工程力学概论论文

工程力学概论论文

关键字 概论 历史 发展

本专业毕业能干什么？

力学是基础科学，又是技术科学，其发展横跨理工，与各行业的结合是非常密切的。与力学相关的基础学科有数学、物理、化学、天文、地球科学及生命科学等，与力学相关的工程学科有机械、土木、航空航天、交通、能源、化工、材料、环境、船舶与海洋等等。

由于相关行业的发展与国民经济和科学技术的发展同步，使得力学在其中多项技术的发展中起着重要的甚至是关键的作用。力学专业的毕业生既可以从事力学教育与研究工作， 又可以从事与力学相关的机械、土木、航空航天、交通、能源、化工等工程专业的设计与研究工作，还可以从事数学、物理、化学、天文、地球或生命等基础学科的教育与研究工作。从这个意义上讲，力学专业培养人才的对口是非常宽的，社会对力学人才的需求也是很多的。 随着力学学科的发展，在本世纪将产生一些新的学科结合点，如生物医学工程、环境与资源、数字化信息等。经典力学与纳米科技一起孕育了微纳米力学将力学知识应用于生物领域产生了生物力学和仿生力学；这些都是近年来力学学科发展的亮点。可以预料，随着社会的发展，力学学科与环境和人居工程等专业的学科交叉也将会进一步加强。

结论 宽口径 前途无量

工程力学简介

工程力学是研究有关物质宏观运动规律，及其应用的科学。工程给力学提出问题，力学的研究成果改进工程设计思想。从工程上的应用来说，工程力学包括：质点及刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩体力学等。

人类对力学的一些基本原理的认识，一直可以追溯到史前时代。在中国古代及古希腊的著作中，已有关于力学的叙述。但在中世纪以前的建筑物是靠经验建造的。

1638年3月伽利略出版的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》被认为是世界上第一本材料力学著作，但他对于粱内应力分布的研究还是很不成熟的。

纳维于1819年提出了关于粱的强度及挠度的完整解法。1821年5月14日，纳维在巴黎科学院宣读的论文《在一物体的表面及其内部各点均应成立的平衡及运动的一般方程式》，这被认为是弹性理论的创始。其后，1870年圣维南又发表了关于塑性理论的论文水力学也是一门古老的学科。

早在中国春秋战国时期(公元前5～前4世纪)，墨翟就在《墨经》中叙述过物体所受浮力与其排开的液体体积之间的关系。欧拉提出了理想流体的运动方程式。物体流变学是研究较广义的力学运动的一个新学科。1929年，美国的宾厄姆倡议设立流变学学会，这门学科才受到了普遍的重视。

土力学在二十世纪初期即逐淅形成，并在40年代以后获得了迅速发展。在其形成以及发展的初期，泰尔扎吉起了重要作用。岩体力学是一门年轻的学科，二十世纪50年代开始组织专题学术讨沦，其后并已由对具有不连续面的硬岩性质的研究扩展到对软岩性质的研究。岩体力学是以工程力学与工程地质学两门学科的融合而发展的。

从十九世纪到二十世纪前半期，连续体力学的特点是研究各个物体的性质，如粱的刚度与强度，柱的稳定性，变形与力的关系，弹性模量，粘性模量等。这一时期的连续体力学是从宏观的角度，通过实验分析与理论分析，研究物体的各种性质。它是由质点力学的定律推广到连续体力学的定律，因而自然也出现一些矛盾。

于是基于二十世纪前半期物理学的进展，并以现代数学为基础，出现了一门新的学科——理性力学。1945年，赖纳提出了关于粘性流体分析的论文，1948年，里夫林提出了关于弹性固体分析的论文，逐步奠定了所谓理性连续体力学的新体系。

随着结构工程技术的进步，工程学家也同力学家和数学家一样对工程力学的进步做出了贡献。如在桁架发展的初期并没有分析方法，到1847年，美国的桥梁工程师惠普尔才发表了正确的桁架分析方法。电子计算机的应用，现代化实验设备的使用，新型材料的研究，新的施工技术和现代数学的应用等，促使工程力学日新月异地发展。

质点、质点系及刚体力学是理论力学的研究对象。所谓刚体是指一种理想化的固体，其大小及形状是固定的，不因外来作用而改变，即质点系各点之间的距离是绝对不变的。理论力学的理论基础是牛顿定律，它是研究工程技术科学的力学基础。

固体力学包括材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、复合材料力学以及断裂力学等。尤其是前三门力学在土木建筑工程上的应用广泛，习惯上把这三门学科统称为建筑力学，以表示这是一门用力学的一般原理研究各种作用对各种形式的土木建筑物的影响的学科。

在二十世纪50年代后期，随着电子计算机和有限元法的出现，逐渐形成了一门交叉学科即计算力学。计算力学又分为基础计算力学及工程计算力学两个分支，后者应用于建筑力学时，它的四大支柱是建筑力学、离散化技术、数值分析和计算机软件。其任务是利用离散化技术和数值分析方法，研究结构分析的计算机程序化方法，结构优化方法和结构分析图像显示等。

如按使结构产生反应的作用性质分类，工程力学的许多分支都可以再分为静力学与动力学。例如结构静力学与结构动力学，后者主要包括：结构振动理论、波动力学、结构动力稳定性理论。由于施加在结构上的外力几乎都是随机的，而材料强度在本质上也具有非确定性。

随着科学技术的进步，20世纪50年代以来，概率统计理论在工程力学上的应用愈益广泛和深入，并且逐渐形成了新的分支和方法，如可靠性力学、概率有限元法等。

力学发展简史

托勒密(Ptolemy,100-170)在《大汇编》(Almagest)中建立了太阳系运行的托勒密体系。 希罗(Hero of Alexandria,约公元60)在《气体力学》(Pneumatics)中涉及了真空、水与空气的压力、虹吸管、玩具和一种用正气驱动的旋转机械。

在《力学》(Mechanics)中介绍了运动、平衡和简单机械的知识。

帕普斯(Pappus Alexandrinus，300-350)在《数学汇编第八卷》(Mathematical Collec-tion Book 8)中汇集了古希腊对力学研究的成果。1022

约旦努(Jordanus de Nemore,1220)在《重物的论述》(Liber de ponderibus)中讨论了物体的平衡问题，包含了虚功原理的萌芽。1533

哥白尼(Nicholas Copernicus,1473-1543)在《天体运行论》(De revolutionibus orbium celestium)中提出了太阳系的哥白尼系统。1543

开普勒(Johannes Kepler,1571-1630)在《宇宙的和谐》(Harmonice mindi)中总结了行星运行的三大定律。1619

斯梯芬(Semon Stevin,1548-1620)的《静力学原理》(Staticae elementis)是静力学体系标志性著作。1586

默森(Marin Mersenne,1588-1648)在《宇宙的和谐》(Traite de l’Harmonie Universelle)是最早关于声音、音乐和乐器的著作。1627

邓玉函(Joannes Terrens,1576-1630)王徵在《远西奇器图说》中最早介绍了西方力学知识。1627

伽利略(Galileo Galilei，1564-1642)在《关于托勒密与哥白尼两大世界体系的对话》(The system of the world:in four dialogues where-in the two grand systemes of Ptolemy and Copernicus)中系统地论证了哥白尼系统，提出了惯性运动的概念。1632

关于两门新学科的对话》总结了材料强度、自由落体和抛物体的运动规律。1638

托里拆利(Evangelista Torrielli，1608-1647)在《论重物的运动》(De motu gravium)中证明了孔口出流的速度与液高的平方根成比例(即托里拆利定理)，还指出位置最低时平衡得好，是平衡稳定性的最早提法。1644

波义耳(Boyle, Hobert,1627-1691)在《关于空气的弹性及其效果的物理力学新实验》(New experiments physico-mechanicall, tou-ching the spring of the air and its effects)中以系统的实验论证了气体的弹性。1660

科恩(A. Korn)在《关于弹性理论与转轴弯曲的不等式》(Uber einige ungleichungen welche in der theorie der elastoschen und elektrischen schwingungen eine rolle spoelen)中给出了弹性力学能量正定性的不等式。1909

索维菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)在《对流动转变为湍流的解释》(Ein beitrag zur hydrodynamichen erklaung der turbulent flus-sigkeit-sbewegungen)是对层流稳定性的较早研究，得到了非自共轭的Orr-Sommerfeld偏微分方程。1909

冯.米赛斯(Richard von Mises,1883-1953)在《塑性变形固体的力学》(Mechanik der fes-ten korper in plastisch deformablen)中提出固体在一定应力状态下的一种屈服条件，被称为米赛斯条件。1913

伽辽金( , 1871-1945)在《在某些杆与板平衡问题中的级数》(俄文)中提出一种直接离散的近似方法，被称为伽辽金(Galerkin)方法。1915

诺特(Emmy Noether,1882-1935)在《变分问题的不变量》(Invariante Variations prob-leme)中给出了两个关于动力系统的不变量定理，对20世纪力学和物理的发展产生了深刻的影响。1918

格里菲斯(Alan Arnold Griffith,1893-1963)在《固体的流动与断裂现象》(The phenomena of Rupture and Flow in Solids)是断裂力学的最早文献。1920

从上述简单介绍中可以看到以下结论：

16世纪以前力学发展较慢；

中国虽然有很多水利、桥梁、土木等等的伟大工程，却没有发表过力学方面的文献； 力学与数学关系紧密、力学的发展与工程的需要密不可分；

一辈子能为后人留下有用的宝贵知识并不容易。

21世纪力学发展趋势

固体力学方面：

经典的连续介质力学的模型和体系可能被突破，它们可能将包括某些对宏观力学行为起敏感作用的细观和微观因素，以及它们的演化，从而使复合材料的强化、韧化和功能化立足于科学的认识之上

固体力学将融汇力-热-电-磁等效应，机械力与热、电、磁等效应的转换和控制，从而解决微机械、微工艺、微控制等方面急需解决的问题。

固体力学中非线性动力学、非平衡统计和热力学的概念和方法将大大丰富起来。

随着计算机的飞速发展，分子动力学等微观模拟方法、复杂结构的仿真分析将更大规模更迅速地在固体力学和工程设计中得到应用和发展。

固体力学的上述发展，必将推动科学和工程技术的巨大进步

。

流体力学方面：

为了尽可能多地开采地下油气，需要深入研究渗流机理并定量化。它的研究还有助于了解各种新陈代谢的宏观机制。

化工流程的设计，很大程度上归结为流体运动的计算问题。由于流动的复杂性，针对若干典型化工设备进行深入的研究，将为化工设计和生物技术产业化等提供新方法和基础。而复杂流场计算需要各种计算方法和理论，必须发展新的计算机软硬件，这就必须在计算流体力学上投入更大的力量。

为了尽可能多地开采地下油气，需要深入研究渗流机理并定量化。它的研究还有助于了解各种新陈代谢的宏观机制。

化工流程的设计，很大程度上归结为流体运动的计算问题。由于流动的复杂性，针对若干典型化工设备进行深入的研究，将为化工设计和生物技术产业化等提供新方法和基础。而复杂流场计算需要各种计算方法和理论，必须发展新的计算机软硬件，这就必须在计算流体力学上投入更大的力量。

一般力学方面：

随着技术的发展，诸如机器人、人造卫星和高速列车等等领域的发展，亟需解决多体系统的运动和控制、大尺度柔性部件和液体的运动稳定性、车辆与轨道作一个高度复杂非线性系统等的建模，求解理论和方法等的研究分析。

一般力学近来已经进入生物体运动的研究，例如研究人和动物行走、奔跑及跳跃中的力学问题。其研究结果可提供生物进化论方向的理性认识，也可为提高某些机构、机械的性能提供指导。

力学与其他学科的交叉：

所为学科的交叉可分三类：1)学科内部不同分支交叉，例如流体弹性力学；2)两不同学科间的交叉，例如物理力学；3)兼有前两者的特点，例如爆炸力学、物理化学渗流、生物力学等。

交叉学科并非两个学科或分支学科的简单加合，它基于源学科又有区别，它的发展有利于发展新学科并促进源学科的发展。

20世纪力学已经与工程交叉产生了工程力学，与地学结合产生了地球流体力学，与生命科学和医学结合产生了生物力学等等。

力学与物理学的进一步交叉：

20世纪50年代开始，力学家提出了物理力学，目的是通过物质微观分析，把有关物质宏观力学性质的实验数据加以整理和总结，找出其规律，从而预见新的材料性质。

此分支学科一提出就得到了多方响应并取得了部分成果。例如，在高温气体、气体激光器和核物理研究中都取得了喜人的成果。

但是，在用物理力学方法解释固体的塑性、强度、损伤和断裂等方面，却遇到了极大的困难。

力学是基础科学，也是技术科学。希望大家能喜爱它，从而下决心学好它。