工程力学历史及发展

推力 P
问题三 如何保证结构的安全？
研究对象 无缺陷均匀材料 ，
研究内变材容形料体力。学性能、 结构应力分析、 失效判据、设计规范。
相应学科
材料力学、结构力学、弹性力学、
计算力学等。 属Leabharlann Baidu静强度设计。
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飞机整机结构强度实验
机翼破坏实验
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机身结构强度实验
力是物体为什么改变其状态的原因。 所阐述的规律带有普遍性，是一门基础科学。 直接服务于工程,又是一门技术科学。
是各技术工程学科的重要理论基础， 是沟通自然科学基础理论与工程实践的桥梁。
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工程力学（或者应用力学）是:
将力学原理应用实际工程系统的科学。
其目的是：
了解工程系统的性态 并为其设计提供合理的规则。
近代，复合材料，智能结构的研究。 目标：更轻、更快、更安全（自监测、自诊断）
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问题四、如何更加舒适？
振动、噪声控制；稳定性和可操纵性
流体力学 气球、飞艇
安全
飞起来?
实验 如何 理论力学 力学 飞？ 飞行力学
空气动力学 双、单翼机
快速 喷气机、后掠翼、复合材料
材料力学 弹性力学 计算力学 结构力学 疲劳力学 断裂力学
固体力学：对象是可变形固体。研究强度、变形、破 坏等。 有材料力学、结构力学、弹性力
学、塑性力学、断裂、疲劳等。
流体力学：对象是气体和液体。 有水力学、空气动力学等。
按研究手段分： (理论分析、实验和数值计算)
有实验力学、计算力学二个方面的分支。
按应用领域分：
有飞行力学、船舶结构力学、岩土力学等。28
跨、超音速空气动力学 舒适 振动 噪声；稳定性
力学与工程紧密结合。是一门既古老又年轻的学科，它对
于近、现代科学技术的进步，有重要的影响。
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结构的破坏例：
大型汽轮机 转子
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轴
叶轮
疲劳断裂破坏
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转子轴
疲劳断裂破坏
疲劳开裂
计算机应用：计算力学+计算机应用
(60年代) 解决复杂、 困难的工程实际问题。
使工程结构分析技术；（结合CAD技术） 监测、控制技术（如振动监测、故障诊断）； 工程系统动态过程的计算机数值仿真技术； 广泛应用至各工程领域。
材料设计：按所要求的性能设计材料。(90年代)
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智能结构：
机械、结构等 受力如何？ 如何运动？ 如何变形？破坏？ 如何控制设计？
性态
规则
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二、力学与工程
以力学与航空航天工程为例简单回顾。
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问题一、如何飞起来？
实验探索： 风筝、火箭、模拟鸟类滑翔等。
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空气静力飞行：（气球、飞艇）
1783年6月，法蒙高兄弟布袋式热气球飞行。
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台南高屏大桥断裂
2000年8月27日下午3时20分，台湾南部高屏大桥断裂，大桥 中间下陷部分长达100米。17辆车坠河，22人受伤。 采沙过 度，河面沉降10余米，桥墩先断裂。
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2000年７月25日，法航协和式客机坠毁，113人死亡。 地面铁条使轮 胎爆裂，碎片 侵入发动机。
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材料缺陷的影响如何？载荷变化的影响如何？
断裂力学--考虑材料缺陷和裂纹
60年代末，美国空军 F-111飞机连续发生灾难性事故， 是由含裂纹构件的脆性断裂引起的，断裂力学方法也 从此引入飞机设计中。
疲劳力学--考虑载荷变化和重复作用的影响
1952年，“Comet”试飞300多小时后投入使用。 1954年元月突然发生空中爆炸，坠落于地中海。残 骸研究后表明，起源于机身开口拐角处的裂纹，在 扰动载荷作用下扩展导致破坏。
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2. 运动：
是力(力系)作用的结果。有二种效应：
运动—（外效应）
物体空间位置随时间的变化。 如飞机在空中飞行，复杂的运动。
变形—（内效应）
物体自身形状的局部畸变。 如机翼、机身结构的变形。
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3. 力与运动之关系的研究，属于动力学。
牛顿第二定律: 物体运动状态的改变( dv/dt=a )与作用于其上
----力的研究。 ----运动和变形的研究。
----联系力与运动、力与变形之关系的研究。
若构件处于静止或平衡状态，则不必考虑其运动。
平衡状态的力学问题——称为静力学问题。
研究工程静力学问题的主线和核心是：
力的平衡关系、变形的几何协调关系 和力与变形间的物理关系。
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(1) 受力分析及静力平衡条件 (力的分析)
实材验料技与术对：象：
电金、属光、测土实木验石技等术 新全型息复、合超材声、料光、纤高测分量子，材料、 及结实构验陶装瓷置、的功大能型材化料。 。
尺应用度领：域：
宏 航空观、、土连木续、体机械、含材缺料陷体， 细、生微命观、、微纳电米子尺技度术。等
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设计准则：
静强度、 断裂控制设计、抗疲劳设计、 刚度设计 损伤容限设计、结构优化设计、
物体受什么力作用？ 处于平衡状态的物体，应 当满足什么条件？（静力平衡条件）
(2) 变形的几何协调条件 (几何分析)
材料是均匀连续的，受力变形后仍然应连续， 固体内既不引起“空隙”，也不产生“重叠” 。
(3)发生力破与坏变前形，间材的料物的变理形关应系是几(材何料可模能的型。)
力与变形(如伸长)成正比，如虎克定律，是反 映材料线弹性性能的最简单的物理关系。 不同材料、不同的变形形式，有不同的模型。 37
提出问 题，选 择有关 的研究 系统。
对系统 进行抽 象与简 化，建 立力学 模型。
利用力 学原理 进行分 析、推 理，得 出结论
与已知 结论相 比较， 或由实 验进行 验证。
确认或 进一步 改善模 型，深 化认识
建立力学模型是最关键的。(需要知识和经验)
模型包括材料性能、载荷、约束、几何形状等
真实情况的理想化和简化。
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汽车碰撞试验
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建 筑 物 控 制 爆 破
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上海 东方电视塔
高300m 球径45m
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抗震模型试验
（破坏部位、破坏形式、抗震能力）
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三、现代力学发展及其特点
3.1 力学研究的发展：
四、学科分类
按运动与否分：
静力学：研究力系或物体的平衡问题，不涉及物体
运动状态改变；如飞机停在地面或巡航。
运动学：研究物体如何运动，不讨论运动与受力的 关系； 如飞行轨迹、速度、加速度。
动力学：研究力与运动的关系。 如何提供加速度？
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按研究对象分：
一般力学：对象是刚体。研究力及其与运动的关系。 有理论力学，分析力学等。
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1903年，莱特兄弟（美国）的木制机身、双层帆 布机翼螺旋桨飞机第一次飞行。
1949年，第一架喷气式客 机“彗星号”, 可载客80 名，最大起飞重量达70吨 ，跨音速。
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问题二 如何飞？
升力 F
飞行力学作为刚体，
研究运动规律和控制。 阻力 R
重力 W
耐久性设计和可靠性设计等。
设计目标：
保证结构与构件的安全和功能 设计-制造-使用-维护的综合分析与控制， 功能—安全—经济的综合性评价， 自感知、自激励、自适应 （甚至自诊断、自修复）的智能结构。
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3.2 现代力学的特点
应用现代计算机、信息技术，
与其他基础或技术学科相互结合与渗透。
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五、最基本概念--力和运动
力学既要研究力，又要研究运动， 还要将力和运动二者联系起来。
1. 力： 力是物体间的相互作用。
表面力
直接接触的物体，通过接触表面的相互作用。 如物体间压力等。表面力分布作用在接触面上。
体积力
非直接接触物体间的相互作用。 如物体重力、惯性力、电场力、磁场力等。 体积力分布作用在物体整个体积内，与质量有关29。
例如，研究工程构件（如杆、梁、轴等）时，
先将其理想化为刚体，研究其上的受力和运动；
再将其视为变形体，并假定变形是弹性的， 研究在载荷作用下构件的弹性变形；
若进一步考虑材料的塑性，可研究其弹—塑性 行为。就会得到更进一步的启发。
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七、工程静力学研究主线
工程力学问题的分析，一般都需要进行
的力成正比，并发生于该力的作用线上。
Fma
是动力学基本方程。 注意 F 、 a 是矢量。 特别地，若物体的运动状态不发生改变（a=0）,
则称物体处于平衡。
4. 力与固体的变形之关系的研究, 属固体力学
。 力与变形之关系，是与材料有关的物理行为。
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六、一般研究方法
工程力学解决问题的一般方法，类似于一般科学研究的 普遍方法，可归纳为：
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材料模型
变形体模型
刚体模型
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载荷模型
汽车通过轮胎作用在 桥面上的集中力模型
桥面板作用在钢梁
的分布力模型
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建立力学模型是最关键的。(需要知识和经验)
研究不同的问题，采用不同的模型。
好的模型，既能使问题的求解简化，
又能使结果基本符合实际情况，满足精度。
1875年，氢气球载人飞行到万米高空。 19世纪后，出现了飞艇。
充填氢、氦、热空气等产生升力， 用动力装置辅助控制, 可以向任意方向飞行。
到19世纪末，经典流体力学基础已经形成。
空气动力飞行：
到20世纪，人们从理论和实践二方面研究飞行 器与空气相对运动时作用力(升力，阻力)的产生及 其规律。空气动力学 发展并形成新分枝。
90年代开始，力学与材料、控制（包括传感与激励）、
计算机相结合，研究发展面向21世纪的、具有“活” 的功能的智能结构。
生物力学： (70年代冯元祯博士)
生物材料力学性能、微循环、定量生理学、心血 管系统临床问题和生物医学工程等。 “没有生物力学，就不能很好地了解生理学。”
依托新兴产业发展力学。
航空航天、信息、生命、功能材料等 26 第26页，本讲稿共37页
工程力学历史及发展
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第一章 绪论
一、 什么是力学
二、力学与工程
三、现代力学的发展及其特点
四、学科分类 五、最基本概念--力和运动 六、一般研究方法
七、工程静力学研究主线
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一、什么是力学?
力学是研究物质机械运动规律的科学。
墨子： “力，形之所以奋也”。（公元前4世纪 ）