工程力学导论nima

工程力学

专业导论

0111501班 041110203 袁慧君

第一讲 智能材料结构

——王鑫伟

一． 什么是工程力学？

理论力学（刚体）+材料力学（变形体）=工程力学

1. 定义：

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。

2.研究方法：

分实验研究和理论分析与计算两个方面。两者往往综合运用，

互相促进。

3.南航的工程力学（国家重点学科）

多学科交叉发展和相互促进，以力学理论为基础，以航空宇航

科技为依托。

陶宝祺教授在1990年组建智能材料与结构研究所。

二．智能材料技术

1.提出的背景：

1）随着航空航天飞行器的发展，不断地对其结构提出新的要求，

总的趋势是结构大型化，轻量化，高可靠性，服役期长等，这些刺激

着智能材料的孕育。

2）高新技术的开发应用，又为智能结构的诞生奠定了技术基础。

3）民用飞机竞争的焦点在于飞机的经济性、安全性等。

2.疑问：

飞机能否像鸟一样灵活的飞翔？

结构能否有损伤自诊断和自愈合的能力？

三． 智能材料结构（Smart material structure technology or

Intelligent material structure technology)

1.概念：

将传感元件、驱动元件和控制系统结合或融合在基体材料中的一

种结构。这种结构不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、判断、动作等额外功能。具体地说，就是具有检测（应变，损伤、温度、压力及各种制导光源）、通信（数据传输）。 从工程的角度：具备感知，驱动和控制着三个基本要素

从仿生学的角度：将具有仿生命功能的材料融合与基体材料中，

是制成的构建具有人们期望的智能。

2. 飞行器智能材料结构设计的特点：

材料设计与结构设计、制造一体化

3.诞生的原因：1）复合材料在结构中的普遍使用，使得驱动元件和传感元件易融入材料。

2）对机械、电子、动作等材料的多方面性能的耦合。

3）微电子技术、总线、计算机技术、信息处理、快速控制。

4. 现状：

航空领域比较保守（重量限制、设计安全系数不高），仍处于验

证阶段。

在土木工程领域，有实际应用——桥梁结构的健康监测和振动

抑制。

飞行器结构健康监测（小裂纹、小损伤的监测）

结构强度自诊断、自适应、自愈合系统：飞行器结构减振降噪、自适应机、形状记忆合金、

自适应（智能）旋翼

5. 传感器、驱动器和系统集成技术

智能材料系统：1. 嵌入式智能材料（系统）

2.材料（系统）本身具有一定智能功能。

驱动器：磁流变体变阻尼器

6. 在研项目

如：飞行器智能结构系统的集成研究

Lamb波在板中传播的数值模拟

第二讲 数值模拟

（Numerical simulations）——王鑫伟

工程力学（硕士）——研究方向：工程问题的力学建模与计算机仿真（数值仿真）

工程力学（博士）——研究方向：工程问题的力学建模与计算机仿真（复合材料结构力

学）。

一． 数值模拟

1. 定义：也叫计算机模拟，它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到

对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。

实际上应理解为用计算机做物理实验。

2. 包含以下几个步骤：

1）建立反映问题本质的数学模拟。

2）寻求高效率、高准确度的计算方法。

3）编制程序。

4）图像显示计算结果。

3. 重要性

1）优化结构的设计来提高产品的质量，缩短设计周期

2）事先了解服役环境下飞行器结构的性能，提高安全性

3）电子封装、焊点的应力分析、场问题分析，通过仿真进行模拟

4. 任务：

利用计算机求出控制微分方程的近似解。

5. 举例

1）结构设计时进行总体应力分析。

2）对结构的重要细节进行应力分析。

6. 数值计算方法

1微分求积单元法 ○2加权余量法（有：配点法、最小二乘法、迦辽金法、○

矩法、子域法）

○3边界元法 ——————— ○4无网格或无单元法

︸高效的计算方法（：研究计算量少，精度高，可用于复杂结构分析

和仿真的数值计算方法）

5有限单元法 ○6有限差分法 ○

7离散奇异卷积法 ○8其他方法 ○

7. 研究内容：

结构力学、有限元

第三讲 工程力学导论

——周丽

1. 工程力学的起源：

二十世纪五十年代末出现，首先提出的是钱学森。

2. 研究内容

研究有关物质宏观运动规律及其应用。

3. 应用

包括理论力学、材料力学、结构力学、固体力学、流体力学、流变学、土力学、岩体力学等。

4. 研究方法

实验研究和理论分析与计算。

5. 航空工程中的力学问题

1）能不能飞——升力与阻力

2）飞得更高更快：20C20年代末，采用流线型设计减少阻力。

音障 激波（增加阻力）

3）飞的安全：1 静强度设计 2 刚度设计（防颤振） 3 安全寿命（防疲劳） 4 损伤容限设计（放断裂）

第四讲 复合材料力学概论 （复合材料力学是在研究复合材料的力学性能基础上发展起来的固体力学的一门新的学科分支）

一． 复合材料基本概念。

由两种或两种以上具有不同化学物理性质的素材符合而成的一种材料。

（自然界中许多材料属于复合材料，如骨头、牙齿等）

（人工的复合材料Composite Material由两种或两种以上不同性质的材料用物理或化学方法造成）

（常见的人工复合材料由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维与树脂复合而成的材料） （纤维增强树脂材料是符合材料中的典型代表，也是我们要着重讨论的对象） 由基体材料（起配合作用）和增强材料（起主要作用）组成

● ● 增强材料采用各种纤维状材料或其他材料（提供复合材料的刚度和强度）

● 复合材料的性能不仅取决于组份材料各自的性能，还依赖与基体材料与增强材料的界面

性质。

二．复合材料的种类

1. 根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料可分成以下两类：

○1颗粒复合材料（particle dispersed composite material）如混凝土，金属陶瓷等。 ○2纤维增强复合材料（fiber reinforced composite material）如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等.

2. 根据基体材料的种类，复合材料可分为：

○1聚合物基体复合材料PMC

聚合物基体：热固性树脂

热塑性树脂

○2金属复合基体材料MMC

○3陶瓷基体复合材料CMC

三．复合材料的构造及制法

1单层板具有● 纤维增强复合材料的构造形式分为单层板、层合板和短纤维复合材料：□

非均匀性和各向异性。

2层合板有单层板按规定的纤维方向和次序铺成叠层形式，进行粘合，加热固 □

化而成。

3层合板也是各向异性的非均匀材料，而且比单层板要复杂得多。 □

4由于工程的需要或为了提高生产效率，又有短纤维复合材料的构造形式。 □

（短纤维复合材料按纤维的排列方式分类，即随机取向的短切纤维复合材料和

短切纤维呈单向整齐排列的复合材料）

5金属材料制造：原材料的制造 □

6高分子基复合材料：把复合材料的制造和产品的制造合为一体 □

四．复合材料的性能和应用

）比强度和比模量高。

2）化学稳定性优良

3）耐疲劳性能好

4）减震性能好

5）过载时安全性好

6）耐热性高等

）用于机械工业、汽车工业与交通运输业、化学工业、航空宇航领域、建筑领域等

第五讲 生物力学若干前沿

——黄在新

一．什么是生物力学？

生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。

其研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等) ，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。 生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。

二. 发展历史 在科学的发展过程中，生物学和力学相互促进和发展着。

1. 哈维在1615年根据流体力学中的连续性原理，按逻辑推断了血液循环的存在，并由马尔皮基于1661年发现蛙肺微血管而得到证实；

2. 材料力学中著名的扬氏模量是扬为建立声带发音的弹性力学理论而提出的；

3. 流体力学中描述直圆管层流运动的泊松定理，其实验基础是狗主动脉血压的测

量； 4. 黑尔斯测量了马的动脉血压，为寻求血压和失血的关系，在血液流动中引进了

外周阻力的概念，同时指出该阻力主要来自组织中的微血管；

5. 弗兰克提出了心脏的流体力学理论；

6. 施塔林提出了物质透过膜的传输定律；

7. 克罗格由于对微循环力学的贡献，希尔由于肌肉力学的贡献而先后(1920，1922) 获诺贝尔生理学或医学奖。

8. 到了20世纪60年代，生物力学成为一门完整、独立的学科。

三. 若干前沿

1.应力与生长的关系

生物软组织包括肌肉、血管、皮肤、腱和各种内脏等。软组织力学是研究软组织的应力

和应变... 静脉在小变形时，其应力和应变关系曲线近于直线，弹性模量也比动脉小，但在较大变形时，静脉的比动脉的应力和应变关系曲线具有更高的非线性。

2.DNA凝聚

3.细胞分裂

第六讲 金属材料内部微裂纹演化

的有限元模拟

——黄佩珍

一。研究背景

当材料损伤—→产生裂纹

↓

其内能增加并伴随商量熵增

↓

内部系统自由能高于原生态，处于“亚稳定”的热力学状态

由于势垒的存在—→环境能量的输入—→使系统变化过程沿自由能降低的方向自发地进行 材料内部质流的驱动力：应力梯度、电场强度、曲率效应、界面能等

二。研究目标

三。研究方法

三者并重，相互验证

强调：在理论指导下的有目的性的实验研究与计算模拟工作——→为了建立演化理论模型与物理机制

计算模拟：1）采用晶体表面原子蒸发-凝结机制模型

2）利用材料内部微裂纹使一个各处曲率半径和原子化学位不同的封闭内曲面的特点。

3）发展新的有限元方法并编制了高精度程序。

4）实现蒸发-凝结、表面扩散主导和表面与晶界扩散耦合主导下材料内部微裂纹形的扩散。

四。主要研究工作

1.系统分析了二维的晶内、沿晶、穿晶微裂纹和晶内三位型微裂纹演变过程，表面、晶界扩散下微裂纹的演变。

2.裂面形貌扰动对微裂纹演变的影响。

3.数值再现了晶内、沿晶、穿晶微裂纹在外载荷下的演变过程。

4.电场作用下晶内微裂纹的演化

5.内压对电场下晶内微裂纹的演化。

6.力、电、热共同作用下晶内微裂纹的演化。

······

第七讲 力学杂谈

——高存伟

一．力学工科：

1. 一般力学

工程力学→ ——力学系

固体力学

流体力学——空气动力学系

（日常生活中的力学 中学物理 理论力学 材料力学 弹性力学 断裂力学 损伤力学 结构力学 板壳理论 高等弹性力学 数学弹性力学）

2.复合材料（结构）力学 电磁固体力学（功能材料力学）

生物力学 天体力学

纳米力学

3.分析力学 实验力学

计算力学

4.固体力学基础 流体力学

空气动力学 软物质力学

土力学

5.原理：变分原理 有限元法

边界元法 微分几何

复变函数

课程学习心得

刚选择工程力学这个专业的时候，对此并不是非常了解，只是觉得听起来很有气势，并且对学校的培养计划很有兴趣。

这学期开设了工程力学专业导论课，通过八周的学习，老师们的介绍，现在的我对自己的专业有了进一步的了解。 首先，工程力学属于工学大类，工程力学类。旨在培养掌握工程科学基础理论、工程力学分析方法与先进实验手段，具备力学基础理论知识、计算和试验能力，能在各种工程(如机械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等) 中从事与力学有关的科研、技术开发、工程设计和力学教学工作的高级工程科学技术人才。本专业主要学习力学、数学基本理论和知识，受到必要的工程技能训练，具有应用计算机和现代实验技术手段解决与力学有关的工程问题的基本能力。主干学科：力学 主要课程：理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、流体力学、振动力学、计算力学、实验力学、结构力学、电工与电子技术、计算机基础知识及程序设计。

理论力学是机械运动及物体间相互机械作用的一般规律的学科，也称经典力学。是力学的一部分，也是大部分工程技术科学理论力学的基础。其理论基础是牛顿运动定律，故又称牛顿力学。理论力学所研究的对象（即所采用的力学模型）为质点或质点系时，称为质点力学或质点系力学；如为刚体时，称为刚体力学。因所研究问题的不同，理论力学又可分为静力学、运动学和动力学三部分。（静力学研究物体在力作用下处于平衡的规律。）（运动学研究物体运动的几何性质。）（动力学研究物体在力作用下的运动规律。）

材料力学(mechanics of materials)是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限。

弹性力学也称弹性理论，主要研究弹性体在外力作用或温度变化等外界因素下所产生的应力、应变和位移，从而解决结构或机械设计中所提出的强度和刚度问题。在研究对象上，

弹性力学同材料力学和结构力学之间有一定的分工。材料力学基本上只研究杆状构件；结构力学主要是在材料力学的基础上研究杆状构件所组成的结构，即所谓杆件系统；而弹性力学研究包括杆状构件在内的各种形状的弹性体。弹性力学所依据的基本规律有三个：变形连续规律、应力-应变关系和运动(或平衡) 规律，它们有时被称为弹性力学三大基本规律。

······

目前，工程力学的研究方向主要有以下六个方面：1）非线性力学与工程、2）工程稳定性分析与控制技术、3）应力与变形测量理论和破坏检测技术、4）数值分析方法与工程应用、

5）工程材料物理力学性质、6）工程动力学与工程爆破。

我们最关心的就业问题在老师那得到了了解：本专业本科毕业生可到土木水利、机械控制、微电子技术、能源交通、航空航天等部门从事科学研究、技术开发和工程计算机软件的开发应用等工作；由于具备较为坚实的专业基础知识，较强的分析、解决问题的能力及计算机应用能力，也可到有关的高新技术领域工作（如信息科学、生命科学、新型材料等），还可从事教学工作。就业前景非常广泛。

课程建议

1. 多向我们传递当前有关本专业的情况。

2. 在课程设计上能够多开设一些具有创新性的课程，培养我们的创新意识。