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工程力学

来源:中文百科专业版 VIEW: 发布时间:2020-06-29

工程力学拼音:gōng chéng lì xué;英文:engineering mechanics),在工程科学中,力学是研究有关物质宏观运动规律及其应用的科学,在理论工作上,有时要用微观的方法得出宏观的物理性质。工程给力学提出问题,力学的研究成果改进工程设计思想。从在工程上的应用来说,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。

发展简史

人类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月出版的伽利略的著作《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。C.-L.-M.-H.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》被认为是弹性理论的创始。其后,1870年A.J.C.B.de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。L.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。1928年,美国E.C.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。

土力学在20世纪初期即逐渐形成,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,K.泰尔扎吉(一译太沙基)起了重要作用。

岩体力学是一门年轻的学科,20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17世纪到20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20世纪前半期物理学的进展并以现代数学(如张量、元、群、泛函、模、希尔伯特空间等)为基础,出现了一门新的学科──理性力学。1945年,M.赖纳提出了关于粘性流体分析的论文,1948年,R.S.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S.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。

学科内容

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。

理论物理学里,常把理论力学的重要分支如振动理论、运动稳定性理论、陀螺仪理论等统称为一般力学,而把固体及流体力学统称为变形体力学,假定物体是连续的,这样来综合研究变形体的一般运动规律,小变形理论,大变形理论等。范围较变形体力学更大的一个学科是连续介质力学,其研究对象包括所有基本上连续分布的物质。

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(构)筑物的影响的学科。

水力学空气力学都是流体力学的应用。空气力学研究空气和其他气体的静力及动力特性,气体与在气流中物体的力学相互作用。空气力学分为两个分支:空气静力学及空气动力学。为研究在流体中结构的行为,需要将结构力学与流体力学相结合,这就是流体弹性力学。它又分为水动力弹性力学和空气动力弹性力学(例如桥梁受风振动时的自激振动和强迫振动问题)。

流变学是研究物质的变形、流动的科学。流变体与简单的粘性流体不同,除粘滞性以外,还要从微观的角度来研究问题。对可塑性物体、岩土、生物细胞等种种物质的粘性、弹性、塑性、摇溶性等性质,要用超出物理学、高分子化学等的边缘学科加以综合研究。在研究蠕变、滞后、阻尼等现象时,除材料的固体性质外,还要考虑粘性性质,即在应力-应变关系中引入时间的因素,这些问题的研究,就要用到流变学的理论。

土力学岩体力学,虽然也利用到弹性力学塑性力学流变学等,但土的本构关系,岩体的力学介质模型都很复杂。因此,这两个学科的基本体系与固体力学不同。

在20世纪50年代后期,随着电子计算机有限元法的出现,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。

按作用使结构产生反应的性质分类,工程力学的许多分支都可以分为静力学动力学。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。

研究方法

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。

1.实验研究 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。

2.理论分析与计算 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。结构分析方法的主要途径有二:利用力的平衡条件和能量法。固体力学的普遍的指导原理是变分原理,在计算方法上则可分为解析法和直接解法。由于电子计算机的发展,数值解法得到很大进展。

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