工程力学概论

工程力學概論航空宇航学院工程力学

010750116 林建安

第一部分

课堂笔记

一力学与二十一世纪

科学与财富---力学与现代科技

•大学生的理想与现实---和谐与矛盾？机会与困惑？

•科学、技术与工程---研究型大学的使命是什么？

•科学发展与产业革命---科学的力量在那里？

•前苏联解体的科技背景---旧船票能否远行？

•力学发展的里程碑---牛顿时代到何时？

•力学与现代科技---重塑辉煌？

•“比尔-盖茨”的机遇何处寻？

•“男怕入错行”：方向在哪里？

•志愿与专业：何为热门专业？

力学的进程

第一次产业革命: 蒸汽机时代

•强度学萌芽

•亚历士多得/哥白尼/牛顿/爱因斯坦

第二次产业革命: 电器时代, 大型机械

•力学/ 强度/ 寿命/ 计算科学

•设计/ 分析/ 制造工艺

•全生命周期设计------依赖于虚拟技术

•第三次产业革命: 微电子技术

•新领域, 新问题, 新机遇

•材料科学

工程力学

工程力学是力学与现代工程科学技术交叉发展的一门力学分支学科，已成为航空与航天、机械、自动化技术、材料与加工、电子与信息、土木等国防与国民经济建设工程科学的基础；具有广泛性、复杂性和多样性，体现学科交叉发展和相互促进，以及力学在解决重大工程技术问题中的基础性和必不可少的作用。工程力学学科始终瞄准国际上工程力学和高新技术的发展前沿，以力学理论为基础，以航空宇航科技为依托，以创新成果推动我国国防事业的发展为宗旨，不断吸收其他力学学科和相关学科的最新研究成果来充实自己，更好地解决工程技术问题，并提炼出新思想、新原理和新方法，具有理论研究和应用研究并重及多学科交叉等特色。

•已由对自然的探索转向为人类发展服务

•工科的基础，如数学对AA自然科学

•力学如何与21世纪各优先发展领域结合为人类生存与发展服务，同时自身发展？

•强度—从实验室到实际结构

•环境—服役寿命问题

•智能检测技术和控制技术

•可靠性—全寿命安全保障需求

•微电机—小卫星/微型飞行器

•空间科学研究

科学、技术与工程---研究型大学的使命

•培养优秀人才

•积聚知识，储备技术

•前瞻性研究，酝酿技术

•科学------未来的生产力

•创新精神;创新知识;创新人才;创造事业

•实现人类共同发展的理想

纳米知识

纳米：1nm= 10-3 m =10-9m=10Å=10个氢原子直

纳米科学技术是什么?

80年代末诞生、正在迅速发展的以0.1—100纳米尺度物质为对象的一种高新科技。

纳米科学技术干什么？

在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过机械、物理、化学方法或直接操纵原子、分子而创造具有崭新性质和性能的新材料、新器件。

纳米科技的重要性

–Armstrong: 正像70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为21世纪信息时代的核心

–钱学森：纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的重点，会是一次革命，从而将是21世纪又一次产业革命

–二十一世纪科学的前沿和主导科学

分子物理力学概念

•分子物理力学将传统力学与量子力学结合起来，在分子层次和纳尺度下研究物质的物理力学问题。

•以牛顿力学和量子力学(QM)以及能量原理为基础,

•采取自下而上为主, 并与从上到下相结合的研究方式,

•探索纳米/分子器件和系统的新规律和新原理, 着重研究其力学与物理、生化耦合行为,

•为发展纳/分子机电系统、纳/分子电子学、纳智能系统和分子仿生技术提供科学基础。

•科技关键词---尺度

•信息、生命与国防科技发展趋势

•分子物理力学---科技发展的新基础

二智能材料概述

智能材料结构的诞生的主要原因：

1.复合材料在结构中的普遍使用，使得驱动元件和传感元件很容易

融合进入材料，组成整体；

2.对机械、电子、动作等材料的多方面性能的耦合进行研究；

3.微电子技术、总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息处

理和快速控制方面的难题。

什么是智能材料：

将形状记忆合金与薄壁圆管相耦合，构成具有双向驱动能力的扭力驱动器，实现了翼面模型的上下偏转。初步建立了形状记忆合金扭力驱动器的力学模型，研制成功了由计算机控制的自适应机翼模型实验系统。

结构建模与仿真

建立强非线性(物理非线性和几何非线性)、多场耦合(电、磁、热弹性)的各种变分原理及相应的数值分析方法；集成器件与结构材料本

体间的相互作用与耦合机理及宏细观力学行为

控制方法

针对分布式、非线性、强耦合、多变量及时变性复杂机械构系统，建立智能结构控制的数学模型，研究系统中控制与结构相互作用、系统辩识与状态估计。智能材料结构研究面很宽的，难度大，涉及多学科（包括工程力学学科）的交叉和融合。作为方兴未艾的高新技术，智能材料结构的潜在发展有着广阔的天地。可以肯定的说，工程力学在智能材料结构研究中也是大有用武之地。结构强度研究所

三数值计算与仿真

任务举例：

1. 结构设计时进行总体应力分析（数值计算），根据应力分布情况看结构设计是否合理。

2. 对结构的重要细节（如：连接部位）进行局部应力分析（数值计算），决定结构是否有足够的强度。

3. 对结构的机构进行动态分析，包括考虑和不考虑变形两种情况（数值计算和仿真）。

有限元建模

需要遵循的原则有几何近似和物理近似。

几何近似：离散结构的形状应与原来的相近。

例如：曲线（曲面）的模拟；

物理近似: 离散结构的模型应能正确反映出结构在外载荷作用下的变形情况。

例如：结构中应力分布不均匀；不同材料性

能，特别是破坏过程中材料性能的模拟。

无单元法或无网格法(Mesh-less method)