力学杂谈

力学的发展与科研08级机械设计制造及其自动化(2)班李强 3008201105 通过对力学的发展与科研这门课的学习,对力学及其分支的形成、发展、研究领域、研究手段，力学及其分支学科的概况有了一定的了解和认识，丰富了自己的知识，开阔了视野。

下面是我通过对本课程学习所做的一些归纳和总结。

力学研究自然界和工程中介质变形、流动的宏-微观行为，揭示机械运动及其与物理、化学、生物学过程的相互作用规律。

为人类认识自然和生命现象、开拓工程设计提供理论和方法，是人类科学知识体系的重要组成部分，对科学技术的发展具有重要的引领、支撑和推动作用，是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本据。

机械运动是物质运动的最基本的形式。

机械运动亦即力学运动。

力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分，也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支,同时也可按研究时所采用的主要手段区分为三个方面：理论分析、实验研究和数值计算。

力学在工程技术方面的应用结果形成工程力学或应用力学的各种分支，诸如土力学、岩石力学、爆炸力学复合材料力学、工业空气动力学、环境空气动力学等。

力学和其他基础科学的结合也产生一些交又性的分支，最早的是和天文学结合产生的天体力学。

在20世纪特别是60年代以来，出现更多的这类交叉分支，其中有物理力学、化学流体动力学、等离子体动力学、电流体动力学、磁流体力学、热弹性力学、理性力学、生物力学、生物流变学、地质力学、地球动力学、地球构造动力学、地球流体力学等。

20世纪以来，力学有了很大的发展，创立了一系列重要的新概念、新理论和新方法。

力学与其它学科的交叉和融合日显突出，形成了许多力学交叉学科：力学与物理学的交叉形成了物理力学，与生命科学的交叉形成了生物力学，与环境科学和地学的交叉形成了环境力学，以及爆炸力学、等离子体力学等都形成了力学的新的学科生长点，不断地丰富着力学的研究内容和方法，并使力学学科始终保持着旺盛的生命力。

同时，人类社会和经济发展的更高需求将不断促进力学与其他学科的交叉，促进力学交叉学科发展到一个崭新的阶段。

固体力学是研究可变形固体在外界因素作用下所产生的应力、应变、位移和破坏等的力学分支。

固体力学在力学中形固体力学成较早，应用也较广。

水利工程中的各种结构都可以看作是可变形固体构成的，它们的设计和计算都要应用固体力学的基本原理和计算方法。

我校力学硕士点有动力学与控制（原一般力学与力学基础）、固体力学、流体力学、工程力学和生物力学。

下面是对这几个学科的一下描述和总结。

一、一般力学与力学基础一般力学与力学基础是力学学科的一个分支。

一般力学研究牛顿力学的一般原理和宏观离散系统的力学现象，国际上旺旺将一般力学的内容概括为“动力学、振动与控制”。

随着科技的发展，研究范围从离散系统动力学扩展到陀螺力学、振动理论、运动稳定性理论、控制理论、机器人动力学等等；今年来又扩展到复杂系统的动力学、振动与控制及非线性系统的分岔、混沌、突变和孤立子等。

不少连续介质力学问题可以经过离散化而变成有限自由度系统的问题来求解，因而一般力学中的原则和方法也旺旺适用于连续介质力学。

一般力学与力学基础主要研究方向包括：1.非线性振动、振动控制和稳定性分析；2.非线性振动系统的分岔与混沌；3.机电藕联系统的非线性动力学；4.非线性动力学理论及其工程应用；5.非线性振动理论及应用；6.磁固体动力学。

非线性科学是目前正在日益显示其重要性的学科。

宏观的机械运动中不仅同样包含着各种非线性现象，而且再一次提供了最直观、最易于感知的实例。

由于力学为非线性现象提出了很多典型例子，因此，众多的力学工作者参与研究，必将推动非线性科学的发展。

但是，随着技术的发展，新问题仍层出不穷。

随着各种机器人的日益广泛采用，不仅需要研究组成机器人的多体系统的运动和控制，而且还要考虑某些部件的弹性，否则不能保证其定位精度。

人造卫星往往带有尺寸很大的柔性部件和液体。

为保证其稳定性，传统的运动稳定性理论已不能解决问题，需要有能分析这类既有刚体，又有可大变形的柔体及液体的系统的理论和方法。

高速列车的速度越来越快，车辆(包括单车和列车)运行时的平稳性是必须保证的。

现有的理论在这里再一次显得不够，因为有必要把车辆和轨道作为一个系统来考虑。

一般力学作为一门重要的基础性学科和现代工程建设中有重要影响的应用基础性学科，在我国有较好的基础，拥有一支较强的科技队伍，在非线性振动和非线性动力理论、复杂多体系统动力学、运动稳定性理论、分析力学，以及振动理论及其工程等许多方面，都已作出了有价值的成果，有的在国际上有一定的影响。

改学科的发展一般不需要庞大而耗巨资的实验基地。

因此，一般力学是应该也是可以得到优先发展的重点学科之一。

二、固体力学固体力学是研究可变形固体在外界因素作用下所产生的应力、应变、位移和破坏等的力学分支。

固体力学在力学中形固体力学成较早，应用也较广。

水利工程中的各种结构都可以看作是可变形固体构成的，它们的设计和计算都要应用固体力学的基本原理和计算方法。

固体力学所研究的可变形固体是一种简化的力学模型。

它具有连续性，即在固体所占有的空间内连续无空隙地充满着物质。

如果进一步简化，可以假定它是均匀、各向同性的，所产生的变形是微小的。

可变形固体按其材料的本构关系可分为弹性体、弹塑性体、粘弹性体等。

按其形状的几何特征，可变形固体可以分为以下三类。

①杆件：它的纵向尺寸比两个横向尺寸大很多倍，如梁和柱。

②板和壳：它的长度和宽度远大于第三个方向的尺寸（厚度）。

平分厚度的中面分别为平面或曲面，如平板闸门的面板，某些房屋的顶盖。

③空间体(实体)：它在三个方向的尺寸是同量级的，如堤坝、地基对水利工程来说，固体力学主要用于工程结构的力学分析。

所得的结果（如结构的内力、应力、位移）可作为设计的依据，使工程结构满足安全与经济这两方面的设计要求。

力学分析的方法可以根据结构的类型或其简化模型而分别选用。

工程上常常遇到的杆件或杆系结构是应用材料力学或结构力学进行力学分析的1）固体力学应用研究的跨世纪发展趋势1.材料科学与固体力学2.微机电系统3.精细加工4.能源工程5.航空航天与交通工程6老龄工程结构的安全评估7.岩石力学与工程应用8.土力学与工程应用三、流体力学流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。

此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学；从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。

流体力学应用领域1.造船工程学2.航空工程学3.热传学4.大气科学5.河川工程学6.应用力学人们一方面将根据工程技术方面的需要进行流体力学应用性的研究，另一方面将更深入地开展基础研究以探求流体的复杂流动规律和机理。

后一方面主要包括：通过湍流的理论和实验研究，了解其结构并建立计算模式；多相流动；流体和结构物的相互作用；边界层流动和分离；生物地学和环境流体流动等问题；有关各种实验设备和仪器等。

四、工程力学工程力学是研究有关物质宏观运动规律，及其应用的科学。

工程给力学提出问题，力学的研究成果改进工程设计思想。

从工程上的应用来说，工程力学包括：质点及刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩体力学等。

工程力学的特点是研究各个物体的性质，如梁的刚度与强度，柱的稳定性，变形与力的关系，弹性模量，粘性模量等。

这一时期的连续体力学是从宏观的角度，通过实验分析与理论分析，研究物体的各种性质。

它是由质点力学的定律推广到连续体力学的定律，因而自然也出现一些矛盾。

工程力学专业培养目标：在力学、机械工程及航空航天等领域内从事理论研究、分析与综合、工程设计与开发和技术管理等工作。

力学既是基础学科，又是应用学科：作为基础学科它与数理化天地生同样重要，是机械、土木、交通、能源、材料、仪器仪表等相关工科的基础；作为应用学科，它几乎与所有工科专业交叉，直接解决工科专业发展和工程实际中的力学难题。

现在的工程力学专业，与时俱进，多增加了使用大型工程力学分析软件解决实际问题以及利用计算机辅助测试系统进行工程测试和分析的学习。

可以说，它亦理亦工，同时精通计算机。

工程力学无论参与到建筑设计还是土木施工中都大有可为，能源采掘、船舶制造和航天器制造，也都要充分用到力学知识，力学是工科中的“万金油”专业。

五、生物力学生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。

其研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。

生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。

生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。

依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。

生物力学分为生物固体力学、生物流体力学和运动生物学，生物固体力学是利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。

在近似分析中，人与动物骨头的压缩、拉伸、断裂的强度理论及其状态参数都可应用材料力学的标准公式。

但是，无论在形态还是力学性质上，骨头都是各向异性的。

生物流体力学是研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理论和流变学有关的力学问题。

运动生物力学是用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学研究人体运动的学科。

用理论力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深入的领域。

力学在机械行业中的应用以及举例机械领域对力学的基础知识要求很高，主要研究的是材料力学和理论力学，是对不同材料和零件内部产生的应力分析。

失效形式方面，机械类主要考虑的是机械失效，比如断裂，睑裂，塑性变形等等一些力学失效。

理论力学研究外力作用，材料力学研究的是材料的强度，变形之类。

工程力学是机械、土建类功课专业学习的基础课程，也就是说工程力学是机械类的基础科目，同时也是主要课程。

工程实例：门式钢架的受力分析如图所示，门式钢架均布载荷q 作用，其柱高L1，横梁长L2，柱和梁均采用钢材制作，弹性模量为E ，泊松比为μ，并且已知柱与梁的截面形式。

具体参数如下q=200N/m ，E=Pa 11101.2⨯，μ=0.3，L1=5m ，L2=10m ，h=0.4m ，m b b 2.021==，m t t 02.021==，m t 01.03=；求解：在均布载荷q 下门式钢架的剪力、最大弯矩、最大转角，绘出弯矩图以及变形图。

分析过程与结果如下：有限元分心模型图表1－1 ANSYS 分析计算所得各单元剪力值：弯矩图从弯矩图上分析：最大弯矩在15，16单元处，其值为： m M ⋅=N 1876.0max 。