工程力學(xué)研究方法和內(nèi)容

1、工程力學(xué)研究方法和內(nèi)容第1章 緒論1.1 什么是工程力學(xué) 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧1.3 工程力學(xué)的研究方法1.4 工程力學(xué)的基本研究主線 1.1 什么是工程力學(xué)力學(xué)是研究力與運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。大到宇宙，小到基本粒子，力與運(yùn)動(dòng)無所不在。1.1 什么是工程力學(xué)力學(xué)的地位力學(xué)橫跨自然科學(xué)與工程技術(shù)。1.1 什么是工程力學(xué)力的作用與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是自然界和人類活動(dòng)最基本的現(xiàn)象，它所闡明的規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)，這奠定了力學(xué)在科學(xué)體系中的基礎(chǔ)（科學(xué)）地位。力學(xué)以工程和自然界的真實(shí)介質(zhì)和系統(tǒng)為研究對(duì)象，絕大多數(shù)科學(xué)技術(shù)和工程領(lǐng)域不斷提出大量新的力學(xué)問題急需解決，力學(xué)植根于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個(gè)門類。這又奠定了力學(xué)

2、的工程技術(shù)地位。1.1 什么是工程力學(xué)工程力學(xué)是力學(xué)學(xué)科的一個(gè)分支工程力學(xué)是研究實(shí)際工程中的力學(xué)問題，并將力學(xué)原理應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)。1.1 什么是工程力學(xué)工程力學(xué)課程的主要內(nèi)容靜力學(xué)材料力學(xué)1.1 什么是工程力學(xué)什么是靜力學(xué)？靜力學(xué)又稱剛體靜力學(xué)，主要是研究剛性物體在平衡狀態(tài)時(shí)的受力問題。剛性物體是假定物體不變形的一種理想化狀態(tài)。平衡狀態(tài)是一種特殊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。1.1 什么是工程力學(xué)什么是材料力學(xué)？材料力學(xué)以變形固體為研究對(duì)象，主要研究變形固體的受力、變形、破壞的一門科學(xué)。 1.1 什么是工程力學(xué)如何確保施工中的橋梁面板正確對(duì)接？橋梁面板如何受力？橋梁面板如何變形？如何確保橋梁安全服役？

3、（長(zhǎng)期服役不破壞是最基本的要求）1.1 什么是工程力學(xué)這就需要研究拉索、橋梁面板的受力、變形和破壞時(shí)的安全余量。1.1 什么是工程力學(xué)1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧力學(xué)是人類科學(xué)歷史上起源最早的學(xué)科之一，來源于人類早期的生產(chǎn)實(shí)踐。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧帕特農(nóng)神廟建于438B.C.1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧古羅馬的農(nóng)神廟The Forum. Examples of early Roman column construction can be seen in the 39 ft. 4 in. granite columns of the Temple of Saturn

4、(AD 284, left foreground) and the 48 ft. 5 in. high columns of the Temple of Castor and Pollux (AD 6, right background). (Rome, Italy)1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧金字塔有關(guān)力學(xué)最早的文字?jǐn)⑹?墨翟(di)（公元前468382）在他所著的墨經(jīng)里，已對(duì)力和運(yùn)動(dòng)，下了適當(dāng)?shù)亩x： “力，形之所以奮也?！?書中論述了杠桿的平衡問題。指出，杠桿的平衡不但取決于加在兩端的重量，還與“本”（重臂）、“標(biāo)”（力臂）的長(zhǎng)短有關(guān)，進(jìn)而得出“長(zhǎng)、重者下，短、輕

5、者上”的結(jié)論。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧希臘哲學(xué)家亞里斯多德Aristotle,384B.C.322B.C. 也提出了杠桿平衡(equilibrium of levers )問題。 同時(shí)還提出了影響今后近2千年的力學(xué)觀點(diǎn)。如地心說、物體下落說等唯象說。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧阿基米德（公元前 287212） 古希臘偉大的數(shù)學(xué)家、力學(xué)家。生于西西里島的敘拉古，卒于同地。他和I.牛頓、C.F.高斯并列為有史以來三個(gè)貢獻(xiàn)最大的數(shù)學(xué)家。在他的兩本著作里，論平面圖形的平衡、論浮體用了明確而普遍的方式.建立了杠桿平衡學(xué)說(Relationships for the equilibrium of leve

6、rs ) ，奠定了幾何靜力學(xué)(Statics for geometry)、重心靜力學(xué)(Statics for barycenter)。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧達(dá). 芬奇（14521519） 萊昂納多.達(dá).芬奇是意大利文藝復(fù)興時(shí)期的第一位畫家，也是整個(gè)歐洲文藝復(fù)興時(shí)期最杰出的代表人物之一。他是一位思想深邃、學(xué)識(shí)淵博、多才多藝的藝術(shù)大師、科學(xué)巨匠、文藝?yán)碚摷摇⒋笳軐W(xué)家、詩人、音樂家、工程師和發(fā)明家。他在幾乎每個(gè)領(lǐng)域都做出了巨大的貢獻(xiàn)。后代的學(xué)者稱他是“文藝復(fù)興時(shí)代最完美的代表”，是“第一流的學(xué)者”，是一位“曠世奇才”。所有的以及更多的贊譽(yù)他都當(dāng)之無愧。提出了力矩(moment)的概念、自由落體(

7、falling bodies)經(jīng)驗(yàn)公式等1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧芬蘭史蒂芬（15481620）由斜面問題的研究，得出了力的合成(composition of forces)與力的分解（Decompose of forces)定律，即力的平行四邊形原理；FFyFxFF2F11.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧法國科學(xué)家法利農(nóng)（1654一1722）提出了力矩moment定理；潘索（17771859）提出了力偶couple of moment的概念及有關(guān)的理論， 使得靜力學(xué)的理論得到了進(jìn)一步的發(fā)展。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧 靜力學(xué)通過兩千年的發(fā)展，到19世紀(jì)已形成了一門相對(duì)完整的學(xué)問。為當(dāng)時(shí)社會(huì)的簡(jiǎn)單工具

8、、土木建筑、橋梁、交通工具等發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。舉例如下：1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧河北趙縣趙州橋1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧意大利比薩斜塔1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧 自然科學(xué)隨同文藝復(fù)興以及社會(huì)的巨大變革開始發(fā)展起來。力學(xué)通過漫長(zhǎng)的停滯后在動(dòng)力學(xué)方面得到了迅速發(fā)展。 由于社會(huì)變革，當(dāng)時(shí)從行會(huì)手工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?chǎng)手工業(yè)生產(chǎn)。研究機(jī)械的運(yùn)動(dòng)和尋找它的規(guī)律的任務(wù)被提了出來；航海需要天文學(xué)（天體力學(xué)）的幫助；在戰(zhàn)爭(zhēng)中廣泛利用火炮，提出了彈道學(xué)這一中心同題。隨著上述任務(wù)的需求，動(dòng)力學(xué)首先得到了發(fā)展。 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧哥白尼(14731543) 偉大的波蘭天文學(xué)家，日心說的創(chuàng)立者，近代天文學(xué)的奠

9、基人 他的天體運(yùn)行論的太陽中心學(xué)說 ，在科學(xué)界引起了宇宙觀的大革命； 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧開普勒（15711630）根據(jù)哥白尼的學(xué)說以及其他天文學(xué)家的觀測(cè)資料，得出了行星運(yùn)動(dòng)三大定律，成為牛頓萬有引力(universal gravitation)的基礎(chǔ)。 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧伽利略(Glileo,15641642) 在科學(xué)史上是一位難得的天才，是意大利文藝復(fù)興后期，偉大的力學(xué)家、天文學(xué)家、哲學(xué)家。近代實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的開拓者，被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。后人稱他為“科學(xué)實(shí)驗(yàn)之父”。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧 伽利略是第一個(gè)把實(shí)驗(yàn)引進(jìn)力學(xué)的科學(xué)家，他利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法確定了一些重要的力

10、學(xué)定律。1582年前后，他經(jīng)過長(zhǎng)久的實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)學(xué)推算，得到了擺的等時(shí)性定律。接著在1585年因家庭經(jīng)濟(jì)困難輟學(xué)。離開比薩大學(xué)期間，他深入研究古希臘學(xué)者歐幾里得、阿基米德等人的著作。他根據(jù)杠桿原理和浮力原理寫出了第一篇題為天平的論文。不久又寫了論文論重力，第一次揭示了重力和重心的實(shí)質(zhì)并給出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，因此聲名大振。與此同時(shí)，他對(duì)亞里士多德的許多觀點(diǎn)提出質(zhì)疑。 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧在15891591年間，伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)作了細(xì)致的觀察。從實(shí)驗(yàn)和理論上否定了統(tǒng)治千余年的亞里士多德關(guān)于“落體運(yùn)動(dòng)法則”確立了正確的“自由落體定律”，即在忽略空氣阻力條件下，重量不同的球在下落時(shí)同時(shí)落地，下落

11、的速度與重量無關(guān)。根據(jù)伽利略晚年的學(xué)生V.維維亞尼的記載，落體實(shí)驗(yàn)是在比薩斜塔上公開進(jìn)行的，但在伽利略的著作中并未明確說明實(shí)驗(yàn)是在比薩斜塔上進(jìn)行的。因此近年來對(duì)此存在爭(zhēng)議。 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了詳盡研究并給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式。尤其是加速度概念的提出，在力學(xué)史上是一個(gè)里程碑。有了加速度的概念，力學(xué)中的動(dòng)力學(xué)部分才能建立在科學(xué)基礎(chǔ)之上，而在伽利略之前，只有靜力學(xué)部分有定量的描述。 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧利略曾非正式地提出過慣性定律（見牛頓運(yùn)動(dòng)定律）和外力作用下物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這為牛頓正式提出運(yùn)動(dòng)第一、第二定律

12、奠定了基礎(chǔ)。在經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立上，伽利略可說是牛頓的先驅(qū)。 伽利略還提出過合力定律，拋射體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并確立了伽利略相對(duì)性原理. 伽利略在力學(xué)方面的貢獻(xiàn)是多方面的。這在他晚年寫出的力學(xué)著作關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明中有詳細(xì)的描述。在這本不朽著作中，除動(dòng)力學(xué)外，還有不少關(guān)于材料力學(xué)的內(nèi)容。例如，他闡述了關(guān)于梁的彎曲試驗(yàn)和理論分析，正確地?cái)喽旱目箯澞芰蛶缀纬叽绲牧W(xué)相似關(guān)系。他指出，對(duì)長(zhǎng)度相似的圓柱形梁，抗彎力矩和半徑立方成比例。他還分析過受集中載荷的簡(jiǎn)支梁，正確指出最大彎矩在載荷下，且與它到兩支點(diǎn)的距離之積成比例。伽利略還對(duì)梁彎曲理論用于實(shí)踐所應(yīng)注意的問題進(jìn)行了分析，指出工程結(jié)構(gòu)的尺寸不能過

13、大，因?yàn)樗鼈儠?huì)在自身重量作用下發(fā)生破壞。他根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，動(dòng)物形體尺寸減小時(shí)，軀體的強(qiáng)度并不按比例減小。他說：“一只小狗也許可以在它背上馱兩三只同樣大小的狗，但我相信一匹馬也許連一匹和它同樣大小的馬也馱不起。” 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧伽利略關(guān)于梁的試驗(yàn)1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧惠更斯Christiaan Huygens162916951.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧兩個(gè)彈性球碰撞的問題，伽利略以及他以前的學(xué)者就曾經(jīng)討論過，但是都沒有得到什么重要的結(jié)論?；莞乖谡撐恼撐矬w的碰撞運(yùn)動(dòng)中對(duì)碰撞問題進(jìn)行了系統(tǒng)的討論。他討論的前提是：慣性定律，碰撞是完全彈性的。在這樣的條件下他提出13個(gè)命題，得到了一些重要

14、的定律。如：“兩個(gè)物體相互碰撞時(shí)，它們的質(zhì)量乘其速度平方之和在碰撞前后保持不變?！保?669年）1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧牛頓 (Isac ewton,1642，12，251727，3，20，84歲) 出生于一個(gè)中等農(nóng)戶家中。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧牛頓對(duì)整個(gè)自然科學(xué)的最重要的貢獻(xiàn)是他的巨著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理。這本書出版于1687年，書中提出了萬有引力理論并且系統(tǒng)總結(jié)了前人對(duì)動(dòng)力學(xué)的研究成果，后人將這本書所總結(jié)的經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)稱為牛頓力學(xué)。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理最早版本1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧在整個(gè)18、19世紀(jì)里，牛頓成為整個(gè)自然科學(xué)的偶像。牛頓與牛頓力學(xué)的影響所以這

15、樣大，是由于：1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧首先，牛頓力學(xué)最后證明了力學(xué)原理不僅能適用于地球上的石頭下落，也適用于天上的星球運(yùn)動(dòng)。它是普遍適用的。牛頓力學(xué)進(jìn)一步支持了哥白尼學(xué)說，而且將它發(fā)展到新階段。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧科學(xué)總是以客觀規(guī)律取代神或人造的各種成見。牛頓在原理中的名言：“我不虛構(gòu)假設(shè)”，這是科學(xué)的宣言。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧其次，在科學(xué)的方法論上，是從實(shí)驗(yàn)和觀察歸納總結(jié)出規(guī)律，然后依據(jù)這規(guī)律指導(dǎo)人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)新的現(xiàn)象。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧在供奉國王和國王加冕的西敏寺，僅擺了兩位科學(xué)家的雕刻：牛頓；達(dá)爾文。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧經(jīng)典力學(xué)是從哥白尼提出的太陽中心學(xué)說開始，由

16、伽利略奠基，而由牛頓總其成的。 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧值得注意的是：最偉大的科學(xué)家?guī)缀醵技性谶@一學(xué)科，如伽利略、惠更斯、牛頓、胡克、萊布尼茲、伯努利、拉格朗日、歐拉、達(dá)朗伯等。由于這些杰出科學(xué)家的努力，借助于當(dāng)時(shí)取得的數(shù)學(xué)進(jìn)展，使力學(xué)取得了十分輝煌的成就，在整個(gè)知識(shí)領(lǐng)域中起著支配作用。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧進(jìn)入19世紀(jì)后，歐洲各主要國家相繼完成了工業(yè)革命，大機(jī)器工業(yè)生產(chǎn)對(duì)力學(xué)提出了更高的要求。為適應(yīng)當(dāng)時(shí)土木建筑、機(jī)械制造和交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，主要是材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)得到了發(fā)展和完善。建筑、機(jī)械中出現(xiàn)的大量強(qiáng)度和剛度問題，由材料力學(xué)或結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。作為探索普遍規(guī)律而進(jìn)行的基礎(chǔ)研究

17、，彈性力學(xué)也取得了很大的進(jìn)展。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧20世紀(jì)以來形成了近代力學(xué)1900年直至1960年，力學(xué)隨著航空航天的發(fā)展形成了近代力學(xué)。力學(xué)還解決了核爆炸中對(duì)猛烈炸藥爆轟的精密控制、強(qiáng)爆炸波的傳播、反應(yīng)堆的熱應(yīng)力等重要問題。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧近代力學(xué)的新時(shí)代：力學(xué)+計(jì)算機(jī)20世紀(jì)60年代興起的有限元法，能夠?qū)⒁粋€(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)經(jīng)離散化處理為有限單元的組合后，計(jì)算機(jī)可以對(duì)這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)迅速計(jì)算出結(jié)果。有限元法是力學(xué)、數(shù)學(xué)、與計(jì)算機(jī)的巧妙結(jié)合，她一出現(xiàn)，就顯示出無比的優(yōu)越性，被廣泛地應(yīng)用于工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，例如汽車碰撞、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的服役過程模擬等這類復(fù)雜的設(shè)計(jì)與計(jì)算，已成為現(xiàn)實(shí)。

18、舉例說明：1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧汽車碰撞護(hù)欄的計(jì)算機(jī)模擬1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧某載貨車前軸有限元分析（東風(fēng)汽車工程研究院CAE室） 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧強(qiáng)風(fēng)吹圓柱的速度模擬1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧核電站煙囪整體有限元模型 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧核電站豎直煙囪固定支架與煙囪連接局部分析核電站豎直煙囪在龍卷風(fēng)和地震作用下的受力、變形、破壞情況。1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧工程力學(xué)課程中所涉及兩部分內(nèi)容，是自然科學(xué)發(fā)展中長(zhǎng)期積累的經(jīng)典內(nèi)容；是人類智慧的結(jié)晶；目前，仍是正確指導(dǎo)社會(huì)生產(chǎn)實(shí)際理論分析方法之一。1.3 工程力學(xué)的研究方法建立力學(xué)模型 歸納和演繹 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)a) 建立力學(xué)模型 F1F2q1.3 工程力學(xué)的研究方法1.3 工程力學(xué)的研究方法當(dāng)將下列圓環(huán)視為剛體時(shí)，力具有可傳性。1.3 工程力學(xué)的研究方法通過合理簡(jiǎn)化以建立力學(xué)模型，是進(jìn)行理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)。在今后的學(xué)習(xí)中，我們不僅要掌握一些基本的典型的力學(xué)模型的建立方法，而且要善于將較復(fù)雜的研究對(duì)象合理簡(jiǎn)化為分析模型，