工程力学历史及发展

1、工程力学历史及发展1第1页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三第一章 绪论一、 什么是力学二、力学与工程三、现代力学的发展及其特点七、工程静力学研究主线五、最基本概念-力和运动四、学科分类六、一般研究方法2第2页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三一、什么是力学?是各技术工程学科的重要理论基础，是沟通自然科学基础理论与工程实践的桥梁。所阐述的规律带有普遍性，是一门基础科学。 直接服务于工程,又是一门技术科学。力学是研究物质机械运动规律的科学。墨子： “力，形之所以奋也”。（公元前4世纪） 力是物体为什么改变其状态的原因。 3第3页，共37页，2022年，5月

2、20日，3点52分，星期三机械、结构等 受力如何？ 如何运动？ 如何变形？破坏？ 如何控制设计？其目的是： 了解工程系统的性态 并为其设计提供合理的规则。工程力学（或者应用力学）是:将力学原理应用实际工程系统的科学。性态规则4第4页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三 二、力学与工程以力学与航空航天工程为例简单回顾。5第5页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三实验探索： 风筝、火箭、模拟鸟类滑翔等。问题一、如何飞起来？6第6页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三到19世纪末，经典流体力学基础已经形成。1783年6月，法蒙高兄弟布袋式热气球飞

3、行。1875年，氢气球载人飞行到万米高空。19世纪后，出现了飞艇。 充填氢、氦、热空气等产生升力， 用动力装置辅助控制, 可以向任意方向飞行。空气静力飞行：（气球、飞艇） 到20世纪，人们从理论和实践二方面研究飞行器与空气相对运动时作用力(升力，阻力)的产生及其规律。空气动力学 发展并形成新分枝。空气动力飞行：7第7页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三1949年，第一架喷气式客机“彗星号”, 可载客80名，最大起飞重量达70吨，跨音速。1903年，莱特兄弟（美国）的木制机身、双层帆布机翼螺旋桨飞机第一次飞行。8第8页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三问题

4、二 如何飞？ 作为刚体，研究运动规律和控制。飞行力学问题三 如何保证结构的安全？ 无缺陷均匀材料， 变形体。研究对象 材料力学性能、 结构应力分析、 失效判据、设计规范。 研究内容 材料力学、结构力学、弹性力学、计算力学等。 属于静强度设计。相应学科9第9页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三 飞 机 整 机 结 构 强 度 实 验 机翼破坏实验 10第10页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三 机 身 结 构 强 度 实 验11第11页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三材料缺陷的影响如何？载荷变化的影响如何？60年代末，美国空军 F-1

5、11飞机连续发生灾难性事故，是由含裂纹构件的脆性断裂引起的，断裂力学方法也从此引入飞机设计中。断裂力学-考虑材料缺陷和裂纹近代，复合材料，智能结构的研究。目标：更轻、更快、更安全（自监测、自诊断）1952年，“Comet”试飞300多小时后投入使用。1954年元月突然发生空中爆炸，坠落于地中海。残骸研究后表明，起源于机身开口拐角处的裂纹，在扰动载荷作用下扩展导致破坏。疲劳力学-考虑载荷变化和重复作用的影响12第12页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三 振动、噪声控制；稳定性和可操纵性力学与工程紧密结合。是一门既古老又年轻的学科，它对于近、现代科学技术的进步，有重要的影响。问

6、题四、如何更加舒适？飞起来?跨、超音速空气动力学喷气机、后掠翼、复合材料快速理论力学飞行力学如何飞？安全振动 噪声；稳定性舒适材料力学结构力学弹性力学计算力学疲劳力学断裂力学空气动力学双、单翼机气球、飞艇流体力学实验力学13第13页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三 大型汽轮机 转子结构的破坏例：14第14页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三 轴 叶轮 疲劳断裂破坏15第15页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三 转子轴 疲劳开裂 疲劳断裂破坏16第16页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三台南高屏大桥断裂2000年8

7、月27日下午3时20分，台湾南部高屏大桥断裂，大桥中间下陷部分长达100米。17辆车坠河，22人受伤。 采沙过度，河面沉降10余米，桥墩先断裂。17第17页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三2000年月25日，法航协和式客机坠毁，113人死亡。地面铁条使轮胎爆裂，碎片侵入发动机。18第18页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三汽车碰撞试验19第19页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三建筑物控制爆破20第20页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三 上海 东方电视塔 高300m 球径45m21第21页，共37页，2022年

8、，5月20日，3点52分，星期三 抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）22第22页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三材料与对象：金属、土木石等 新型复合材料、高分子材料、 结构陶瓷、功能材料。尺度：宏观、连续体 含缺陷体， 细、微观、纳米尺度。3.1 力学研究的发展：应用领域： 航空、土木、机械、材料 生命、微电子技术等三、现代力学发展及其特点实验技术： 电、光测实验技术 全息、超声、光纤测量， 及实验装置的大型化。23第23页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三静强度、 断裂控制设计、抗疲劳设计、刚度设计 损伤容限设计、结构优化设计、 耐久性设

9、计和可靠性设计等。保证结构与构件的安全和功能 设计-制造-使用-维护的综合分析与控制， 功能安全经济的综合性评价， 自感知、自激励、自适应 （甚至自诊断、自修复）的智能结构。设计目标：设计准则：24第24页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三3.2 现代力学的特点 应用现代计算机、信息技术， 与其他基础或技术学科相互结合与渗透。材料设计：按所要求的性能设计材料。(90年代)计算机应用：计算力学+计算机应用 (60年代) 解决复杂、 困难的工程实际问题。使工程结构分析技术；（结合CAD技术） 监测、控制技术（如振动监测、故障诊断）； 工程系统动态过程的计算机数值仿真技术； 广泛

10、应用至各工程领域。25第25页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三90年代开始，力学与材料、控制（包括传感与激励）、计算机相结合，研究发展面向21世纪的、具有“活”的功能的智能结构。智能结构：生物材料力学性能、微循环、定量生理学、心血管系统临床问题和生物医学工程等。“没有生物力学，就不能很好地了解生理学。”生物力学： (70年代冯元祯博士)依托新兴产业发展力学。 航空航天、信息、生命、功能材料等26第26页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三四、学科分类静力学：研究力系或物体的平衡问题，不涉及物体 运动状态改变；如飞机停在地面或巡航。运动学：研究物体如何运动

11、，不讨论运动与受力的 关系； 如飞行轨迹、速度、加速度。动力学：研究力与运动的关系。 如何提供加速度？按运动与否分：27第27页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三按研究对象分：一般力学：对象是刚体。研究力及其与运动的关系。 有理论力学，分析力学等。流体力学：对象是气体和液体。 有水力学、空气动力学等。固体力学：对象是可变形固体。研究强度、变形、破 坏等。 有材料力学、结构力学、弹性力 学、塑性力学、断裂、疲劳等。 (理论分析、实验和数值计算) 有实验力学、计算力学二个方面的分支。按研究手段分： 有飞行力学、船舶结构力学、岩土力学等。按应用领域分：28第28页，共37页，20

12、22年，5月20日，3点52分，星期三五、最基本概念-力和运动力学既要研究力，又要研究运动， 还要将力和运动二者联系起来。力是物体间的相互作用。1. 力：直接接触的物体，通过接触表面的相互作用。如物体间压力等。表面力分布作用在接触面上。表面力非直接接触物体间的相互作用。如物体重力、惯性力、电场力、磁场力等。体积力分布作用在物体整个体积内，与质量有关。体积力29第29页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三 2. 运动：是力(力系)作用的结果。有二种效应：物体空间位置随时间的变化。 如飞机在空中飞行，复杂的运动。运动（外效应）物体自身形状的局部畸变。 如机翼、机身结构的变形。变形

13、（内效应）30第30页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三3. 力与运动之关系的研究，属于动力学。是动力学基本方程。 注意 F 、 a 是矢量。牛顿第二定律: 物体运动状态的改变( dv/dt=a )与作用于其上的力成正比，并发生于该力的作用线上。力与变形之关系，是与材料有关的物理行为。4. 力与固体的变形之关系的研究, 属固体力学。特别地，若物体的运动状态不发生改变（a=0）, 则称物体处于平衡。31第31页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三提出问题，选择有关的研究系统。对系统进行抽象与简化，建立力学模型。利用力学原理进行分析、推理，得出结论与已知结论相

14、比较，或由实验进行验证。确认或进一步改善模型，深化认识六、一般研究方法工程力学解决问题的一般方法，类似于一般科学研究的普遍方法，可归纳为：建立力学模型是最关键的。(需要知识和经验)模型包括材料性能、载荷、约束、几何形状等 真实情况的理想化和简化。32第32页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三材 料 模 型变形体模型刚体模型33第33页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三汽车通过轮胎作用在桥面上的集中力模型载 荷 模 型桥面板作用在钢梁的分布力模型34第34页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三例如，研究工程构件（如杆、梁、轴等）时， 先将

15、其理想化为刚体，研究其上的受力和运动；建立力学模型是最关键的。(需要知识和经验)研究不同的问题，采用不同的模型。 好的模型，既能使问题的求解简化， 又能使结果基本符合实际情况，满足精度。若进一步考虑材料的塑性，可研究其弹塑性行为。就会得到更进一步的启发。再将其视为变形体，并假定变形是弹性的， 研究在载荷作用下构件的弹性变形；35第35页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三七、工程静力学研究主线工程力学问题的分析，一般都需要进行 -力的研究。 -运动和变形的研究。 -联系力与运动、力与变形之关系的研究。若构件处于静止或平衡状态，则不必考虑其运动。平衡状态的力学问题称为静力学问题。力的平衡关系、变形的几何协调关系 和力与变形间的物理关系。研究工程静力学问题的主线和核心是：36第36页，共37页，2022年，5月20日，3点52分，星期三(1) 受力分析及静力平