛度逐漸有了認識，并且積累了經驗，這表現(xiàn)在古代建筑的輝煌成就中，如埃了經驗，這表現(xiàn)在古代建筑的輝煌成就中，如埃及的金字塔，中國的萬里長城、趙州安濟橋、北及的金字塔，中國的萬里長城、趙州安濟橋、北京故宮等等。盡管在這些結構中隱含有力學的知京故宮等等。盡管在這些結構中隱含有力學的知識，但并沒有形成一門學科。識，但并沒有形成一門學科。 v 工業(yè)革命的推動工業(yè)革命的推動 就基本原理和方法而言，結構力學是與理論力學、就基本原理和方法而言，結構力學是與理論力學、材料力學同時發(fā)展起來

5、的。所以結構力學在發(fā)展的材料力學同時發(fā)展起來的。所以結構力學在發(fā)展的初期是與理論力學和材料力學融合在一起的。到初期是與理論力學和材料力學融合在一起的。到19世紀初，由于工業(yè)的發(fā)展，人們開始設計各種大規(guī)世紀初，由于工業(yè)的發(fā)展，人們開始設計各種大規(guī)模的工程結構，對于這些結構的設計，要作較精確模的工程結構，對于這些結構的設計，要作較精確的分析和計算。因此，工程結構的分析理論和分析的分析和計算。因此，工程結構的分析理論和分析方法開始獨立出來，到方法開始獨立出來，到19世紀中葉，結構力學開始世紀中葉，結構力學開始成為一門獨立的學科。成為一門獨立的學科。 1919世紀中出現(xiàn)了許多結構力學的計算理論和方世紀

6、中出現(xiàn)了許多結構力學的計算理論和方法。法國的法。法國的納維納維于于18261826年提出了年提出了求解靜不定結構求解靜不定結構問題的一般方法問題的一般方法。從。從1919世紀世紀3030年代起，由于要在年代起，由于要在橋梁上通過火車，不僅需要考慮橋梁上通過火車，不僅需要考慮橋梁承受靜載荷橋梁承受靜載荷的問題，還必須考慮的問題，還必須考慮承受動載荷承受動載荷的問題，又由于的問題，又由于橋梁跨度的增長，出現(xiàn)了橋梁跨度的增長，出現(xiàn)了金屬桁架結構金屬桁架結構。從從18471847年開始的數(shù)十年間，學者們應用圖解法、年開始的數(shù)十年間，學者們應用圖解法、解析法等來研究靜定桁架結構的受力分析，這奠解析法等來

7、研究靜定桁架結構的受力分析，這奠定了桁架理論的基礎。定了桁架理論的基礎。18641864年，英國的年，英國的麥克斯韋麥克斯韋創(chuàng)立單位載荷法和位移互等定理，創(chuàng)立單位載荷法和位移互等定理，并用單位載荷并用單位載荷法求出桁架的位移，由此學者們終于得到了解靜法求出桁架的位移，由此學者們終于得到了解靜不定問題的方法。不定問題的方法。 基本理論建立后，在解決原有結構問題的同時，基本理論建立后，在解決原有結構問題的同時，還不斷發(fā)展新型結構及其相應的理論。還不斷發(fā)展新型結構及其相應的理論。19世紀末世紀末到到20世紀初，學者們對船舶結構進行了大量的力世紀初，學者們對船舶結構進行了大量的力學研究，并研究了可動載

8、荷下的學研究，并研究了可動載荷下的粱的動力學理論粱的動力學理論以及以及自由振動和受迫振動自由振動和受迫振動方面的問題。方面的問題。 20世紀初，世紀初，航空工程的發(fā)展促進航空工程的發(fā)展促進了對了對薄壁結構和薄壁結構和加勁板殼加勁板殼的應力和變形分析，以及對的應力和變形分析，以及對穩(wěn)定性問題穩(wěn)定性問題的研究。同時的研究。同時橋梁和建筑橋梁和建筑開始大量使用鋼筋混凝開始大量使用鋼筋混凝土材料，這就要求科學家們對土材料，這就要求科學家們對鋼架結構鋼架結構進行系統(tǒng)進行系統(tǒng)的研究，在的研究，在1914年德國的年德國的本迪克森本迪克森創(chuàng)立了轉角位創(chuàng)立了轉角位移法，用以解決移法，用以解決剛架和連續(xù)粱剛架和連

9、續(xù)粱等問題。等問題。后來，在后來，在2030年代，對復雜的靜不定桿系年代，對復雜的靜不定桿系結構提出了一些簡易計算方法，使一般的設結構提出了一些簡易計算方法，使一般的設計人員都可以掌握和使用了。計人員都可以掌握和使用了。 到了到了20世紀世紀20年代，人們又提出了年代，人們又提出了蜂窩夾層蜂窩夾層結構結構的設想。根據(jù)結構的的設想。根據(jù)結構的“極限狀態(tài)極限狀態(tài)”這一這一概念，學者們得出了概念，學者們得出了彈性地基上粱、板及剛彈性地基上粱、板及剛架架的設計計算新理論。對承受各種動載荷的設計計算新理論。對承受各種動載荷(特別是特別是地震作用地震作用)的結構的力學問題，也在的結構的力學問題，也在實驗和

10、理論方面做了許多研究工作。隨著結實驗和理論方面做了許多研究工作。隨著結構力學的發(fā)展，構力學的發(fā)展，疲勞問題、斷裂問題和復合疲勞問題、斷裂問題和復合材料結構問題材料結構問題先后進入結構力學的研究領域。先后進入結構力學的研究領域。 20世紀中葉，電子計算機和有限元法的問世使得大世紀中葉，電子計算機和有限元法的問世使得大型結構的復雜計算成為可能，從而將結構力學的研型結構的復雜計算成為可能，從而將結構力學的研究和應用水平提到了一個新的高度。究和應用水平提到了一個新的高度。 v 結構力學的學科體系結構力學的學科體系 一般對結構力學可根據(jù)其研究性質和對象的不同分一般對結構力學可根據(jù)其研究性質和對象的不同分

11、為結構靜力學、結構動力學、結構穩(wěn)定理論、結構為結構靜力學、結構動力學、結構穩(wěn)定理論、結構斷裂、疲勞理論和桿系結構理論、薄壁結構理論和斷裂、疲勞理論和桿系結構理論、薄壁結構理論和整體結構理論等。整體結構理論等。 v 結構靜力學結構靜力學 結構靜力學是結構力學中首先發(fā)展起來的分支，它結構靜力學是結構力學中首先發(fā)展起來的分支，它主要研究工程結構在靜載荷作用下的彈塑性變形和應主要研究工程結構在靜載荷作用下的彈塑性變形和應力狀態(tài)，以及結構優(yōu)化問題。靜載荷是指不隨時間變力狀態(tài)，以及結構優(yōu)化問題。靜載荷是指不隨時間變化的外加載荷，變化較慢的載荷，也可近似地看作靜化的外加載荷，變化較慢的載荷，也可近似地看作靜

12、載荷。結構靜力學是結構力學其他分支學科的基礎。載荷。結構靜力學是結構力學其他分支學科的基礎。v 結構動力學結構動力學 結構動力學是研究工程結構在動載荷作用下的響應結構動力學是研究工程結構在動載荷作用下的響應和性能的分支學科。動載荷是指隨時間而改變的載荷。和性能的分支學科。動載荷是指隨時間而改變的載荷。在動載荷作用下，結構內部的應力、應變及位移也必在動載荷作用下，結構內部的應力、應變及位移也必然是時間的函數(shù)。由于涉及時間因素，結構動力學的然是時間的函數(shù)。由于涉及時間因素，結構動力學的研究內容一般比結構靜力學復雜的多。研究內容一般比結構靜力學復雜的多。 v 結構穩(wěn)定理論結構穩(wěn)定理論 結構穩(wěn)定理論是

13、研究工程結構穩(wěn)定性的分結構穩(wěn)定理論是研究工程結構穩(wěn)定性的分支。現(xiàn)代工程中大量使用細長型和薄型結構，支?，F(xiàn)代工程中大量使用細長型和薄型結構，如細桿、薄板和薄殼。它們受壓時，會在內如細桿、薄板和薄殼。它們受壓時，會在內部應力小于屈服極限的情況下發(fā)生失穩(wěn)部應力小于屈服極限的情況下發(fā)生失穩(wěn)(皺皺損或曲屈損或曲屈)，即結構產生過大的變形，從而，即結構產生過大的變形，從而降低以至完全喪失承載能力。大變形還會影降低以至完全喪失承載能力。大變形還會影響結構設計的其他要求，例如影響飛行器的響結構設計的其他要求，例如影響飛行器的空氣動力學性能。結構穩(wěn)定理論中最重要的空氣動力學性能。結構穩(wěn)定理論中最重要的內容是確定

14、結構的失穩(wěn)臨界載荷。內容是確定結構的失穩(wěn)臨界載荷。 v 結構斷裂和疲勞結構斷裂和疲勞 結構斷裂和疲勞理論是研究因工程結構內部不結構斷裂和疲勞理論是研究因工程結構內部不可避免地存在裂紋，裂紋會在外載荷作用下擴展可避免地存在裂紋，裂紋會在外載荷作用下擴展而引起斷裂破壞，也會在幅值較小的交變載荷作而引起斷裂破壞，也會在幅值較小的交變載荷作用下擴展而引起疲勞破壞的學科。現(xiàn)在我們對斷用下擴展而引起疲勞破壞的學科?，F(xiàn)在我們對斷裂和疲勞的研究歷史還不長，還不完善，但斷裂裂和疲勞的研究歷史還不長，還不完善，但斷裂和疲勞理論目前得發(fā)展很快。和疲勞理論目前得發(fā)展很快。v 三類結構形式三類結構形式 在結構力學對于各

15、種工程結構的理論和實驗在結構力學對于各種工程結構的理論和實驗研究中，針對研究對象還形成了一些研究領域，研究中，針對研究對象還形成了一些研究領域，這方面主要有桿系結構理論、薄壁結構理論和這方面主要有桿系結構理論、薄壁結構理論和整體結構理論三大類。整體結構是用整體原材整體結構理論三大類。整體結構是用整體原材料，經機械銑切或經化學腐蝕加工而成的結構，料，經機械銑切或經化學腐蝕加工而成的結構，它對某些邊界條件問題特別適用，常用作變厚它對某些邊界條件問題特別適用，常用作變厚度結構。隨著科學技術的不斷進展，又涌現(xiàn)出度結構。隨著科學技術的不斷進展，又涌現(xiàn)出許多新型結構，比如許多新型結構，比如20世紀中期出現(xiàn)

16、的夾層結世紀中期出現(xiàn)的夾層結構和復合材料結構。構和復合材料結構。v 結構力學的研究方法結構力學的研究方法 結構力學的研究方法主要有工程結構的使用結構力學的研究方法主要有工程結構的使用分析、實驗研究、理論分析和計算三種。在結分析、實驗研究、理論分析和計算三種。在結構設計和研究中，這三方面往往是交替進行并構設計和研究中，這三方面往往是交替進行并且是相輔相成的進行的。且是相輔相成的進行的。 使用分析就是在結構的使用過程中，對結構使用分析就是在結構的使用過程中，對結構中出現(xiàn)的情況進行分析比較和總結，這是易行中出現(xiàn)的情況進行分析比較和總結，這是易行而又可靠的一種研究手段。使用分析對結構的而又可靠的一種研

17、究手段。使用分析對結構的評價和改進起著重要作用。新設計的結構也需評價和改進起著重要作用。新設計的結構也需要通過使用來檢驗性能。要通過使用來檢驗性能。 實驗研究能為鑒定結構提供重要依據(jù)，這也是實驗研究能為鑒定結構提供重要依據(jù)，這也是檢驗和發(fā)展結構力學理論和計算方法的主要手檢驗和發(fā)展結構力學理論和計算方法的主要手段。實驗研究分為三類：模型實驗、真實結構段。實驗研究分為三類：模型實驗、真實結構部件實驗、真實結構實驗。例如，飛機地面破部件實驗、真實結構實驗。例如，飛機地面破壞實驗、飛行實驗和汽車的碰撞實驗等。壞實驗、飛行實驗和汽車的碰撞實驗等。 結構的力學實驗通常要耗費較多的人力、物力結構的力學實驗通

18、常要耗費較多的人力、物力和財力，因此只能有限度地進行，特別是在結和財力，因此只能有限度地進行，特別是在結構設計的初期階段，一般多依靠對結構部件進構設計的初期階段，一般多依靠對結構部件進行理論分析和計算。行理論分析和計算。 在固體力學領域中，材料力學為結構力學的發(fā)在固體力學領域中，材料力學為結構力學的發(fā)展提供了必要的基本知識，彈性力學和塑性力學展提供了必要的基本知識，彈性力學和塑性力學又是結構力學的理論基礎，另外結構力學還與其又是結構力學的理論基礎，另外結構力學還與其它物理學科結合形成許多邊緣學科，比如流體彈它物理學科結合形成許多邊緣學科，比如流體彈性力學等。性力學等。 結構力學是一門古老的學科