材料力学在生活中的应用

工程力学

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工程力学在材料中的应用

在我们所学习的孟凡深版《工程力学》中的绪论谈到工程力学包括理论力学的静力学和材料力学的有关

内容，是研究物体机械运动

的一般规律和有关构件的

强度、刚度、稳定性理论的

科学，是一门理论性和实践

性都较强的专业基础课。

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。

人类对力学的一些基本原理的认识，一直可以追溯到史前时代。在中国古代及古希腊的著作中，已有关于力学的叙述。但在中世纪以前的建筑物是靠经验建造的。

1638年3月伽利略出版的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》被认为

是世界上第一本材料力学

著作，但他对于梁内应力分

布的研究还是很不成熟的。

纳维于1819年提出了关于

梁的强度及挠度的完整解

法。1821年5月14日，纳

维在巴黎科学院宣读的论

文《在一物体的表面及其内

部各点均应成立的平衡及

运动的一般方程式》，

这被认为是弹性理论

的创始。其后，1870

年圣维南又发表了关

于塑性理论的论文水

力学也是一门古老的

学科。早在中国春秋战

国时期(公元前5～前4

世纪），墨翟就在《墨

经》中叙述过物体所受

浮力与其排开的液体

体积之间的关系。欧拉

提出了理想流体的运

动方程式。物体流变学

是研究较广义的力学运动的一个新学科。1929年，美国的宾厄姆倡议设立流变学学会，这门学科才受到了普遍的重视。它分实验研究和理论分析与计算两个方面。但两者往往是综合运用，互相促进。

工程力学：

包括实验力学，结构检验，结构试验分析。模型试验分部分模型和整体模型试验。结构的现场测试包括结构构件的试验及整体结构的试验。实验研究是验证和发展理论分析和计算方法的主要手段。结构的现场测试还有其他的目的：

1.验证结构的机能与安全性是否符合结构的计划、设计与施工的要求；

2.对结构在使用阶段中的健全性的鉴定，并得到维修及加固的资料。

结构理论分析的步骤是首先确定计算模型，然后选择计算方法。

固体力学包括材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、复合材料力学以及断裂力学等。尤其是前三门力学在土木建筑工程上的应用广泛，习惯上把这三门学科统称为建筑力学，以表示这是一门用力学的一般原理研究各种作用对各种形式的土木建筑物的影响的学科。

土力学在二十世纪初期即逐淅形成，并在40年代以后获得了迅速发展。在其

形成以及发展的初期，泰尔扎吉起了重要作用。岩体力学是一门年轻的学科，二十世纪50年代开始组织专题学术讨论，其后并已由对具有不连续面的硬岩性质的研究扩展到对软岩性质的研究。岩体力学是以工程力学与工程地质学两门学科的融合而发展的。

从十九世纪到二十世纪前半期，连续体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。

于是基于二十世纪前半期物理学的进展，并以现代数学为基础，出现了一门新的学科——理性力学。1945年，赖纳提出了关于粘性流体分析的论文，1948年，里夫林提出了关于弹性固体分析的论文，逐步奠定了所谓理性连续体力学的新体系。

随着结构工程技术的进步，工程学家也同力学家和数学家一样对工程力学的进步做出了贡献。如在桁架发展的初期并没有分析方法，到1847年，美国的桥梁工程师惠普尔才发表了正确的桁架分析方法。电子计算机的应用，现代化实验设备的使用，新型材料的研究，新的施工技术和现代数学的应用等，促使工程力学日新月异地发展。

质点、质点系及刚体力学是理论力学的研究对象。所谓刚体是指一种理想化的固体，其大小及形状是固定的，不因外来作用而改变，即质点系各点之间的距离

是绝对不变的。理论力学的理论基础是牛顿定律，它是研究工程技术科学的力学基础。

在二十世纪50年代后期，随着电子计算机和有限元法的出现，逐渐形成了一门交叉学科即计算力学。计算力学又分为基础计算力学及工程计算力学两个分支，后者应用于建筑力学时，它的四大支柱是建筑力学、离散化技术、数值分析和计算机软件。其任务是利用离散化技术和

数值分析方法，研究结构分析的计算机程序化方法，结构优化方法和结构分析图像显示等。

如按使结构产生反应的作用性质分类，工程力学的许多分支都可以再分为静力学与动力学。例如结构静力学与结构动力学，后者主要包括：结构振动理论、波动力学、结构动力稳定性理论。由于施加在结构上的外力几乎都是随机的，而材料强度在本质上也具有非确定性。

随着科学技术的进步，20世纪50年代以来，概率统计理论在工程力学上的应用愈益广泛和深入，并且逐渐形成了新的分支和方法，如可靠性力学、概率有限元法等。

在人们运用材料进行建筑、工业生产的过程中，需要对材料的实际承受能力和内部变化进行研究，这就催生了材料力学。运用材料力学知识可以分析材料的强度、刚度和稳定性。材料力学还用于机械设计使材料在相同的强度下可以减少材料用量，优化结构设计，以达到降低成本、减轻重量等目的。

在材料力学中，将研究对象被看作均匀、连续且具有各向同性的线性弹性物体。但在实际研究中不可能会有符合这些条件的材料，所以须要各种理论与实际方法对材料进行实验比较。包括两大部分：其中一部分是材料的力学性能（或称机械性能）的研究，而且也是固体力学其他分支的计算中必不可缺少的依据；另一部分是对杆件进行力学分析。杆件按受力和变形可分为拉杆、压杆(见柱和拱)、受弯曲（有时还应考虑剪切）的梁和受扭转的轴等几大类。杆中的内力有轴力、剪力、弯矩和扭矩。杆的变形可分为伸长、缩短、挠曲和扭转。在处理具体的杆件问题时，根据材料性质和变形情况的不同，可将问题分为三类：

1.线弹性问题。在杆变形很小，而且材料服从胡克定律的前提下,对杆列出的所有方程都是线性方程,相应的问题就称为线性问题。对这类问题可使用叠加原