结构力学发展简史

结构力学的研究对象 结构力学是固体力学的一个分支，它主要研 究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结 构优化的学科。所谓工程结构是指能够承受和传 递外载荷的系统，包括杆、板、壳以及它们的组 合体，如飞机机身和机翼、桥梁、屋架和承力墙 等。 结构力学的任务 研究在工程结构在外载荷作用下的应力、应 变和位移等的规律；分析不同形式和不同材料的 工程结构，为工程设计提供分析方法和计算公式； 确定工程结构承受和传递外力的能力；研究和发 展新型工程结构。
结构断裂和疲劳 结构断裂和疲劳理论是研究因工程结构内部不 可避免地存在裂纹，裂纹会在外载荷作用下扩展 而引起断裂破坏，也会在幅值较小的交变载荷作 用下扩展而引起疲劳破坏的学科。现在我们对断 裂和疲劳的研究历史还不长，还不完善，但断裂 和疲劳理论目前得发展很快。
三类结构形式
在结构力学对于各种工程结构的理论和实验 研究中，针对研究对象还形成了一些研究领域， 这方面主要有杆系结构理论、薄壁结构理论和 整体结构理论三大类。整体结构是用整体原材 料，经机械铣切或经化学腐蚀加工而成的结构， 它对某些边界条件问题特别适用，常用作变厚 度结构。随着科学技术的不断进展，又涌现出 许多新型结构，比如20世纪中期出现的夹层结 构和复合材料结构。
结构力学的发展简史
人类在远古时代就开始制造各种器物，如弓 箭、房屋、舟楫以及乐器等，这些都是简单的结 构。随着社会的进步，人们对于结构设计的规律 以及结构的强度和刚度逐渐有了认识，并且积累 了经验，这表现在古代建筑的辉煌成就中，如埃 及的金字塔，中国的万里长城、赵州安济桥、北 京故宫等等。尽管在这些结构中隐含有力学的知 识，但并没有形成一门学科。
20世纪中叶，电子计算机和有限元法的问世使得大 型结构的复杂计算成为可能，从而将结构力学的研 究和应用水平提到了一个新的高度。 结构力学的学科体系 一般对结构力学可根据其研究性质和对象的不同分 为结构静力学、结构动力学、结构稳定理论、结构 断裂、疲劳理论和杆系结构理论、薄壁结构理论和 整体结构理论等。
在固体力学领域中，材料力学为结构力学的发 展提供了必要的基本知识，弹性力学和塑性力学 又是结构力学的理论基础，另外结构力学还与其 它物理学科结合形成许多边缘学科，比如流体弹 性力学等。
结构力学是一门古老的学科，又是一门迅速发 展的学科。新型工程材料和新型工程结构的大量 出现，向结构力学提供了新的研究内容并提出新 的要求。计算机的发展，为结构力学提供了有力 的计算工具。另一方面，结构力学对数学及其他 学科的发展也起了推动作用。有限元法这一数学 方法的出现和发展就与结构力学的研究有密切关 系。
结构稳定理论
结构稳定理论是研究工程结构稳定性的分 支。现代工程中大量使用细长型和薄型结构， 如细杆、薄板和薄壳。它们受压时，会在内 部应力小于屈服极限的情况下发生失稳(皱 损或曲屈)，即结构产生过大的变形，从而 降低以至完全丧失承载能力。大变形还会影 响结构设计的其他要求，例如影响飞行器的 空气动力学性能。结构稳定理论中最重要的 内容是确定结构的失稳临界载荷。
生物结构的启发 观察自然界中的天然结构，如植物的根、茎和 叶，动物的骨骼，蛋类的外壳，鸟类的翅膀，可 以发现它们的强度和刚度不仅与材料有关，而且 和它们的造型有密切的关系，很多工程结构就是 受到天然结构的启发而创制出来的。结构设计不 仅要考虑结构的强度和刚度，还要做到用料省、 重量轻．减轻重量对某些工程尤为重要，如减轻 飞机的重量就可以使飞机航程远、上升快、速度 大、能耗低。
结构力学的研究方法 结构力学的研究方法主要有工程结构的使用 分析、实验研究、理论分析和计算三种。在结 构设计和研究中，这三方面往往是交替进行并 且是相辅相成的进行的。 使用分析就是在结构的使用过程中，对结构 中出现的情况进行分析比较和总结，这是易行 而又可靠的一种研究手段。使用分析对结构的 评价和改进起着重要作用。新设计的结构也需 要通过使用来检验性能。
后来，在20～30年代，对复杂的静不定杆系 结构提出了一些简易计算方法，使一般的设 计人员都可以掌握和使用了。 到了20世纪20年代，人们又提出了蜂窝夹层 结构的设想。根据结构的“极限状态”这一 概念，学者们得出了弹性地基上粱、板及刚 架的设计计算新理论。对承受各种动载荷 (特别是地震作用)的结构的力学问题，也在 实验和理论方面做了许多研究工作。随着结 构力学的发展，疲劳问题、断裂问题和复合 材料结构问题先后进入结构力学的研究领域。
工业革命的推动
就基本原理和方法而言，结构力学是与理论力学、 材料力学同时发展起来的。所以结构力学在发展的 初期是与理论力学和材料力学融合在一起的。到19 世纪初，由于工业的发展，人们开始设计各种大规 模的工程结构，对于这些结构的设计，要作较精确 的分析和计算。因此，工程结构的分析理论和分析 方法开始独立出来，到19世纪中叶，结构力学开始 成为一门独立的学科。
实验研究能为鉴定结构提供重要依据，这也是 检验和发展结构力学理论和计算方法的主要手 段。实验研究分为三类：模型实验、真实结构 部件实验、真实结构实验。例如，飞机地面破 坏实验、飞行实验和汽车的碰撞实验等。 结构的力学实验通常要耗费较多的人力、物力 和财力，因此只能有限度地进行，特别是在结 构设计的初期阶段，一般多依靠对结构部件进 行理论分析和计算。
基本理论建立后，在解决原有结构问题的同时， 还不断发展新型结构及其相应的理论。19世纪末 到20世纪初，学者们对船舶结构进行了大量的力 学研究，并研究了可动载荷下的粱的动力学理论 以及自由振动和受迫振动方面的问题。 20世纪初，航空工程的发展促进了对薄壁结构和 加劲板壳的应力和变形分析，以及对稳定性问题 的研究。同时桥梁和建筑开始大量使用钢筋混凝 土材料，这就要求科学家们对钢架结构进行系统 的研究，在1914年德国的本迪克森创立了转角位 移法，用以解决刚架和连续粱等问题。
19世纪中出现了许多结构力学的计算理论和方 法。法国的纳维于1826年提出了求解静不定结构 问题的一般方法。从19世纪30年代起，由于要在 桥梁上通过火车，不仅需要考虑桥梁承受静载荷 的问题，还必须考虑承受动载荷的问题，又由于 桥梁跨度的增长，出现了金属桁架结构。
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从1847年开始的数十年间，学者们应用图解法、 解析法等来研究静定桁架结构的受力分析，这奠 定了桁架理论的基础。1864年，英国的麦克斯韦 创立单位载荷法和位移互等定理，并用单位载荷 法求出桁架的位移，由此学者们终于得到了解静 不定问题的方法。
结构静力学 结构静力学是结构力学中首先发展起来的分支，它 主要研究工程结构在静载荷作用下的弹塑性变形和应 力状态，以及结构优化问题。静载荷是指不随时间变 化的外加载荷，变化较慢的载荷，也可近似地看作静 载荷。结构静力学是结构力学其他分支学科的基础。 结构动力学 结构动力学是研究工程结构在动载荷作用下的响应 和性能的分支学科。动载荷是指随时间而改变的载荷。 在动载荷作用下，结构内部的应力、应变及位移也必 然是时间的函数。由于涉及时间因素，结构动力学的 研究内容一般比结构静力学复杂的多。