材料力学发展史

材料力学发展史第1页/共32页材料力学是固体力学中最早发展起来的一个分支，它研究材料在外力作用下的力学性能、变形状态和破坏规律，为工程设计中选用材料和选择构件尺寸提供依据。在固体力学各分支中，材料力学的分析和计算方法一般说来最为简单，但材料力学对于其他分支学科的发展起着启蒙和奠基作用。第2页/共32页材料力学(mechanicsofmaterials)作为机械、土木、采矿、航空航天、石油工程、地质勘探、海洋工程等领域的基础学科，在设计、制造与生产、技术创新、增产措施等方面具有重要的作用，是理工科大专院校相关专业的一门重要的专业基础课程。材料力学是基础课和专业课之间的桥梁和纽带，起到承上启下的作用，是几乎所有工科专业的基础课程。更是力学专业的学生和力学科学工作者的基础。第3页/共32页1638年，举世闻名的意大利数学家，天文学家，力学家伽里略1564～1642在荷兰莱登，出版了世界上第一本材料力学教本《两种新的科学》首先提出了材料的力学性质和强度计算的方法。人们认为，材料力学作为一门学科，就从这里开始。

材料力学的发展第4页/共32页但是，任何一门科学都不可能是个别人在短期内创造出来的，而是在几代人经常艰苦探索和创造而逐渐形成的。在科学巨匠达芬·奇、伽利略、惠更斯、库伦、麦克斯韦、欧拉、柯西、汤姆斯·杨、伯努利、纳维叶、圣维南等人的努力下，形成了一门系统的科学。泊松圣维南纳维叶欧拉第5页/共32页在古代建筑中，尽管还没有严格的科学理论，但人们从长期生产实践中，对构件的承力情况已有一些定性或较粗浅的定量认识。例如，从圆木中截取矩形截面的木粱，当高宽比为3：2时最为经济，这大体上符合现代材料力学的基本原理。第6页/共32页早期的材料力学是以木材、石头等脆性材料为研究主题，由于其变形很小，所以不可避免地具有很大的局限性。随着工业的发展，在车辆、船舶、机械和大型建筑工程的建造中所碰到的问题日益复杂，单凭经验已无法解决，这样，在对构件强度和刚度长期定量研究的基础上逐渐形成了材料力学。现在国内外流行的材料力学是在20世纪50年代引用前苏联的教材和教学模式的基础上建立起来的。第7页/共32页材料力学是一门古老的学科，在19世纪中叶材料力学发展到了鼎盛时期，有关材料力学中的几个重要的问题和概念也在这段时期提出的。第8页/共32页1杆件的拉伸问题

意大利科学家伽利略（Galileo）在《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》的书中尝试用科学的解析方法确定构件的尺寸，讨论的第一问题是直杆轴向拉伸问题，得到承载能力与横截面积成正比而与长度无关的正确结论。第9页/共32页2梁的弯曲问题

在《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》一书中，伽利略讨论的第二个问题是梁的弯曲强度问题。对于空心梁承载能力，他说，空心梁“能大大提高强度而无需增加重量，所以在技术上得到广泛的应用。在自然界就更为普遍了。这样的例子在鸟类的骨骼和各种芦苇中可以看到，它们既轻巧，而又对弯曲和断裂具有相当高的抵抗能力”。第10页/共32页1826年纳维（Navier，C.－L.－M.－H）才在他的材料力学讲义中给出正确的结论：中性层过横截面的形心。平截面假设是材料力学计算理论的重要基础之一。雅科布·伯努利于1695年提出了梁弯曲的平截面假设，由此可以证明梁（中性层）的曲率和弯矩成正比。此外他还得到了梁的挠曲线微分方程。第11页/共32页梁的变形计算问题，早在13世纪纳莫尔（NemoreJde）已经提出。俄罗斯铁路工程师儒拉夫斯基于1855年得到横力弯曲时的切应力公式。30年后，他的同胞别斯帕罗夫开始使用弯矩图，被认为是历史上第一个使用弯矩图的人。第12页/共32页3关于杆件扭转问题

对于圆轴扭转问题，可以认为法国科学家库仑（CoulombCAde）分别于1777年和1784年发表的两篇论文是具有开创意义的工作。法国力学家圣维南（Saint-VenantBde）于19世纪中叶运用弹性力学方法奠定了柱体扭转理论研究的基础，因而学术界习惯将柱体扭转问题称为圣维南问题。第13页/共32页4关于压杆稳定问题

压杆在工程实际中到处可见，早在文艺复兴时期，伟大的艺术家、科学家和工程师达·芬奇对压杆做了一些开拓性的研究工作。众所周知，细长杆压曲载荷公式是数学家欧拉首先导出的。第14页/共32页5疲劳强度问题

随时间作周期性变化的应力，称为交变应力。构件在交变应力作用下，经一定循环次数发生的破坏，称为疲劳破坏。1839年巴黎大学教授庞赛洛特（PanceletJU）在讲课中首先使用了金属疲劳的概念。第15页/共32页在历史上那些伟大的科学家的贡献之上，近代材料力学也有了突飞猛进的发展。起源于德国的哥廷根学派，在克莱因（Klein,F.）和希尔伯特（Hilber,D.）的推动下，形成了以普朗特（Prandtl,L.）为首的近代应用力学学派。在哥廷根大学，普朗特培养出了一大批的力学大师，如冯卡门、铁摩辛柯、希尔、德鲁克、普拉格、那戴、邓哈托等都是哥廷根学派的杰出代表。第16页/共32页而在华裔力学家中，也有大量的杰出人物，例如应用数学家林家翘、被誉为“生物力学之父”的冯元桢、计算力学家卞学璜、流体力学家吴耀祖、“预应力之父”林同炎等。我国的应用力学的源头也在哥廷根，其代表人物有钱学森、钱伟长、周培源、郭永怀、张维、钱令希、胡海昌、陆士嘉等。周培源钱伟长钱学森第17页/共32页材料力学面临的新挑战自20世纪50年代以来，大量的新材料不断从军工与高科技领域扩展到许多工业部门。这些材料，例如复合材料、高分子材料、结构陶瓷、智能材料等大量使用，大大减轻了结构的重量，提高了结构的强度和寿命。第18页/共32页但是经典的基于胡克定律的线弹性小变形本构关系已经无法描述上述材料的响应，例如：航空领域大量采用的纤维或者颗粒增强复合材料本身为各向异性；工程中大量含有裂纹的材料已非均匀连续；高分子材料的应力–应变关系是与时间相关的，且大都为非线性；新型的“软物质”材料是介于固体与流体之间的特殊的“复杂流体”，还没有恰当的本构关系；碳纳米管（CNT）和其它生物材料具有反常的“负泊松比”效应；生物体中的某些材料其“零应力”点并非为其初始状态；细胞粘附时需要考虑其它的“非经典力”，如毛细力、范德华力的影响。这些现象都说明，新的材料力学教材必须包含以上各种新的现象，例如非均匀、各向异性、非线性、时间相关等因素。第19页/共32页材料力学与生产实践人类历史有多久，力学的历史就有多久。“力”是人类对自然的省悟。第20页/共32页

公元卅一年，即东汉建武七年，杜诗创作了水排，表明人们已经很清楚地知道如何用拉压杆、弯曲梁、扭转轴等构件才能创造出一个完整的工程结构。第21页/共32页在我国，有关材料力学的生产实践活动更是源远流长。早在春秋战国时代，人们已经知道怎样建造大型的建筑工程和水利工程。雄伟壮观的万里长城，显示了中华民族的智慧和魄力。驰名中外的都江堰至今仍造福于川西人民；第22页/共32页

公元600年前后，隋大业年间，出色的工匠李春利用石料耐压不耐拉的特性，主持建造了跨长37.37米，拱圈矢高为7.23米的拱桥，跨越河北赵县的洨河上，称为安济桥，俗称赵州桥。在国际桥梁史上，它的设计与工艺之新为当时世界之冠。主拱上的小拱不仅便于排水，而且表明工匠李春对节省材料，减轻自身重量的效应已有清楚的认识。

赵州桥第23页/共32页1056年用纯木结构建造的山西应县木塔第24页/共32页巧夺天工的梁柱结构——这是北京天坛的祈年殿第25页/共32页水立方（采用薄膜结构，空间钢架的结构）第26页/共32页国家体育馆—鸟巢（钢结构主体）第27页/共32页神舟七号及其宇航服第28页/共32页（国产）大飞机及发动机第29页/共32页一直发展至今，材料力学承担着：将工程结构和机械中的简单构件简化为一维杆件，计算杆中的应力、变形并研究杆的稳定性，以保证结构能承受预定的载荷；选择适当的材料、截面形状和尺寸，以便设计出既