工程力學歷史及發(fā)展

1、工程力學歷史及發(fā)展1第1頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三第一章 緒論一、 什么是力學二、力學與工程三、現(xiàn)代力學的發(fā)展及其特點七、工程靜力學研究主線五、最基本概念-力和運動四、學科分類六、一般研究方法2第2頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三一、什么是力學?是各技術(shù)工程學科的重要理論基礎(chǔ)，是溝通自然科學基礎(chǔ)理論與工程實踐的橋梁。所闡述的規(guī)律帶有普遍性，是一門基礎(chǔ)科學。 直接服務(wù)于工程,又是一門技術(shù)科學。力學是研究物質(zhì)機械運動規(guī)律的科學。墨子： “力，形之所以奮也”。（公元前4世紀） 力是物體為什么改變其狀態(tài)的原因。 3第3頁，共37頁，2022年，5月

2、20日，3點52分，星期三機械、結(jié)構(gòu)等 受力如何？ 如何運動？ 如何變形？破壞？ 如何控制設(shè)計？其目的是： 了解工程系統(tǒng)的性態(tài) 并為其設(shè)計提供合理的規(guī)則。工程力學（或者應用力學）是:將力學原理應用實際工程系統(tǒng)的科學。性態(tài)規(guī)則4第4頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三 二、力學與工程以力學與航空航天工程為例簡單回顧。5第5頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三實驗探索： 風箏、火箭、模擬鳥類滑翔等。問題一、如何飛起來？6第6頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三到19世紀末，經(jīng)典流體力學基礎(chǔ)已經(jīng)形成。1783年6月，法蒙高兄弟布袋式熱氣球飛

3、行。1875年，氫氣球載人飛行到萬米高空。19世紀后，出現(xiàn)了飛艇。 充填氫、氦、熱空氣等產(chǎn)生升力， 用動力裝置輔助控制, 可以向任意方向飛行?？諝忪o力飛行：（氣球、飛艇） 到20世紀，人們從理論和實踐二方面研究飛行器與空氣相對運動時作用力(升力，阻力)的產(chǎn)生及其規(guī)律。空氣動力學 發(fā)展并形成新分枝。空氣動力飛行：7第7頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三1949年，第一架噴氣式客機“彗星號”, 可載客80名，最大起飛重量達70噸，跨音速。1903年，萊特兄弟（美國）的木制機身、雙層帆布機翼螺旋槳飛機第一次飛行。8第8頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三問題

4、二 如何飛？ 作為剛體，研究運動規(guī)律和控制。飛行力學問題三 如何保證結(jié)構(gòu)的安全？ 無缺陷均勻材料， 變形體。研究對象 材料力學性能、 結(jié)構(gòu)應力分析、 失效判據(jù)、設(shè)計規(guī)范。 研究內(nèi)容 材料力學、結(jié)構(gòu)力學、彈性力學、計算力學等。 屬于靜強度設(shè)計。相應學科9第9頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三 飛 機 整 機 結(jié) 構(gòu) 強 度 實 驗 機翼破壞實驗 10第10頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三 機 身 結(jié) 構(gòu) 強 度 實 驗11第11頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三材料缺陷的影響如何？載荷變化的影響如何？60年代末，美國空軍 F-1

5、11飛機連續(xù)發(fā)生災難性事故，是由含裂紋構(gòu)件的脆性斷裂引起的，斷裂力學方法也從此引入飛機設(shè)計中。斷裂力學-考慮材料缺陷和裂紋近代，復合材料，智能結(jié)構(gòu)的研究。目標：更輕、更快、更安全（自監(jiān)測、自診斷）1952年，“Comet”試飛300多小時后投入使用。1954年元月突然發(fā)生空中爆炸，墜落于地中海。殘骸研究后表明，起源于機身開口拐角處的裂紋，在擾動載荷作用下擴展導致破壞。疲勞力學-考慮載荷變化和重復作用的影響12第12頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三 振動、噪聲控制；穩(wěn)定性和可操縱性力學與工程緊密結(jié)合。是一門既古老又年輕的學科，它對于近、現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，有重要的影響。問

6、題四、如何更加舒適？飛起來?跨、超音速空氣動力學噴氣機、后掠翼、復合材料快速理論力學飛行力學如何飛？安全振動 噪聲；穩(wěn)定性舒適材料力學結(jié)構(gòu)力學彈性力學計算力學疲勞力學斷裂力學空氣動力學雙、單翼機氣球、飛艇流體力學實驗力學13第13頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三 大型汽輪機 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的破壞例：14第14頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三 軸 葉輪 疲勞斷裂破壞15第15頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三 轉(zhuǎn)子軸 疲勞開裂 疲勞斷裂破壞16第16頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三臺南高屏大橋斷裂2000年8

7、月27日下午3時20分，臺灣南部高屏大橋斷裂，大橋中間下陷部分長達100米。17輛車墜河，22人受傷。 采沙過度，河面沉降10余米，橋墩先斷裂。17第17頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三2000年月25日，法航協(xié)和式客機墜毀，113人死亡。地面鐵條使輪胎爆裂，碎片侵入發(fā)動機。18第18頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三汽車碰撞試驗19第19頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三建筑物控制爆破20第20頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三 上海 東方電視塔 高300m 球徑45m21第21頁，共37頁，2022年

8、，5月20日，3點52分，星期三 抗震模型試驗 （破壞部位、破壞形式、抗震能力）22第22頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三材料與對象：金屬、土木石等 新型復合材料、高分子材料、 結(jié)構(gòu)陶瓷、功能材料。尺度：宏觀、連續(xù)體 含缺陷體， 細、微觀、納米尺度。3.1 力學研究的發(fā)展：應用領(lǐng)域： 航空、土木、機械、材料 生命、微電子技術(shù)等三、現(xiàn)代力學發(fā)展及其特點實驗技術(shù)： 電、光測實驗技術(shù) 全息、超聲、光纖測量， 及實驗裝置的大型化。23第23頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三靜強度、 斷裂控制設(shè)計、抗疲勞設(shè)計、剛度設(shè)計 損傷容限設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、 耐久性設(shè)

9、計和可靠性設(shè)計等。保證結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的安全和功能 設(shè)計-制造-使用-維護的綜合分析與控制， 功能安全經(jīng)濟的綜合性評價， 自感知、自激勵、自適應 （甚至自診斷、自修復）的智能結(jié)構(gòu)。設(shè)計目標：設(shè)計準則：24第24頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三3.2 現(xiàn)代力學的特點 應用現(xiàn)代計算機、信息技術(shù)， 與其他基礎(chǔ)或技術(shù)學科相互結(jié)合與滲透。材料設(shè)計：按所要求的性能設(shè)計材料。(90年代)計算機應用：計算力學+計算機應用 (60年代) 解決復雜、 困難的工程實際問題。使工程結(jié)構(gòu)分析技術(shù)；（結(jié)合CAD技術(shù)） 監(jiān)測、控制技術(shù)（如振動監(jiān)測、故障診斷）； 工程系統(tǒng)動態(tài)過程的計算機數(shù)值仿真技術(shù)； 廣泛

10、應用至各工程領(lǐng)域。25第25頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三90年代開始，力學與材料、控制（包括傳感與激勵）、計算機相結(jié)合，研究發(fā)展面向21世紀的、具有“活”的功能的智能結(jié)構(gòu)。智能結(jié)構(gòu)：生物材料力學性能、微循環(huán)、定量生理學、心血管系統(tǒng)臨床問題和生物醫(yī)學工程等?！皼]有生物力學，就不能很好地了解生理學?！鄙锪W： (70年代馮元禎博士)依托新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展力學。 航空航天、信息、生命、功能材料等26第26頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三四、學科分類靜力學：研究力系或物體的平衡問題，不涉及物體 運動狀態(tài)改變；如飛機停在地面或巡航。運動學：研究物體如何運動

11、，不討論運動與受力的 關(guān)系； 如飛行軌跡、速度、加速度。動力學：研究力與運動的關(guān)系。 如何提供加速度？按運動與否分：27第27頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三按研究對象分：一般力學：對象是剛體。研究力及其與運動的關(guān)系。 有理論力學，分析力學等。流體力學：對象是氣體和液體。 有水力學、空氣動力學等。固體力學：對象是可變形固體。研究強度、變形、破 壞等。 有材料力學、結(jié)構(gòu)力學、彈性力 學、塑性力學、斷裂、疲勞等。 (理論分析、實驗和數(shù)值計算) 有實驗力學、計算力學二個方面的分支。按研究手段分： 有飛行力學、船舶結(jié)構(gòu)力學、巖土力學等。按應用領(lǐng)域分：28第28頁，共37頁，20

12、22年，5月20日，3點52分，星期三五、最基本概念-力和運動力學既要研究力，又要研究運動， 還要將力和運動二者聯(lián)系起來。力是物體間的相互作用。1. 力：直接接觸的物體，通過接觸表面的相互作用。如物體間壓力等。表面力分布作用在接觸面上。表面力非直接接觸物體間的相互作用。如物體重力、慣性力、電場力、磁場力等。體積力分布作用在物體整個體積內(nèi)，與質(zhì)量有關(guān)。體積力29第29頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三 2. 運動：是力(力系)作用的結(jié)果。有二種效應：物體空間位置隨時間的變化。 如飛機在空中飛行，復雜的運動。運動（外效應）物體自身形狀的局部畸變。 如機翼、機身結(jié)構(gòu)的變形。變形

13、（內(nèi)效應）30第30頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三3. 力與運動之關(guān)系的研究，屬于動力學。是動力學基本方程。 注意 F 、 a 是矢量。牛頓第二定律: 物體運動狀態(tài)的改變( dv/dt=a )與作用于其上的力成正比，并發(fā)生于該力的作用線上。力與變形之關(guān)系，是與材料有關(guān)的物理行為。4. 力與固體的變形之關(guān)系的研究, 屬固體力學。特別地，若物體的運動狀態(tài)不發(fā)生改變（a=0）, 則稱物體處于平衡。31第31頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三提出問題，選擇有關(guān)的研究系統(tǒng)。對系統(tǒng)進行抽象與簡化，建立力學模型。利用力學原理進行分析、推理，得出結(jié)論與已知結(jié)論相

14、比較，或由實驗進行驗證。確認或進一步改善模型，深化認識六、一般研究方法工程力學解決問題的一般方法，類似于一般科學研究的普遍方法，可歸納為：建立力學模型是最關(guān)鍵的。(需要知識和經(jīng)驗)模型包括材料性能、載荷、約束、幾何形狀等 真實情況的理想化和簡化。32第32頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三材 料 模 型變形體模型剛體模型33第33頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三汽車通過輪胎作用在橋面上的集中力模型載 荷 模 型橋面板作用在鋼梁的分布力模型34第34頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三例如，研究工程構(gòu)件（如桿、梁、軸等）時， 先將

15、其理想化為剛體，研究其上的受力和運動；建立力學模型是最關(guān)鍵的。(需要知識和經(jīng)驗)研究不同的問題，采用不同的模型。 好的模型，既能使問題的求解簡化， 又能使結(jié)果基本符合實際情況，滿足精度。若進一步考慮材料的塑性，可研究其彈塑性行為。就會得到更進一步的啟發(fā)。再將其視為變形體，并假定變形是彈性的， 研究在載荷作用下構(gòu)件的彈性變形；35第35頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三七、工程靜力學研究主線工程力學問題的分析，一般都需要進行 -力的研究。 -運動和變形的研究。 -聯(lián)系力與運動、力與變形之關(guān)系的研究。若構(gòu)件處于靜止或平衡狀態(tài)，則不必考慮其運動。平衡狀態(tài)的力學問題稱為靜力學問題。力的平衡關(guān)系、變形的幾何協(xié)調(diào)關(guān)系 和力與變形間的物理關(guān)系。研究工程靜力學問題的主線和核心是：36第36頁，共37頁，2022年，5月20日，3點52分，星期三(1) 受力分析及靜力平