工程力学小论文.doc

11无极非（2）班Hefei University小论文 论文题目： 工程力学论文 年级专业： 11级无机非金属材料工程二班 学号姓名： 1103032042-袁映凯 老师姓名： 田长安 工程力学基础学科小论文摘要：工程力学是力学的一个分支，它主要涉及机械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等各种工程与力学结合的领域，分为六大研究方向：非线性力学与工程、工程稳定性分析及控制技术、应力与变形测量理论和破坏检测技术、数值分析方法与工程应用、工程材料物理力学性质、工程动力学与工程爆破。学制一般为四年，毕业后授予工学学士。就业面相当广泛，可以继续读博、从事科学研究、教师、公务员，或到国防单位工作，去外企等等。总的来说，工程力学专业具有现代工程与理论相结合的的特点，有很大的知识面和灵活性，对国家现代化建设具有重大意义。关键字：历史、研究方向、应用、学习心得一、工程力学简介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。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，但他对于粱内应力分布的研究还是很不成熟的。纳维于1819年提出了关于粱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。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沦，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，如粱的刚度与强度，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。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。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。力学发展简史托勒密(Ptolemy,100-170)在大汇编(Almagest)中建立了太阳系运行的托勒密体系。希罗(Hero of Alexandria,约公元60)在气体力学(Pneumatics)中涉及了真空、水与空气的压力、虹吸管、玩具和一种用正气驱动的旋转机械。在力学(Mechanics)中介绍了运动、平衡和简单机械的知识。帕普斯(Pappus Alexandrinus，300-350)在数学汇编第八卷(Mathematical Collec-tion Book 8)中汇集了古希腊对力学研究的成果。1022 约旦努(Jordanus de Nemore,1220)在重物的论述(Liber de ponderibus)中讨论了物体的平衡问题，包含了虚功原理的萌芽。1533 哥白尼(Nicholas Copernicus,1473-1543)在天体运行论(De revolutionibus orbium celestium)中提出了太阳系的哥白尼系统。1543 开普勒(Johannes Kepler,1571-1630)在宇宙的和谐(Harmonice mindi)中总结了行星运行的三大定律。1619 斯梯芬(Semon Stevin,1548-1620)的静力学原理(Staticae elementis)是静力学体系标志性著作。1586 默森(Marin Mersenne,1588-1648)在宇宙的和谐(Traite de lHarmonie Universelle)是最早关于声音、音乐和乐器的著作。1627 邓玉函(Joannes Terrens,1576-1630)王徵在远西奇器图说中最早介绍了西方力学知识。1627 伽利略(Galileo Galilei，1564-1642)在关于托勒密与哥白尼两大世界体系的对话(The system of the world:in four dialogues where-in the two grand systemes of Ptolemy and Copernicus)中系统地论证了哥白尼系统，提出了惯性运动的概念。1632 关于两门新学科的对话总结了材料强度、自由落体和抛物体的运动规律。1638 托里拆利(Evangelista Torrielli，1608-1647)在论重物的运动(De motu gravium)中证明了孔口出流的速度与液高的平方根成比例(即托里拆利定理)，还指出位置最低时平衡得好，是平衡稳定性的最早提法。1644 波义耳(Boyle, Hobert,1627-1691)在关于空气的弹性及其效果的物理力学新实验(New experiments physico-mechanicall, tou-ching the spring of the air and its effects)中以系统的实验论证了气体的弹性。1660 科恩(A. Korn)在关于弹性理论与转轴弯曲的不等式(Uber einige ungleichungen welche in der theorie der elastoschen und elektrischen schwingungen eine rolle spoelen)中给出了弹性力学能量正定性的不等式。1909 索维菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)在对流动转变为湍流的解释(Ein beitrag zur hydrodynamichen erklaung der turbulent flus-sigkeit-sbewegungen)是对层流稳定性的较早研究，得到了非自共轭的Orr-Sommerfeld偏微分方程。1909 冯米赛斯(Richard von Mises,1883-1953)在塑性变形固体的力学(Mechanik der fes-ten korper in plastisch deformablen)中提出固体在一定应力状态下的一种屈服条件，被称为米赛斯条件。1913 伽辽金( , 1871-1945)在在某些杆与板平衡问题中的级数(俄文)中提出一种直接离散的近似方法，被称为伽辽金(Galerkin)方法。1915 诺特(Emmy Noether,1882-1935)在变分问题的不变量(Invariante Variations prob-leme)中给出了两个关于动力系统的不变量定理，对20世纪力学和物理的发展产生了深刻的影响。1918 格里菲斯(Alan Arnold Griffith,1893-1963)在固体的流动与断裂现象(The phenomena of Rupture and Flow in Solids)是断裂力学的最早文献。1920 从上述简单介绍中可以看到以下结论：16世纪以前力学发展较慢；中国虽然有很多水利、桥梁、土木等等的伟大工程，却没有发表过力学方面的文献；力学与数学关系紧密、力学的发展与工程的需要密不可分；一辈子能为后人留下有用的宝贵知识并不容易。二、研究方向（一）非线性力学与工程主要研究非线性力学的基础理论和工程实用技术。研究土木建筑、水利水电、采矿、交通等部门中的地下峒室、采场、隧道、井巷、高层建筑基础、桥梁与基础、公路边坡、矿山边坡、水利水电坝基与边坡等工程在普通力场和耦合力作用下发生变形、位移和破坏的规律。通过现场监测、实验室模拟及计算机数值分析等综合研究，为工程设计和施工、实现工程设计优化、保证生产和施工安全提供科学依据。本研究方向致力于将现代前沿科学技术，如人工智能技术、灰色理论、数值模拟、非线性力学和不确定性分析技术等应用到岩土、结构材料力学分析和工程应用研究中来，不断提高工程设计和施工的科学水平。（二） 工程稳定性分析及控制技术 主要研究建筑结构、建筑地基、地下铁道、地下隧道、地下峒室、矿山井巷和岩土边坡、坝坡等结构和岩土工程的稳定性和可靠性分析、预测及其控制技术。通过现场监测、物理模拟及数值法计算，研究各种因素及其耦合作用对工程稳定性的影响，研究符合静、动力学和耦合特征的稳定性控制技术，特别是研究岩土体加固的作用机理、参数确定和新技术开发，新奥法在岩土工程中的应用。（三） 应力与变形测量理论和破坏检测技术应力和变形状态及其分布规律是一切工程稳定性的最基本方法。应力和应变测量是了解工程中应力、变形与破坏状态及其分布规律的重要手段。本方向研究重点为以下列两个方面：(1)地应力测量理论和技术。研究地应力测量的原理和方法，特别对目前国内外应用最广泛的应力解除法和水压致裂法在不连续、非均质、各相异性和非线性岩体中的工作性能进行系统的试验和研究。发展实用的测量和分析技术、仪器，以提高应力解除法和水压致裂法在复杂岩体和地质条件下的测量精度和可靠性。同时，发展新的地应力测量理论和监测技术、仪器。(2)在无损检测技术。现代无损检测技术、岩土材料和工程结构内部损伤、破坏、寿命评估、反分析理论和技术方法。（四） 数值分析方法与工程应用 数值分析已经成为岩土工程开挖与结构建造动态过程模拟、工程结构优化设计和稳定性分析的最有利手段。本研究方向主要研究各种数值分析方法，包括有限元法、边界单元法、离散单元法、不连续变形分析法和问题反分析方法和优化设计等在岩土和结构工程中的应用。重点在于应用上述方法合理、准确地模拟和分析、解决岩土和结构工程中的实际问题。要求培养的人才必须具有坚实的数学、力学基础，通晓数值分析的基本原理和方法，有不断发展现有的分析理论和技术，使之具有更加广泛的实用性和更高的精度的能力。同时还应具有编制实用程序软件的能力。（五）工程材料物理力学性质此研究方向以固体力学为基础，运用断裂力学、损伤力学和流变力学的新成就，研究岩土材料和建筑材料的力学性能。研究完整岩石的力学性质，在室内试验基础上研究岩石的应力应变关系、岩石破坏类型及破坏机制、岩石强度准则；研究节理岩体的力学特性，研究结构面对岩石强度、变形的影响；研究岩石流变力学，岩石和岩体的流变特性；研究软岩的力学特性，研究膨胀岩的力学特性、膨胀机制，研究软岩、膨胀岩稳定性的控制。研究混凝土及人工复合材料的细观破坏机理与宏观断裂与强度，徐变、疲劳以及环境因素对材料性能和寿命的影响。根据现场试验和实验室试验的结果，运用相关的力学理论，以及概论统计、模糊数学、灰色理论、人工智能理论和不确定性分析理论等建立岩石、岩体和混凝土等材料的本构模型也是本方向的重要研究内容。（六） 工程动力学与工程爆破研究冲击和动荷载对岩石的作用及其在岩体和地壳中引起的应力、应变、位移、裂隙和破坏等效应。在工程上主要研究凿岩、岩石破碎、桩基工程、地下开挖工程、岩爆、冲击地压、矿震和地震等与岩石动力学与工程有关的实际问题。研究炸药与爆炸的基本理论；现代岩石爆破理论；地质结构面的力学特征与爆破作用；工程爆破(一般土岩爆破、大爆破、拆除爆破和特种爆破)的设计与施工；爆破的量测技术和爆破过程的计算机模拟。三、工程力学的应用1、 材料力学材料力学在生活中的应用十分广泛。大到机械中的各种机器，建筑中的各个结构，小到生活中的塑料食品包装，很小的日用品。各种物件都要符合它的强度、刚度、稳定性要求才能够安全、正常工作，所以材料力学就显得尤为重要。生活中机械常用的连接件，如铆钉、键、销钉、螺栓等的变形属于剪切变形，在设计时应主要考虑其剪切应力。汽车的传动轴、转向轴、水轮机的主轴等发生的变形属于扭转变形。火车轴、起重机大梁的变形均属于弯曲变形。有些杆件在设计时必须同时考虑几个方面的变形，如车床主轴工作时同时发生扭转、弯曲及压缩三种基本变形；钻床立柱同时发生拉伸与弯曲两种变形。 利用材料力学中卸载与在加载规律得出冷作硬化现象，工程中常利用其原理以提高材料的承载能力，例如建筑用的钢筋与起重的链条，但冷作硬化使材料变硬、变脆，是加工发生困难，且易产生裂纹，这时应采用退火处理，部分或全部地材料的冷作硬化效应。在生活中我们用的很多包装袋上都会剪出一个小口，其原理就用到了材料力学的应力集中，使里面的食品便于撕开。但是工程设计中要特别注意减少构件的应力集中。在工程中，静不定结构得到广泛应用，如桁架结构。静不定问题的另一重要特征是，温度的变化以及制造误差也会在静不定结构中产生应力，这些应力称为热应力与预应力。为了避免出现过高的热应力，蒸汽管道中有时设置伸缩节，钢轨在两段接头之间预留一定量的缝隙等等，以削弱热膨胀所受的限制，降低温度应力。在工程中实际中，常利用预应力进行某些构件的装配，例如将轮圈套装在轮毂上，或提高某些构件承载能力，例如预应力混凝土构件。2螺旋弹簧是工程中常用的机械零件，多用于缓冲装置、控制机构及仪表中，如车辆上的缓冲弹簧，发动机进排气阀与高压容器安全阀中的控制弹簧，弹簧称中的测力弹簧等。生活中很多结构或构件在工作时，对于弯曲变形都有一定的要求。一类是要求构件的位移不得超过一定的数值。例如行车大量在起吊重物时，若其弯曲变形过大，则小车行驶时就要发生振动；若传动轴的弯曲变形过大，不仅会使齿轮很好地啮合，还会使轴颈与轴承产生不均匀的磨损；输送管道的弯曲变形过大，会影响管道内物料的正常输送，还会出现积液、沉淀和法兰结合不密等现象；造纸机的轧辊，若弯曲变形过大，会生产出来的纸张薄厚不均匀，称为废品。另一类是要求构件能产生足够大的变形。例如车辆钢板弹簧，变形大可减缓车辆所受到的冲击；又如继电器中的簧片，为了有效地接通和断开电源，在电磁力作用下必须保证触电处有足够大的位移。生活中处处都是材料力学的应用，它与我们的生活密切相关。而我们需要一双发现的眼睛，处处留心皆学问，我们需要熟练掌握材料力学的知识才能明白其中的奥秘。材料力学让我们明白了很多以前生活不能明白的问题。我们受益匪浅，而它也是学习机械方面的基础，是最关键的一门学科，以后学习工作的一种工具。2、固体力学自然界中存在着大至天体，小至粒子的固态物体和各种固体力学问题。人所共知的山崩地裂、沧海桑田都与固体力学有关。现代工程中，无论是飞行器、船舶、坦克，还是房屋、桥梁、水坝、原子反应堆以及日用家具，其结构设计都应用了固体力学的原理。固体力学研究的内容既有弹性问题，又有塑性问题；既有线性问题，又有非线性问题。在固体力学的早期研究中，一般多假设物体是均匀连续介质，但近年来发展起来的复合材料力学和断裂力学扩大了研究范围，它们分别研究非均匀连续体和含有裂纹的非连续体。固体力学的研究对象按照物体形状可分为杆件、板壳、空间体、薄壁杆件四类。薄壁杆件是指长宽厚尺寸都不是同量级的固体物件。在飞行器、船舶和建筑等工程结构中都广泛采用了薄壁杆件。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。例如：重力坝、闸墩等可以简化为杆件，应用材料力学分析它们的应力；对于水电站厂房骨架、闸门梁格系统等杆系结构，则应用结构力学进行内力分析。这样分析只要用简单的数学方法，计算比较方便。对于实体、板和壳等宜用弹性力学进行力学分析。工程结构的简化和力学分析可以有不同的方案。例如：前述的重力坝又可以简化为楔形体而利用弹性力学中的楔形体解答；还可以作为弹性力学的平面问题，应用有限元法或其他数值方法分析坝体应力。板和壳也可以简化为杆系结构，作为结构力学问题进行计算。有些问题的研究要综合应用固体力学的多个分支学科。例如对基础梁的研究就需综合应用结构力学和弹性力学。3 固体力学在应用中不断发展，随着电子计算机的广泛使用，力学分析和工程设计有效地结合，出现了结构优化设计、计算机辅助设计等新学科。3、流体力学流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定理和质量守恒定理，常常还要用到热力学知识，有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和高等数学、物理学、化学的基础知识。 除水和空气以外，流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。气象、水利的研究，船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行，可燃气体或炸药的爆炸，汽车制造（联众集群），以及天体物理的若干问题等等，都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了它不断地发展。20世纪50年代开始的航天飞行，使人类的活动范围扩展到其他星球和银河系。航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科空气动力学和气体动力学的发展紧密相连的。这些学科都属于流体力学。石油和天然气的开采，地下水的开发利用，要求人们了解流体在多孔或缝隙介质中的运动，这是流体力学分支之一渗流力学研究的主要对象。渗流力学还涉及土壤盐碱化的防治，化工中的浓缩、分离和多孔过滤，燃烧室的冷却等技术问题。燃烧离不开气体，这是有化学反应和热能变化的流体力学问题；爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递过程，涉及气体动力学；沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动等，都涉及流体中带有固体颗粒或液体中带有气泡等问题；在受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体运动等方面都有流体力学的广泛应用。风对建筑物、桥梁、电缆等的作用使它们承受载荷和激发振动；废气和废水的排放造成环境污染；河床冲刷迁移和海岸遭受侵蚀；研究这些流体本身的运动及其同人类、动植物间的相互作用的学科称为环境流体力学。44、结构力学经典的结构力学也称狭义结构力学，主要研究由杠杆组成的体系，更多涉及平面杠杆系。广义结构力学除了研究可变形的杠杆体系外，还包括可变形的连续体，如平板、壳体、块体等等。现实生活中结构体的应用无处不存在，像建筑、桥梁、汽车、日常的用具都是由不同的结构组成，它们的设计都离不开结构力学理论。结构力学的应用不管是在安全和保护环境上，还是在经济效益和稳固上往往能给我们带来意想不到的效果。在原始时代就已经出现了桥梁，那时跨越水道和峡谷是利用自然倒下的树木，自然形成的石梁或石拱。在17世纪以前，桥梁一般是用的木、石材料建造的，并按建桥材料分为石桥和木桥。19世纪50年代以后，随着酸性转炉炼钢和平炉炼钢技术的发展，钢材成为重要的造桥材料，钢的抗拉强度大，抗冲击性能好，尤其是19世纪70年代出现钢板和矩形轧制断面钢材，为桥的部件在厂内组装创造了条件，石桥的结构更加稳固。因为只是凭经验修桥，曾使19世纪80-90年代得许多铁路桥发生重大事故;从那时起，正在发展中的结构力学理论得到了重视，在它的静力分析理论完全确立并广泛普及之后，桥梁因强度不足而造成的事故大为减少。到了现代，桥梁按建桥材料可分为预应力钢筋混凝土桥、钢筋混凝土桥。混凝土抗拉强度很低，但其价格却远低于钢材，为了增加其抗拉能力，设计了钢筋混凝土这类复合建筑材料，使其既能承受拉力，又能承受压力，但限于混凝土材料本身所具有的力学性能，将其作为梁式桥结构用材，跨度仍远逊色于传统的拱桥结构。而预应力钢筋混凝土桁架拱桥：尽管有受力钢筋在承载，但在受拉区仍然不可避免地会出现一些裂缝，若对钢筋施加一定的张力作用，可以克服此弊端，即通过张拉预应力筋，使得受拉区事先储备一定数值的压应力，当外荷载作用时，混凝土可不出现拉应力或不超过某个临界值的拉应力，从而极大地提高了混凝土结构的抗裂性能，刚度和承载能力，进而导致了预应力混凝土桥梁结构的出现。众所周知一辆普通的小桥车，从侧面看上去，两个轮子的位置既不在最边上，也不在非常靠中间，这是为什么呢？平常我们都认为这是理所当然的，却不知其原理。其实这就是结构力学内力分析在生活中的应用。当轮子分别位于车左右四分之一处时，这样可以使车身在同样的荷载下的车身的弯矩最小，也就是内矩最小，可以使车身材料得到充分的利用，同时也更加安全。同样的原理在现实生活中也有很多的应用，如对于自重较大的杠件式物件采用两点起吊时，两点应该选在杠件两端四分之一处。四、学习心得学习工程力学这门课不知不觉已经快一学期了，首先我想浅谈我学到了什么：工程力学理论性强且与专业课、工程实际紧密联系，是科学、合理选择或设计结构（或构件）的尺寸、形状、强度校核的理论依据。具有承上启下的作用。也就是说，学好工程力学，为后续专业课的应用和拓展奠定了很强的理论基础。学习到的主要内容： 静力学：主要研究物体（刚体模型）的受力和平衡规律，主要包括三方面内容：1） 物体的受力分析（基础重点与难点）2） 力系的简化3） 刚体的平衡条件。 材料力学研究物体（变形体模型）在外力作用下的内力、应力、变形及失效规律。材料力学的任务要求构件在外力作用下安全（正常工作），必须满足：1） 强度条件： 2） 刚度条件：3）稳定性条件：学习工程力学的目的是在满足强度、刚度和稳定性的要求下，为工程构件的力学设计提供必要的理论基础和分析方法，以便设计出既安全又经济的构件。学习心得：这学期我们开了工程力学的课，