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工程力學是研究有關物質宏觀運動規律及其應用的科學。工程給力學提出問題,力學的研究成果改進工程設計思想。從工程上的應用來說,工程力學包括:質點及剛體力學,固體力學,流體力學,流變學,土力學,岩體力學等。

工程力學工程力學

1 工程力學 -發展簡史

力學知識最早起源於對自然現象的觀察和在生產勞動中的經驗。人們在建築、灌溉等勞動中使用槓桿、斜面、汲水等器具,逐漸積累起對平衡物體受力情況的認識。古希臘的阿基米德對槓桿平衡、物體重心位置、物體在水中受到的浮力等作了系統研究,確定它們的基本規律,初步奠定了靜力學即平衡理論的基礎。

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古代人還從對日、月運行的觀察和弓箭、車輪等的使用中,了解一些簡單的運動規律,如勻速的移動和轉動。但是對力和運動之間的關係,只是在歐洲 文藝復興時期以後才逐漸有了正確的認識。

伽利略在實驗研究和理論分析的基礎上,最早闡明自由落體運動的規律,提出加速度的概念。牛頓繼承和發展前人的研究成果(特別是開普勒的行星運動三定律),提出物體運動三定律。伽利略、牛頓奠定了動力學的基礎。牛頓運動定律的建立標誌著力學開始成為一門科學。

此後,力學的研究對象由單個的自由質點,轉向受約束的質點和受約束的質點系。這方面的標誌是達朗貝爾提出的達朗貝爾原理,和拉格朗日建立的分析力學。其後,歐拉又進一步把牛頓運動定律用於剛體和理想流體的運動方程,這看作是連續介質力學的開端。

運動定律和物性定律這兩者的結合,促使彈性固體力學基本理論和粘性流體力學基本理論孿生於世,在這方面作出貢獻的是納維、柯西、泊松、斯托克斯等人。彈性力學和流體力學基本方程的建立,使得力學逐漸脫離物理學而成為獨立學科。

從牛頓到漢密爾頓的理論體系組成了物理學中的經典力學。在彈性和流體基本方程建立后,所給出的方程一時難於求解,工程技術中許多應用力學問題還須依靠經驗或半經驗的方法解決。這使得19世紀後半葉,在材料力學、結構力學同彈性力學之間,水力學和水動力學之間一直存在著風格上的顯著差別。

20世紀初,隨著新的數學理論和方法的出現,力學研究又蓬勃發展起來,創立了許多新的理論,同時也解決了工程技術中大量的關鍵性問題,如航空工程中的聲障問題和航天工程中的熱障問題等。

這時的先導者是普朗特和卡門,他們在力學研究工作中善於從複雜的現象中洞察事物本質,又能尋找合適的解決問題的數學途徑,逐漸形成一套特有的方法。從20世紀60年代起,計算機的應用日益廣泛,力學無論在應用上或理論上都有了新的進展。

力學在中國的發展經歷了一個特殊的過程。與古希臘幾乎同時,中國古代對平衡和簡單的運動形式就已具備相當水平的力學知識,所不同的是未建立起像阿基米德那樣的理論系統。

在文藝復興前的約一千年時間內,整個歐洲的科學技術進展緩慢,而中國科學技術的綜合性成果堪稱卓著,其中有些在當時世界居於領先地位。這些成果反映出豐富的力學知識,但終未形成系統的力學理論。到明末清初,中國科學技術已顯著落後於歐洲。

人類對力學的一些基本原理的認識,一直可以追溯到史前時代。在中國古代及古希臘的著作中,已有關於力學的敘述。但在中世紀以前的建築物是靠經驗建造的。1638年3月出版的伽利略的著作《關於兩門新科學的談話和數學證明》被認為是世界上第一本材料力學著作,但他對於梁內應力分佈的研究還是很不成熟的。C.-L.-M.-H.納維於1819年提出了關於梁的強度及撓度的完整解法。1821年5月14日,納維在巴黎科學院宣讀的論文《在一物體的表面及其內部各點均應成立的平衡及運動的一般方程式》被認為是彈性理論的創始。其後,1870年A.J.C.B.de聖維南又發表了關於塑性理論的論文。

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水力學也是一門古老的學科。早在中國春秋戰國時期(公元前5~前4世紀),墨翟就在《墨經》中敘述過物體所受浮力與其排開的液體體積之間的關係。L.歐拉提出了理想流體的運動方程式。物體流變學是研究較廣義的力學運動的一個新學科。1928年,美國的E.C.賓厄姆倡議設立流變學學會,這門學科才受到了普遍的重視。土力學在20世紀初期即逐漸形成,並在40年代以後獲得了迅速發展。在其形成以及發展的初期,K.泰爾扎吉(一譯太沙基)起了重要作用。岩體力學是一門年輕的學科,20世紀50年代開始組織專題學術討論,其後並已由對具有不連續面的硬岩性質的研究擴展到對軟岩性質的研究。岩體力學是以工程力學與工程地質學兩門學科的融合而發展的。

從17世紀到20世紀前半期,連續體力學的特點是研究各個物體的性質,如梁的剛度與強度,柱的穩定性,變形與力的關係,彈性模量,粘性模量等。這一時期的連續體力學是從宏觀的角度,通過實驗分析與理論分析,研究物體的各種性質。它是由質點力學的定律推廣到連續體力學的定律,因而自然也出現一些矛盾。於是,基於20世紀前半期物理學的進展並以現代數學(如張量、元、群、泛函、模、希爾伯特空間等)為基礎,出現了一門新的學科──理性力學。1945年,M.賴納提出了關於粘性流體分析的論文,1948年,R.S.里夫林提出了關於彈性固體分析的論文,逐步奠定了所謂理性連續體力學的新體系。

隨著結構工程技術的進步,工程學家也同力學家和數學家一樣對工程力學的進步做出了貢獻。如在桁架發展的初期並沒有分析方法,到1847年,美國的橋樑工程師S.惠普爾才發表了正確的桁架分析方法。電子計算機的應用,現代化實驗設備的使用,新型材料的研究,新的施工技術和現代數學的應用等,促使工程力學日新月異地發展。

2 工程力學 -學科內容

物理科學的建立是從力學開始的。在物理科學中,人們曾用純粹力學理論解釋機械運動以外的各種形式的運動,如熱、電磁、光、分子和原子內的運動等。當物理學擺脫了這種機械(力學)的自然觀而獲得健康發展時,力學則在工程技術的推動下按自身邏輯進一步演化,逐漸從物理學中獨立出來。

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20世紀初,相對論指出牛頓力學不適用於高速或宇宙尺度內的物體運動;20年代,量子論指出牛頓力學不適用於微觀世界。這反映人們對力學認識的深化,即認識到物質在不同層次上的機械運動規律是不同的。所以通常理解的力學,是指以宏觀的機械運動為研究內容的物理學分支學科。許多帶「力學」名稱的學科,如熱力學、統計力學、相對論力學、電動力學、量子力學等,在習慣上被認為是物理學的其它分支,不屬於力學的範圍。

力學與數學在發展中始終相互推動,相互促進。一種力學理論往往和相應的一個數學分支相伴產生,如運動基本定律和微積分,運動方程的求解和常微分方程,彈性力學及流體力學和數學分析理論,天體力學中運動穩定性和微分方程定性理論等,因此有人甚至認為力學應該也是一門應用數學。但是力學和其它物理學分支一樣,還有需要實驗基礎的一面,而數學尋求的是比力學更帶普遍性的數學關係,兩者有各自不同的研究對象。

力學不僅是一門基礎科學,同時也是一門技術科學,它是許多工程技術的理論基礎,又在廣泛的應用過程中不斷得到發展。當工程學還只分民用工程學(即土木工程學)和軍事工程學兩大分支時,力學在這兩個分支中就已經起著舉足輕重的作用。工程學越分越細,各個分支中許多關鍵性的進展,都有賴於力學中有關運動規律、強度、剛度等問題的解決。

力學和工程學的結合,促使了工程力學各個分支的形成和發展。現在,無論是歷史較久的土木工程、建築工程、水利工程、機械工程、船舶工程等,還是後起的航空工程、航天工程、核技術工程、生物醫學工程等,都或多或少有工程力學的活動場地。

質點、質點系及剛體力學是理論力學的研究對象。所謂剛體是指一種理想化的固體,其大小及形狀是固定的,不因外來作用而改變,即質點系各點之間的距離是絕對不變的。理論力學的理論基礎是牛頓定律,它是研究工程技術科學的力學基礎。

在理論物理學里,常把理論力學的重要分支如振動理論、運動穩定性理論、陀螺儀理論等統稱為一般力學,而把固體及流體力學統稱為變形體力學,假定物體是連續的,這樣來綜合研究變形體的一般運動規律,小變形理論,大變形理論等。範圍較變形體力學更大的一個學科是連續介質力學,其研究對象包括所有基本上連續分佈的物質。

固體力學包括材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學、複合材料力學以及斷裂力學等。尤其是前三門力學在土木建築工程上的應用廣泛,習慣上把這三門學科統稱為建築力學,以表示這是一門用力學的一般原理,研究各種作用對各種形式的土木建(構)築物的影響的學科。

水力學及空氣力學都是流體力學的應用。空氣力學研究空氣和其他氣體的靜力及動力特性,氣體與在氣流中物體的力學相互作用。空氣力學分為兩個分支:空氣靜力學及空氣動力學。為研究在流體中結構的行為,需要將結構力學與流體力學相結合,這就是流體彈性力學。它又分為水動力彈性力學和空氣動力彈性力學(例如橋樑受風振動時的自激振動和強迫振動問題)。

流變學是研究物質的變形、流動的科學。流變體與簡單的粘性流體不同,除粘滯性以外,還要從微觀的角度來研究問題。對可塑性物體、岩土、生物細胞等種種物質的粘性、彈性、塑性、搖溶性等性質,要用超出物理學、高分子化學等的邊緣學科加以綜合研究。在研究蠕變、滯后、阻尼等現象時,除材料的固體性質外,還要考慮粘性性質,即在應力-應變關係中引入時間的因素,這些問題的研究,就要用到流變學的理論。

土力學和岩體力學,雖然也利用到彈性力學、塑性力學、流變學等,但土的本構關係,岩體的力學介質模型都很複雜。因此,這兩個學科的基本體系與固體力學不同。

在20世紀50年代後期,隨著電子計算機和有限元法的出現,逐漸形成了一門交叉學科即計算力學。計算力學又分為基礎計算力學及工程計算力學兩個分支。後者應用於建築力學時,它的四大支柱是建築力學、離散化技術、數值分析和計算機軟體;其任務是利用離散化技術和數值分析方法,研究結構分析的計算機程序化方法,結構優化方法和結構分析圖像顯示等。

如按作用使結構產生反應的性質分類,工程力學的許多分支都可以分為靜力學與動力學。例如結構靜力學與結構動力學,後者主要包括:結構振動理論、波動力學、結構動力穩定性理論。

由於施加在結構上的外力幾乎都是隨機的,而材料強度在本質上也具有非確定性。隨著科學技術的進步,20世紀50年代以來,概率統計理論在工程力學上的應用愈益廣泛和深入,並且逐漸形成了新的分支和方法,如可靠性力學、概率有限元法等。

3 工程力學 -研究方法

工程力學研究方法遵循認識論的基本法則:實踐——理論——實踐。工程力學家們根據對自然現象的觀察,特別是定量觀測的結果,根據生產過程中積累的經驗和數據,或者根據為特定目的而設計的科學實驗的結果,提煉出量與量之間的定性的或數量的關係。為了使這種關係反映事物的本質,工程力學家要善於抓住起主要作用的因素,屏棄或暫時屏棄一些次要因素。

工程力學中把這種過程稱為建立模型。質點、質點系、剛體、彈性固體、粘性流體、連續介質等是各種不同的模型。在模型的基礎上可以運用已知的力學或物理學的規律,以及合適的數學工具,進行理論上的演繹工作,導出新的結論。

依據所得理論建立的模型是否合理,有待於新的觀測、工程實踐或者科學實驗等加以驗證。在理論演繹中,為了使理論具有更高的概括性和更廣泛的適用性,往往採用一些無量綱參數如雷諾數、馬赫數、泊松比等。這些參數既反映物理本質,又是單純的數字,不受尺寸、單位制、工程性質、實驗裝置類型的牽制。

從局部看來,工程力學研究工作方式是多樣的:有些只是純數學的推理,甚至著眼於理論體系在邏輯上的完善化;有些著重數值方法和近似計算;有些著重實驗技術等等。而更大量的則是著重在運用現有力學知識,解決工程技術中或探索自然界奧秘中提出的具體問題。

現代的工程力學實驗設備,諸如大型的風洞、水洞,它們的建立和使用本身就是一個綜合性的科學技術項目,需要多工種、多學科的協作。應用研究更需要對應用對象的工藝過程、材料性質、技術關鍵等有清楚的了解。在力學研究中既有細緻的、獨立的分工,又有綜合的、全面的協作。

分實驗研究和理論分析與計算兩個方面。但兩者往往是綜合運用,互相促進。

實驗研究包括實驗力學,結構檢驗,結構試驗分析。模型試驗分部分模型和整體模型試驗。結構的現場測試包括結構構件的試驗及整體結構的試驗。實驗研究是驗證和發展理論分析和計算方法的主要手段。結構的現場測試還有其他的目的:①驗證結構的機能與安全性是否符合結構的計劃、設計與施工的要求;②對結構在使用階段中的健全性的鑒定,並得到維修及加固的資料。

理論分析與計算結構理論分析的步驟是首先確定計算模型,然後選擇計算方法,如表1:

工程力學表2

結構分析方法的主要途徑有二:利用力的平衡條件和能量法。固體力學的普遍的指導原理是變分原理,在計算方法上則可分為解析法和直接解法,如表2:

工程力學表2

由於電子計算機的發展,數值解法得到很大進展。一般有三種解法,主要項目如下表3:

工程力學表3

4 工程力學 -專業內容

業務培養目標:

工程力學工程力學

業務培養目標:本專業培養具備力學基礎理論知識、計算和試驗能力,能在各種工程(如機械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等)中從事與力學有關的科研、技術開發、工程設計和力學教學工作的高級工程科學技術人才。

業務培養要求:本專業主要學習力學、數學基本理論和知識,受到必要的工程技能訓練,具有應用計算機和現代實驗技術手段解決與力學有關的工程問題的基本能力。

畢業生應獲得以下幾方面的知識與能力:

1.具有較紮實的自然科學基礎,較好的人文、藝術和社會科學基礎及正確運用本國語言、文字的表達能力;

2.較系統地掌握本專業領域寬廣的技術理論基礎知識,主要包括固體力學、流體力學、電工與電子技術、市場經濟及企業管理等基礎知識;

3.具有較強的解決與力學有關的工程技術問題的理論分析能力與實驗技能;

4.具有較強的計算機和外語應用能力;

5.具有較強的自學能力、創新意識和較高的綜合素質。

主幹學科:力學

主要課程:理論力學、材料力學、彈性力學、流體力學、振動力學、計算力學、實驗力學、結構力學、電工與電子技術、計算機基礎知識及程序設計。

主要實踐性教學環節:包括金工、電工、電子實習,認識實習,生產實習,社會實踐,課程設計,畢業設計(論文)等,一般應安排40周以上。

修業年限:四年

授予學位:工學學士

相近專業:應用物理學、工程力學、地球信息科學與技術工程、造價、工程結構分析、歷史建築保護、工程給排水科學與工程糧食工程。

5 工程力學 -相關詞條

社會學

教育學

學前教育

體育教育

工程管理

雕塑

旅遊管理

行政管理學

音樂表演

航海技術

廣告學

會計學

土木工程

林學

交通運輸

舞蹈學

園林

臨床醫學

工程力學

飛行技術

物流管理

中藥學

環境工程

輪機工程

園藝

6 工程力學 -參考資料

1、http://www.xihangzh.com/glkj/
2、http://jpkc.yrcti.edu.cn/2006/gclx/
3、http://emec.sjtu.edu.cn/
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