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工程力学

2020-04-09 21:01

应用于工程实际的各门力学学科的总称。工程力学的主要内容是以可变形固体为研究对象的固体力学。固体力学研究工程材料组成的结构或构件在荷载、温变等外界因素作用下的应力、应变、位移及强度、刚度和稳定性等。它包括材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学和徐变力学等学科,以及计算固体力学、实验固体力学和非线性固体力学等分支。广义的工程力学还包括工程流体力学、岩石力学、土力学、散体力学和爆炸力学等。本条着重介绍固体力学。

发展简史

人类早期的生产劳动如制造器物、营造工程等都体现了对力学的认识和应用。在牛顿(I.Newton)建立了古典力学的基本定律、胡克(R.Hooke)提出了弹簧伸长时力与变形成正比的定律之后,工程力学才形成专门的科学体系。17世纪和18世纪,主要发展了材料力学。19世纪初叶,初步创立了杆件系统的结构力学和一般弹性体的弹性力学。19世纪中叶,出现了超静定结构的计算理论,弹性力学开始用来解决工程问题。20世纪,工程力学有了更大的发展,在工程应用方面,提出了多种近似数值解法、比拟法和各门力学综合应用的方法;在力学理论方面,超越古典力学的范围,考虑结构、材料的物理或几何非线性性质,出现了非线性固体力学和复合材料力学等学科。

实验在工程力学的发展中占有重要地位。17世纪,伽利略对梁作了一系列实验,首先提出梁的计算公式。18世纪,欧拉(L.Eular)根据实验和分析建立了柱体受压的微分方程和临界荷载的计算公式,对工程力学的发展起了很大的推动作用。进入20世纪后,现代科学技术为工程力学提供了电测法、光测法等先进的实验方法和技术。20世纪30年代,出现了粘贴式电阻应变计,光弹性技术也进一步完善,使力学实验得到了发展和广泛的应用。

计算机的应用使工程力学中的大量难题迎刃而解,新的解题方法蓬勃兴起。其中有限单元法显示出无比的优越性,在工程力学中得到了广泛的应用。固体力学和计算机科学的结合日益密切,形成了计算固体力学这一类交叉学科。计算机使力学分析与工程设计的一体化成为可能,在工程力学中形成了结构优化设计和结构可靠度分析等新学科。

1949年后,中国的工程力学有了很大的进展。在弹性力学的广义变分原理、变截面刚架分析、弹性基础梁与板的计算等方面的研究成果,都达到了较高水平。

与工程力学有关的学术性刊物很多。如美国的《工程力学学报》(Journal of Engineering Mechanics),中国的《力学学报》、《固体力学学报》、《土木工程学报》、《工程力学》、《水利学报》等。

研究对象和方法

工程力学的研究对象是可变形固体组成的工程结构或其构件。其力学计算模型一般经过以下各方面的简化:几何形状简化为直杆、平面曲杆、平板、壳、块体等,或这些简化模型的组合系统;材料的力学性质一般简化为连续、均匀、各向同性等理想的物性;结构的约束简化为连杆、铰链、固定约束等。此外,工程结构所承受的荷载往往简化为恒载、集中荷载、分布荷载等。

工程力学的研究方法与研究对象有关。对于杆、杆系和板、壳、块体这些不同类型的研究对象,可分别采用材料力学、结构力学和弹性力学的研究方法。这些方法还可以根据需要综合应用。对于静定杆和杆系,从静力学方面分析研究;对于超静定结构,要从静力学、几何学和物理学三方面来考虑,由此建立问题的基本方程,再结合给定的边界条件求解。对于动力问题,还要考虑动力效应和初始条件。求解的内容为:工程结构的应力、应变或位移、临界力、自振特性、速度和加速度等。若全部基本方程和给定基本条件都能精确满足,则求得的解是精确解;若只是近似满足,则求得的解是近似解。用弹性力学方法分析工程结构时,因为基本方程是偏微分方程,要结合给定条件求精确解,在数学上往往难以实现。因此,对许多工程力学问题,常用近似方法求近似解。常用的近似方法有:附加简化的假定,用数值计算方法代替数学分析方法,利用图表、经验数据、经验公式等。

实验和观测是工程力学重要的研究手段。通过工程材料试验可以获得有关材料力学性质的数据,供工程结构的力学分析之用。通过结构模型试验和原形观测可以量测工程结构由于外来作用引起的响应,了解工程结构的破坏机理。结构模型试验和原型观测一般用来校核理论分析的结果,或解决一些不易用理论分析方法求解的工程力学问题。

在水利工程中的作用和地位

工程力学问题的解答或实验结果主要用来分析水利工程中工程结构的强度、刚度和稳定性,使工程结构能满足安全与经济的要求。正确应用工程力学,可以恰当地评价结构的承载能力,了解结构的安全度,并提出改进的意见和措施。水利工程实践提出的许多问题,如热应力、抗震和抗爆、结构可靠度分析和结构优化设计等,对工程力学提出了更高的要求。这些问题的研究和解决将促进水利事业的进一步发展,同时也将使工程力学提高到新的水平。

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