結(jié)構(gòu)力學(xué)發(fā)展簡史

1、v 結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究對象 結(jié)構(gòu)力學(xué)是固體力學(xué)的一個分支，它主要研結(jié)構(gòu)力學(xué)是固體力學(xué)的一個分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律，以及如何進行結(jié)究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律，以及如何進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的學(xué)科。所謂工程結(jié)構(gòu)是指能夠承受和傳構(gòu)優(yōu)化的學(xué)科。所謂工程結(jié)構(gòu)是指能夠承受和傳遞外載荷的系統(tǒng)，包括桿、板、殼以及它們的組遞外載荷的系統(tǒng)，包括桿、板、殼以及它們的組合體，如飛機機身和機翼、橋梁、屋架和承力墻合體，如飛機機身和機翼、橋梁、屋架和承力墻等。等。v 結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù) 研究在工程結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)研究在工程結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等的規(guī)律；分析不同形

2、式和不同材料的變和位移等的規(guī)律；分析不同形式和不同材料的工程結(jié)構(gòu)，為工程設(shè)計提供分析方法和計算公式；工程結(jié)構(gòu)，為工程設(shè)計提供分析方法和計算公式；確定工程結(jié)構(gòu)承受和傳遞外力的能力；研究和發(fā)確定工程結(jié)構(gòu)承受和傳遞外力的能力；研究和發(fā)展新型工程結(jié)構(gòu)。展新型工程結(jié)構(gòu)。v 生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā) 觀察自然界中的天然結(jié)構(gòu)，如植物的根、莖和觀察自然界中的天然結(jié)構(gòu)，如植物的根、莖和葉，動物的骨骼，蛋類的外殼，鳥類的翅膀，可葉，動物的骨骼，蛋類的外殼，鳥類的翅膀，可以發(fā)現(xiàn)它們的強度和剛度不僅與材料有關(guān)，而且以發(fā)現(xiàn)它們的強度和剛度不僅與材料有關(guān)，而且和它們的造型有密切的關(guān)系，很多工程結(jié)構(gòu)就是和它們的造型有密

3、切的關(guān)系，很多工程結(jié)構(gòu)就是受到天然結(jié)構(gòu)的啟發(fā)而創(chuàng)制出來的。結(jié)構(gòu)設(shè)計不受到天然結(jié)構(gòu)的啟發(fā)而創(chuàng)制出來的。結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要考慮結(jié)構(gòu)的強度和剛度，還要做到用料省、僅要考慮結(jié)構(gòu)的強度和剛度，還要做到用料省、重量輕減輕重量對某些工程尤為重要，如減輕重量輕減輕重量對某些工程尤為重要，如減輕飛機的重量就可以使飛機航程遠(yuǎn)、上升快、速度飛機的重量就可以使飛機航程遠(yuǎn)、上升快、速度大、能耗低。大、能耗低。v 結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展簡史結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展簡史 人類在遠(yuǎn)古時代就開始制造各種器物，如弓人類在遠(yuǎn)古時代就開始制造各種器物，如弓箭、房屋、舟楫以及樂器等，這些都是簡單的結(jié)箭、房屋、舟楫以及樂器等，這些都是簡單的結(jié)構(gòu)。隨著社會的進

4、步，人們對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)律構(gòu)。隨著社會的進步，人們對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)律以及結(jié)構(gòu)的強度和剛度逐漸有了認(rèn)識，并且積累以及結(jié)構(gòu)的強度和剛度逐漸有了認(rèn)識，并且積累了經(jīng)驗，這表現(xiàn)在古代建筑的輝煌成就中，如埃了經(jīng)驗，這表現(xiàn)在古代建筑的輝煌成就中，如埃及的金字塔，中國的萬里長城、趙州安濟橋、北及的金字塔，中國的萬里長城、趙州安濟橋、北京故宮等等。盡管在這些結(jié)構(gòu)中隱含有力學(xué)的知京故宮等等。盡管在這些結(jié)構(gòu)中隱含有力學(xué)的知識，但并沒有形成一門學(xué)科。識，但并沒有形成一門學(xué)科。 v 工業(yè)革命的推動工業(yè)革命的推動 就基本原理和方法而言，結(jié)構(gòu)力學(xué)是與理論力學(xué)、就基本原理和方法而言，結(jié)構(gòu)力學(xué)是與理論力學(xué)、材料力學(xué)同時發(fā)展起來

5、的。所以結(jié)構(gòu)力學(xué)在發(fā)展的材料力學(xué)同時發(fā)展起來的。所以結(jié)構(gòu)力學(xué)在發(fā)展的初期是與理論力學(xué)和材料力學(xué)融合在一起的。到初期是與理論力學(xué)和材料力學(xué)融合在一起的。到19世紀(jì)初，由于工業(yè)的發(fā)展，人們開始設(shè)計各種大規(guī)世紀(jì)初，由于工業(yè)的發(fā)展，人們開始設(shè)計各種大規(guī)模的工程結(jié)構(gòu)，對于這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計，要作較精確模的工程結(jié)構(gòu)，對于這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計，要作較精確的分析和計算。因此，工程結(jié)構(gòu)的分析理論和分析的分析和計算。因此，工程結(jié)構(gòu)的分析理論和分析方法開始獨立出來，到方法開始獨立出來，到19世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)力學(xué)開始世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)力學(xué)開始成為一門獨立的學(xué)科。成為一門獨立的學(xué)科。 1919世紀(jì)中出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)力學(xué)的計算理論和方世紀(jì)

6、中出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)力學(xué)的計算理論和方法。法國的法。法國的納維納維于于18261826年提出了年提出了求解靜不定結(jié)構(gòu)求解靜不定結(jié)構(gòu)問題的一般方法問題的一般方法。從。從1919世紀(jì)世紀(jì)3030年代起，由于要在年代起，由于要在橋梁上通過火車，不僅需要考慮橋梁上通過火車，不僅需要考慮橋梁承受靜載荷橋梁承受靜載荷的問題，還必須考慮的問題，還必須考慮承受動載荷承受動載荷的問題，又由于的問題，又由于橋梁跨度的增長，出現(xiàn)了橋梁跨度的增長，出現(xiàn)了金屬桁架結(jié)構(gòu)金屬桁架結(jié)構(gòu)。從從18471847年開始的數(shù)十年間，學(xué)者們應(yīng)用圖解法、年開始的數(shù)十年間，學(xué)者們應(yīng)用圖解法、解析法等來研究靜定桁架結(jié)構(gòu)的受力分析，這奠解析法等來

7、研究靜定桁架結(jié)構(gòu)的受力分析，這奠定了桁架理論的基礎(chǔ)。定了桁架理論的基礎(chǔ)。18641864年，英國的年，英國的麥克斯韋麥克斯韋創(chuàng)立單位載荷法和位移互等定理，創(chuàng)立單位載荷法和位移互等定理，并用單位載荷并用單位載荷法求出桁架的位移，由此學(xué)者們終于得到了解靜法求出桁架的位移，由此學(xué)者們終于得到了解靜不定問題的方法。不定問題的方法。 基本理論建立后，在解決原有結(jié)構(gòu)問題的同時，基本理論建立后，在解決原有結(jié)構(gòu)問題的同時，還不斷發(fā)展新型結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的理論。還不斷發(fā)展新型結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的理論。19世紀(jì)末世紀(jì)末到到20世紀(jì)初，學(xué)者們對船舶結(jié)構(gòu)進行了大量的力世紀(jì)初，學(xué)者們對船舶結(jié)構(gòu)進行了大量的力學(xué)研究，并研究了可動載

8、荷下的學(xué)研究，并研究了可動載荷下的粱的動力學(xué)理論粱的動力學(xué)理論以及以及自由振動和受迫振動自由振動和受迫振動方面的問題。方面的問題。 20世紀(jì)初，世紀(jì)初，航空工程的發(fā)展促進航空工程的發(fā)展促進了對了對薄壁結(jié)構(gòu)和薄壁結(jié)構(gòu)和加勁板殼加勁板殼的應(yīng)力和變形分析，以及對的應(yīng)力和變形分析，以及對穩(wěn)定性問題穩(wěn)定性問題的研究。同時的研究。同時橋梁和建筑橋梁和建筑開始大量使用鋼筋混凝開始大量使用鋼筋混凝土材料，這就要求科學(xué)家們對土材料，這就要求科學(xué)家們對鋼架結(jié)構(gòu)鋼架結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)進行系統(tǒng)的研究，在的研究，在1914年德國的年德國的本迪克森本迪克森創(chuàng)立了轉(zhuǎn)角位創(chuàng)立了轉(zhuǎn)角位移法，用以解決移法，用以解決剛架和連續(xù)粱剛架和連

9、續(xù)粱等問題。等問題。后來，在后來，在2030年代，對復(fù)雜的靜不定桿系年代，對復(fù)雜的靜不定桿系結(jié)構(gòu)提出了一些簡易計算方法，使一般的設(shè)結(jié)構(gòu)提出了一些簡易計算方法，使一般的設(shè)計人員都可以掌握和使用了。計人員都可以掌握和使用了。 到了到了20世紀(jì)世紀(jì)20年代，人們又提出了年代，人們又提出了蜂窩夾層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)想。根據(jù)結(jié)構(gòu)的的設(shè)想。根據(jù)結(jié)構(gòu)的“極限狀態(tài)極限狀態(tài)”這一這一概念，學(xué)者們得出了概念，學(xué)者們得出了彈性地基上粱、板及剛彈性地基上粱、板及剛架架的設(shè)計計算新理論。對承受各種動載荷的設(shè)計計算新理論。對承受各種動載荷(特別是特別是地震作用地震作用)的結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題，也在的結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題，也在實驗和

10、理論方面做了許多研究工作。隨著結(jié)實驗和理論方面做了許多研究工作。隨著結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展，構(gòu)力學(xué)的發(fā)展，疲勞問題、斷裂問題和復(fù)合疲勞問題、斷裂問題和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)問題材料結(jié)構(gòu)問題先后進入結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究領(lǐng)域。先后進入結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究領(lǐng)域。 20世紀(jì)中葉，電子計算機和有限元法的問世使得大世紀(jì)中葉，電子計算機和有限元法的問世使得大型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜計算成為可能，從而將結(jié)構(gòu)力學(xué)的研型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜計算成為可能，從而將結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究和應(yīng)用水平提到了一個新的高度。究和應(yīng)用水平提到了一個新的高度。 v 結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)科體系結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)科體系 一般對結(jié)構(gòu)力學(xué)可根據(jù)其研究性質(zhì)和對象的不同分一般對結(jié)構(gòu)力學(xué)可根據(jù)其研究性質(zhì)和對象的不同分

11、為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、結(jié)構(gòu)斷裂、疲勞理論和桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和斷裂、疲勞理論和桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論等。整體結(jié)構(gòu)理論等。 v 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)結(jié)構(gòu)靜力學(xué) 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)中首先發(fā)展起來的分支，它結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)中首先發(fā)展起來的分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的彈塑性變形和應(yīng)主要研究工程結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的彈塑性變形和應(yīng)力狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。靜載荷是指不隨時間變力狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。靜載荷是指不隨時間變化的外加載荷，變化較慢的載荷，也可近似地看作靜化的外加載荷，變化較慢的載荷，也可近似地看作靜

12、載荷。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)其他分支學(xué)科的基礎(chǔ)。載荷。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)其他分支學(xué)科的基礎(chǔ)。v 結(jié)構(gòu)動力學(xué)結(jié)構(gòu)動力學(xué) 結(jié)構(gòu)動力學(xué)是研究工程結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的響應(yīng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)是研究工程結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的響應(yīng)和性能的分支學(xué)科。動載荷是指隨時間而改變的載荷。和性能的分支學(xué)科。動載荷是指隨時間而改變的載荷。在動載荷作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及位移也必在動載荷作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及位移也必然是時間的函數(shù)。由于涉及時間因素，結(jié)構(gòu)動力學(xué)的然是時間的函數(shù)。由于涉及時間因素，結(jié)構(gòu)動力學(xué)的研究內(nèi)容一般比結(jié)構(gòu)靜力學(xué)復(fù)雜的多。研究內(nèi)容一般比結(jié)構(gòu)靜力學(xué)復(fù)雜的多。 v 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論是

13、研究工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論是研究工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分支?，F(xiàn)代工程中大量使用細(xì)長型和薄型結(jié)構(gòu)，支。現(xiàn)代工程中大量使用細(xì)長型和薄型結(jié)構(gòu)，如細(xì)桿、薄板和薄殼。它們受壓時，會在內(nèi)如細(xì)桿、薄板和薄殼。它們受壓時，會在內(nèi)部應(yīng)力小于屈服極限的情況下發(fā)生失穩(wěn)部應(yīng)力小于屈服極限的情況下發(fā)生失穩(wěn)(皺皺損或曲屈損或曲屈)，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形，從而，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形，從而降低以至完全喪失承載能力。大變形還會影降低以至完全喪失承載能力。大變形還會影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的其他要求，例如影響飛行器的響結(jié)構(gòu)設(shè)計的其他要求，例如影響飛行器的空氣動力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論中最重要的空氣動力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論中最重要的內(nèi)容是確定

14、結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷。內(nèi)容是確定結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷。 v 結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞 結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞理論是研究因工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部不結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞理論是研究因工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部不可避免地存在裂紋，裂紋會在外載荷作用下擴展可避免地存在裂紋，裂紋會在外載荷作用下擴展而引起斷裂破壞，也會在幅值較小的交變載荷作而引起斷裂破壞，也會在幅值較小的交變載荷作用下擴展而引起疲勞破壞的學(xué)科。現(xiàn)在我們對斷用下擴展而引起疲勞破壞的學(xué)科。現(xiàn)在我們對斷裂和疲勞的研究歷史還不長，還不完善，但斷裂裂和疲勞的研究歷史還不長，還不完善，但斷裂和疲勞理論目前得發(fā)展很快。和疲勞理論目前得發(fā)展很快。v 三類結(jié)構(gòu)形式三類結(jié)構(gòu)形式 在結(jié)構(gòu)力學(xué)對于各

15、種工程結(jié)構(gòu)的理論和實驗在結(jié)構(gòu)力學(xué)對于各種工程結(jié)構(gòu)的理論和實驗研究中，針對研究對象還形成了一些研究領(lǐng)域，研究中，針對研究對象還形成了一些研究領(lǐng)域，這方面主要有桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和這方面主要有桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論三大類。整體結(jié)構(gòu)是用整體原材整體結(jié)構(gòu)理論三大類。整體結(jié)構(gòu)是用整體原材料，經(jīng)機械銑切或經(jīng)化學(xué)腐蝕加工而成的結(jié)構(gòu)，料，經(jīng)機械銑切或經(jīng)化學(xué)腐蝕加工而成的結(jié)構(gòu)，它對某些邊界條件問題特別適用，常用作變厚它對某些邊界條件問題特別適用，常用作變厚度結(jié)構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進展，又涌現(xiàn)出度結(jié)構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進展，又涌現(xiàn)出許多新型結(jié)構(gòu)，比如許多新型結(jié)構(gòu)，比如20世紀(jì)中期出現(xiàn)

16、的夾層結(jié)世紀(jì)中期出現(xiàn)的夾層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。v 結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法 結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法主要有工程結(jié)構(gòu)的使用結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法主要有工程結(jié)構(gòu)的使用分析、實驗研究、理論分析和計算三種。在結(jié)分析、實驗研究、理論分析和計算三種。在結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究中，這三方面往往是交替進行并構(gòu)設(shè)計和研究中，這三方面往往是交替進行并且是相輔相成的進行的。且是相輔相成的進行的。 使用分析就是在結(jié)構(gòu)的使用過程中，對結(jié)構(gòu)使用分析就是在結(jié)構(gòu)的使用過程中，對結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的情況進行分析比較和總結(jié)，這是易行中出現(xiàn)的情況進行分析比較和總結(jié)，這是易行而又可靠的一種研究手段。使用分析對結(jié)構(gòu)的而又可靠的一種研

17、究手段。使用分析對結(jié)構(gòu)的評價和改進起著重要作用。新設(shè)計的結(jié)構(gòu)也需評價和改進起著重要作用。新設(shè)計的結(jié)構(gòu)也需要通過使用來檢驗性能。要通過使用來檢驗性能。 實驗研究能為鑒定結(jié)構(gòu)提供重要依據(jù)，這也是實驗研究能為鑒定結(jié)構(gòu)提供重要依據(jù)，這也是檢驗和發(fā)展結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和計算方法的主要手檢驗和發(fā)展結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和計算方法的主要手段。實驗研究分為三類：模型實驗、真實結(jié)構(gòu)段。實驗研究分為三類：模型實驗、真實結(jié)構(gòu)部件實驗、真實結(jié)構(gòu)實驗。例如，飛機地面破部件實驗、真實結(jié)構(gòu)實驗。例如，飛機地面破壞實驗、飛行實驗和汽車的碰撞實驗等。壞實驗、飛行實驗和汽車的碰撞實驗等。 結(jié)構(gòu)的力學(xué)實驗通常要耗費較多的人力、物力結(jié)構(gòu)的力學(xué)實驗通

18、常要耗費較多的人力、物力和財力，因此只能有限度地進行，特別是在結(jié)和財力，因此只能有限度地進行，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計的初期階段，一般多依靠對結(jié)構(gòu)部件進構(gòu)設(shè)計的初期階段，一般多依靠對結(jié)構(gòu)部件進行理論分析和計算。行理論分析和計算。 在固體力學(xué)領(lǐng)域中，材料力學(xué)為結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)在固體力學(xué)領(lǐng)域中，材料力學(xué)為結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展提供了必要的基本知識，彈性力學(xué)和塑性力學(xué)展提供了必要的基本知識，彈性力學(xué)和塑性力學(xué)又是結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，另外結(jié)構(gòu)力學(xué)還與其又是結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，另外結(jié)構(gòu)力學(xué)還與其它物理學(xué)科結(jié)合形成許多邊緣學(xué)科，比如流體彈它物理學(xué)科結(jié)合形成許多邊緣學(xué)科，比如流體彈性力學(xué)等。性力學(xué)等。 結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門古老的學(xué)科