工程力学课件 (2)

工程力学EngineeringMechanics华中科技大学力学系

“创新”的思维能力受益于力学的思维方式，

“创新”的实践能力依赖于深厚的力学基础。

科技工作者不能“有术（专业）无力（力学）”TELuhp@南一楼东北角E422主讲：胡洪平工程力学学习交流QQ群：282798637

欢迎同学们加入！华中科技大学力学系推荐教材陈传尧，工程力学，高等教育出版社2006，十一五国家规划教材。王杏根，胡鹏，李誉，工程力学实验，华中科技大学出版社，2008。3考核考试（闭卷）成绩70%；平时成绩30%（平时作业的平均）。考勤：点名未到者扣1分/次，点名3次未到者取消考试资格。学习任务1、掌握工程力学解决工程问题的基本理论和方法2、培养研究思维能力一、为毕业为学分学习40学时/2.5学分以此为目的，被动学习，毫无意义。二、掌握工程力学的基本理论和方法√×61.1

什么是力学1.2力学与工程1.3现代力学的发展及其特点1.8工程静力学研究主线1.6最基本概念--力和运动1.5学科分类1.7一般研究方法第一章绪论返回主目录1.4力学课程与研究型思维7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。

1.1什么是力学？8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。性态规则返回主目录9以力学与航空航天工程为例1.2力学与工程10实验探索：风筝、火箭、模拟鸟类滑翔等。问题一、如何飞起来？11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：121949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。13空气动力试验---风洞实验14材料力学性能、结构应力分析、失效判据、设计规范研究内容问题二如何飞？作为刚体，研究运动规律和控制。飞行力学

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15飞机整机结构强度实验机翼破坏实验16机身结构强度实验17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-111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18

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19大飞机

所谓大型飞机，是指起飞总重量超过100吨的运输类飞机，也包括150座以上的干线客机。它是民航使用最广泛的主力机型。

100座以下的叫做“支线飞机”；而国际航运体系习惯上把300个座位以上的客机称作“大型客机”。

生产大飞机的过程涉及多个学科。大飞机能够体现一个国家总体的实力，在当今世界上，只有美国、俄罗斯、欧盟和中国能够制造大飞机。

大飞机代表了“一个国家竞争力的制高点”。●2006年1月，立项将大型飞机项目列为国家中长期科技规划的16个重大专项之一。●2007年8月，批准胡锦涛主持政治局常委会，同意成立大型客机项目筹备组。●2008年3月，成立国务院通过了组建方案，批准组建中国商用飞机有限责任公司。●2008年5月揭牌中国商飞在上海揭牌成立，总部设在上海。公司注册资本190亿元。●2010年设计完成初步设计，目前已进入详细设计阶段。●2014年首飞预计2014年首飞。●2016年入市完成适航取证并投放市场。2013年1月26日，中国运-20首次试飞成功最大载重量66吨，机身长47米，翼展45米，高15米，最大起飞重量220吨。最大飞行速度为830千米/小时，在最大载荷时的航程为4400千米，实用升限13000米。发动机：俄罗斯老式的D30-KP-U22大型汽轮机转子结构的破坏例子：23

轴叶轮

疲劳断裂破坏24

转子轴疲劳开裂

疲劳断裂破坏25台南高屏大桥断裂2000年8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。262000年７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。27汽车碰撞试验28上海东方电视塔高300m球径45m29抗震模型试验（破坏部位、破坏形式、抗震能力）返回主目录30

2008年雪灾（电线变形、高压线塔倒塌）31ITER:InternationalThermonuclearExperimentalReactorITERisbasedonthe‘tokamak’conceptofmagneticconfinement,inwhichtheplasmaiscontainedinadoughnut-shapedvacuumvessel.Thefuel-amixtureofDeuteriumandTritium,twoisotopesofHydrogen-isheatedtotemperaturesinexcessof150millionoC,formingahotplasma(等离子体).Strongmagneticfieldsareusedtokeeptheplasmaawayfromthewalls;theseareproducedbysuperconductingcoilssurroundingthevessel,andbyanelectricalcurrentdriventhroughtheplasma.32强磁场中的线圈设计目标：100特斯拉华中科大校友捐造雅安希望小学地震中屹立不倒34建筑物控制爆破35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。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。1.3现代力学发展及其特点36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：372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；广泛应用至各工程领域。3890年代开始，力学与材料、控制（包括传感与作动）、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、功能材料等返回主目录1.4力学课程与研究型思维研究型思维—创新之端力学课程--启迪研究型思维之最佳载体(之一)“传道、授业、解惑”，传道为首。道—修身之道、治学之道、济世之道。治学之道-----培养研究型思维，其重要性绝不亚于传授知识本身。求道、修业、质疑

力学是培养研究型思维的最佳载体力学悠久的历史，丰富的成果，永恒的活力,为人类社会的科技进步作出了重要的贡献。2000年，美国三十几个专业工程协会评出20世纪对人类影响最大的20项技术：电力系统技术：叶轮机效率1/3，省电费$3000亿。2.汽车制造技术：发动机效率1/3，省燃料$2000亿。力学的进步3.航空技术11.航天技术每一重大进展都与力学的新突破密切相关。力学有一大批伟大科学家，这些大家的实践与成就，是启迪我们的科学研究思维的无尽源泉。阿基米德、伽利略、牛顿、达朗贝尔、拉格朗日、拉普拉斯、欧拉、爱因斯坦周培源、郭永怀、钱学森、钱伟长、钱令希“善于从错综复杂的自然现象、科学实验结果和工程技术实践中抓住事物的本质，提炼成力学模型，采用合理的数学工具，分析掌握自然现象的规律，进而提出解决工程技术问题的方案，最后再和观察或实验结果反复校核直到接近为止的科学研究方法”。实践中形成了最适于启迪研究型思维课程任务基本概念、基本理论、基本方法研究型思维培养研究型思维，要注意什么？基础与技术科学双重属性物理、几何意义清晰走向技术领域的先导力学注重物理、几何意义的探究？力学分析问题完成任务答案背景？提法合理否？一般性/特殊性？物理意义？几何意义？结论随问题参数的变化？结论的正确性条件？假设、模型、方法的适用性及限制？441.5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，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：45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：46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1.6最基本概念--力和运动472.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—（内效应）483.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。返回主目录49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比较，或由实验进行验证。确认或进一步改善模型，深化认识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。1.7一般研究方法50材料模型变形体模型刚体模型51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52例如，研究工程构件（如杆、梁、轴等）时，先将其理想化为刚体，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；返回主目录531.8工程静力学研究主线工程力学问