【優(yōu)秀畢設(shè)】對工程力學(xué)的認(rèn)識和未來規(guī)劃

1、對工程力學(xué)的認(rèn)識和未來規(guī)劃 從拿到通知書的那天氣，我便與工程力學(xué)結(jié)緣。大一來的第一個(gè)學(xué)期，也并 沒有真正接觸到工程力學(xué)， 在這個(gè)學(xué)期快要結(jié)束的時(shí)候， 工程力學(xué)概論這門課也 許才是讓我真正接觸到工程力學(xué)。 而之后的三年， 或許是之后的幾十年， 我都會 離不開工程力學(xué)。力學(xué)，最開始給我的感覺就是物理，高中一直覺得物理是一門比較難學(xué)的課 程，但一直也學(xué)得還行吧。到了大學(xué)，才知道，力學(xué)也是一門單獨(dú)的學(xué)科。力學(xué) 座位一門學(xué)科應(yīng)該從牛頓時(shí)代算起。 它和天文學(xué)一起是最早行程的兩門自然科學(xué)。 到 19 世紀(jì)末，力學(xué)已發(fā)展到很高的水平。當(dāng)時(shí)的力學(xué)主要以比較理想的模型為 對象，建立起了相當(dāng)完善的普適的理論體系，

2、同時(shí)也開始了與工程技術(shù)問題的結(jié) 合。 20 世紀(jì)后，力學(xué)的研究對象已不再限于理想模型，而更多地與自然界和工 程技術(shù)中必然遇到的復(fù)雜介質(zhì)或系統(tǒng)為對象， 建立各種力學(xué)模型， 并且在解決問 題過程中形成了更多的力學(xué)分支。 這樣既豐富了力學(xué)體系， 也是力學(xué)成為眾多工 程和技術(shù)科學(xué)的重要基礎(chǔ)。這些，對人類文明起了極大的推動作用。工程力學(xué)，意味著我們在這里所說力學(xué)和工程是分不開的， 力學(xué)與土木工程、 機(jī)械工程、航空航天工程、水利工程、船舶工程、能源工程、化工和生物醫(yī)學(xué)工 程等都有很大的聯(lián)系。在土木工程方面，力學(xué)有著廣泛的應(yīng)用。力學(xué)是一門既屬于自然科學(xué)也屬于 工程科學(xué)的科學(xué)，它的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性同樣鮮明。雖然

3、人們早就會建造房屋了， 但直到掌握了豐富的力學(xué)知識以后， 才有可能建造摩天大樓、 跨海大橋、 地鐵以 及海底隧道等等。 而土木工程是應(yīng)用力學(xué)知識最多的工程領(lǐng)域之一。 不少力學(xué)工 作者吧自己的研究重點(diǎn)放在土木工程領(lǐng)域； 另一方面，大量土木工程學(xué)者在從事 著力學(xué)研究。力學(xué)與土木工程的一個(gè)結(jié)合點(diǎn)是結(jié)構(gòu)分析。最早嘗試用力學(xué)分析的方法來求構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)安全尺寸是從 17 世紀(jì)開始的。 著名力學(xué)家伽利略、 胡克以及提出理想氣體公式的物理學(xué)家馬略特都對梁的變形 和抗彎強(qiáng)度做過研究。無論多么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，總是有一些基本構(gòu)件組成的。這些基本構(gòu)件包括梁、 柱、板、殼、拱、桁架、懸索和膜等等。許多學(xué)者致力于建立這些基本構(gòu)

4、件的力 學(xué)模型以分析其變形和受力特性。 相應(yīng)地，形成了諸如“材料力學(xué)”、“板殼力學(xué)” 和“結(jié)構(gòu)力學(xué)”等力學(xué)的分支學(xué)科。又來對于基本構(gòu)件的力學(xué)分析，再加上土木 工程師的巧妙應(yīng)用， 各種各樣的摩天大樓和跨海大橋才得以建成。 從某種角度來 說，現(xiàn)代大型結(jié)構(gòu)物的建造就是建立在對這些基本構(gòu)件的力學(xué)分析的基礎(chǔ)上的。在機(jī)械工程放方面，機(jī)械與力學(xué)也有著不解之緣。按照機(jī)械學(xué)的定義，把哥 哥組成部分具有一定相對運(yùn)動的裝置成為機(jī)構(gòu)， 而把執(zhí)行規(guī)定運(yùn)動以轉(zhuǎn)換、 傳遞 或利用機(jī)械能的機(jī)構(gòu)成為機(jī)器， 通常又把機(jī)構(gòu)與機(jī)器統(tǒng)稱為機(jī)械。 在各種各樣的 機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)、 制造和運(yùn)行控制過程中， 除了需要相關(guān)的專業(yè)理論之外， 還可

5、 能涉及物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械原理、計(jì)算機(jī)科學(xué)和控制論等一系列 相應(yīng)基礎(chǔ)學(xué)科知識； 但是遇到了機(jī)械結(jié)構(gòu)或零部件的強(qiáng)度、 剛度、穩(wěn)定性以及震 動方面的問題，就必須借助力學(xué)研究分析、力學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算來解決。在固體力學(xué)領(lǐng)域中，有一個(gè)研究含裂紋物體的強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展規(guī)律的分支， 稱為斷裂力學(xué)。它對機(jī)械結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度分析十分重要。在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中， 必須從斷裂力學(xué)準(zhǔn)則出發(fā)， 考慮這些缺陷或裂紋的存在和擴(kuò)展對安全運(yùn)行和使用 壽命的影響， 并提出評定這些影響的安全判據(jù)和應(yīng)對措施。 力學(xué)實(shí)驗(yàn)是強(qiáng)度分析 中的重要手段。 當(dāng)設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品需要確定設(shè)計(jì)方案時(shí)， 可利用模型試驗(yàn)， 選取較 優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并對眼設(shè)計(jì)

6、方案提出改進(jìn)， 為降低應(yīng)力集中因數(shù)等提供必要的根據(jù)。 同時(shí)在研究剛度和穩(wěn)定性問題， 振動問題， 內(nèi)燃機(jī)的強(qiáng)度與振動等等有關(guān)機(jī)械的 問題中，力學(xué)都十分重要。在力學(xué)與航空航天工程方面，力學(xué)的作用也體現(xiàn)得相當(dāng)明顯。航空航天工程 綜合了科學(xué)技術(shù)的最新最高成就， 是一個(gè)國家科技實(shí)力和國防現(xiàn)代化的重要標(biāo)志 之一，它是目前各國爭相發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)， 直接關(guān)系到國家的安全和經(jīng)濟(jì)的發(fā) 展。在航空工業(yè)發(fā)展的初期， 從古代人試圖用一雙翅膀像鳥一樣在天空中翱翔一 直到萊特兄弟的飛機(jī)試飛成功直到流體力學(xué)被提出， 一切都是跟力學(xué)有關(guān)的。 再 后來普朗特發(fā)明風(fēng)洞。 力學(xué)過去對航空航天的發(fā)展做出過巨大貢獻(xiàn)， 今后還會起 很大

7、的作用。力學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科，入流體力學(xué)、固體力學(xué)、動力學(xué)與控制、流 體與結(jié)構(gòu)的耦合作用、 熱與結(jié)構(gòu)的耦合作用、物理力學(xué)以及稀薄氣體東西學(xué)等等， 在航空航天工程中都已經(jīng)并且正在發(fā)揮著巨大的作用， 航空航天工業(yè)是在迅速發(fā) 展的領(lǐng)域， 只要研究一種新的飛行器， 就會出現(xiàn)新的力學(xué)問題， 需要力學(xué)工作者 進(jìn)一步去研究探索。在水利工程方面，工程力學(xué)的不斷提高起了很好的先導(dǎo)和促進(jìn)作用，做出了 突出的貢獻(xiàn)。 古代就出現(xiàn)了初期的農(nóng)田水利工程、 防洪工程以及航運(yùn)工程， 而隨 著工業(yè)化的到來以及興水利除水害多目標(biāo)的近代水利建設(shè)技術(shù)的采用， 掀起了較 大范圍、較大規(guī)模水利工程建設(shè)的熱潮，開創(chuàng)了將水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿乃娛?/p>

8、業(yè)， 人類開始步入大力開發(fā)、利用水資源的階段。在水利工程中水工建筑物的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證與工程力學(xué)的關(guān)系非常密切。 水工建筑物的結(jié)構(gòu)形式、 尺寸、材料、 細(xì)部結(jié)構(gòu)和地基處理措施等諸多因素的確 定，水工結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力、變形、沉降、穩(wěn)定性和耐久性等諸方面是否符合要求的 驗(yàn)證，均得依靠工程力學(xué)理論分析、 實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果給出量化的回答。 因此，建筑高標(biāo)準(zhǔn)的水利工程必須具有高水平的工程力學(xué)研究手段。水利是人類賴以生存、得以發(fā)展的偉大工程，經(jīng)過適應(yīng)、改造到綜合利用水 利的各個(gè)階段，今天的水利建設(shè)業(yè)已登上“水及于人”和“人及于水”的和諧發(fā) 展的征途。工程力學(xué)作為水利工程的一個(gè)重要基礎(chǔ)學(xué)科，肩負(fù)著更多、

9、更大、更 難的攻關(guān)任務(wù)。在船舶工程方面， 船舶工程是對力學(xué)知識需求最多、 結(jié)合最密切的領(lǐng)域之一。 整個(gè)地球表面的總面積約為 51000萬平方公里， 其中海洋江湖的總面積為 36100 萬平方公里，占地球總面積的 70.8%。廣闊的海洋為船舶運(yùn)輸提供了極為便利的 通道，成為沿岸與跨國運(yùn)輸?shù)闹饕緩健?研究人類的歷史可以發(fā)現(xiàn)， 船舶也是最 早出現(xiàn)的人類運(yùn)載工具之一。船舶在海上航行時(shí)經(jīng)常遇到大風(fēng)大浪，如果船舶不具備足夠的穩(wěn)性，就會傾 覆；如果船體結(jié)構(gòu)不具備足夠的強(qiáng)度， 在大風(fēng)大浪中就會斷裂。 船舶傾覆和斷裂 是船舶在海上可能發(fā)生的兩類最危險(xiǎn)的事故， 船舶設(shè)計(jì)一定要加以防范措施。 船 舶的性能主要包括

10、浮性、穩(wěn)性、抗沉性、快速性、耐波性和操縱性。預(yù)報(bào)和改進(jìn) 船舶性能的主要工具是流體力學(xué)。 船舶的強(qiáng)度問題包括斷裂與疲勞、 振動與噪聲 等。預(yù)報(bào)和改進(jìn)船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要理論工具是材料力學(xué)、 結(jié)構(gòu)力學(xué)、 振動與沖 擊學(xué)、斷裂與疲勞理論、 彈塑性力學(xué)和板殼力學(xué)等， 這些不同的力學(xué)學(xué)科統(tǒng)稱為 船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)。 船舶力學(xué)的發(fā)展進(jìn)一步推動了力學(xué)學(xué)科的發(fā)展， 使之具有更加豐 富的內(nèi)涵。 21 世紀(jì)將是海洋的世紀(jì)，船舶與海洋工程將會得到更大的發(fā)展。無 論是過去還是將來， 船舶于海洋工程的發(fā)展都離不開力學(xué)。 力學(xué)基礎(chǔ)知識是從事 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物開發(fā)與使用的必備手段。 在這一領(lǐng)域里， 力學(xué)知識有這廣 闊的用武之地

11、。在能源工程方面，也是離不開力學(xué)的。能源工業(yè)是重要的基礎(chǔ)工業(yè)，從 20 世紀(jì) 80 年代起直至 2010年，它始終是我國有線發(fā)展的工業(yè)部門。 能源工業(yè)的放 大量設(shè)備旺旺具有以下一些特點(diǎn)， 這些特點(diǎn)決定了力學(xué)對能源工業(yè)的發(fā)展起著十 分重要的作用。 1）工作條件特別苛刻，往往涉及高溫、高壓、腐蝕介質(zhì)等種種 惡劣的工作條件。 2）許多重要設(shè)備是特大型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而大型化將引起造成 結(jié)構(gòu)破壞的一系列新問題，例如穩(wěn)定性下降、自鎮(zhèn)坪率降低等等。3）裝置中的工作介質(zhì)有不少是易燃、易爆、有腐蝕性、對人體有危害的氣體或液體，在核電 站的一回路系統(tǒng)中還有放射性介質(zhì)。力學(xué)對于促進(jìn)能源工業(yè)發(fā)展起到了巨大的作用。地質(zhì)力

12、學(xué)。滲流力學(xué)和固體 力學(xué)中的柔性梁柱強(qiáng)度、 振動與穩(wěn)定性等力學(xué)問題的解決大大促進(jìn)了石油、 天然 氣的勘察與采集；固體力學(xué)對于煤礦的安全開采和海上石油鉆井平臺的安全可靠 性都起到了關(guān)鍵的指導(dǎo)作用： 彈塑性力學(xué)與計(jì)算力學(xué)的發(fā)展， 使復(fù)雜的壓力容器 與管道的合理設(shè)計(jì)又來可靠的理論依據(jù)， 安全性與經(jīng)濟(jì)性這一對矛盾得到了合理 解決。在化工方面，主要是跟流體力學(xué)有很大的關(guān)系?；な菄窠?jīng)濟(jì)中一個(gè)極為 重要的產(chǎn)業(yè)，既提供多種產(chǎn)業(yè)所需的原材料，也提供很多中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品。 在化工生產(chǎn)中涉及到大量的流體力學(xué)問題。 所謂化工過程， 廣義上講是指物質(zhì)經(jīng) 受性質(zhì)上變化的過程， 包括物理的和化學(xué)的性質(zhì)變化。 它與只有

13、物體形狀和位置 變化的一般機(jī)械不同。在化工領(lǐng)域中，大量是涉及到流體運(yùn)動的問題。化工中的流動問題大致有以 下五個(gè)特點(diǎn)： 1）化工生產(chǎn)時(shí)，物料一般都在流動中； 2）各種化工過程所使用的 化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式既多樣又復(fù)雜； 3）流體物料的種類十分廣泛； 4）流動同時(shí) 伴有熱量與質(zhì)量的傳遞； 5）流動同時(shí)伴有化學(xué)反應(yīng)。通過化工設(shè)備中流體運(yùn)動規(guī)律的分析、 感光材料涂布流動分析以及聚合物費(fèi) 牛頓流體顯示的特性等三方面的尸體， 說明對于提高化工部門的產(chǎn)品質(zhì)量、 生產(chǎn) 效率，行程新的生產(chǎn)工藝與相應(yīng)的設(shè)備等， 流體力學(xué)起著十分關(guān)鍵的作用。 而化 工中復(fù)雜的流動現(xiàn)象的研究， 又進(jìn)一步推動了流體力學(xué)的一些分支學(xué)科，

14、入多相 流、非牛頓流體力學(xué)等的發(fā)展。生物醫(yī)學(xué)方面，也奇跡般的與力學(xué)有著很大的關(guān)系。 力學(xué)與生理學(xué)、 解剖學(xué)、 醫(yī)學(xué)、生物學(xué)以及它們的邊緣學(xué)科生物醫(yī)學(xué)等相結(jié)合， 行程了一門力學(xué)與生命科 學(xué)的交叉學(xué)科生物力學(xué)。生物力學(xué)幫助我們了解生命，啟發(fā)我們觀察自然， 設(shè)計(jì)和創(chuàng)造各種設(shè)備以該上我們的生活質(zhì)量。 在臨床診斷與治療的過程中， 醫(yī)生 們不斷地提出各種各樣u力學(xué)相關(guān)的問題，諸如人體各類組織的特性，各器官的 結(jié)構(gòu)與功能， 血液和體液的成分與流動、 交換規(guī)律以及與人體疾病、 保健和修復(fù) 有關(guān)的眾多力學(xué)問題。 固體力學(xué)和流體力學(xué)的一般規(guī)律與研究方法為解決這些問 題開辟了途徑， 并逐漸地形成了生物力學(xué)這一力學(xué)的

15、分支學(xué)科。 生物力學(xué)的發(fā)展 又促進(jìn)了對人體各種疾病的防治與器官的修復(fù)。 、生物力學(xué)的研究應(yīng)用領(lǐng)域日益寬廣，涉及了跨學(xué)科、技術(shù)較差、基礎(chǔ)性和應(yīng) 用性并重的許多領(lǐng)域。 在競技和體育方面， 特意飛行方面， 和生物組織的生長方 面，都跟力學(xué)知識有關(guān)。 而在人體中，很多地方都跟力學(xué)知識有關(guān)， 骨骼、肌肉、 皮膚等等， 都是帶有力學(xué)性能的。 包括心臟、 血管以及血管系統(tǒng)中的血液流動也 和力學(xué)有關(guān)，比如有血液動力學(xué)、脈搏波與波動力學(xué)等等。力學(xué)在醫(yī)學(xué)的很多方面具有極其重要的地位， 并已經(jīng)獲得了廣泛而又成功的 應(yīng)用；同時(shí)， 在生命科學(xué)中尚有大量的力學(xué)問題有待解決。 生物力學(xué)不僅在醫(yī)學(xué) 中具有重要的應(yīng)用價(jià)值， 孩

16、子啊生物工程和放生科學(xué)等領(lǐng)域中有著廣闊的研究和 應(yīng)用前景。力學(xué)不僅與各種工程類學(xué)科關(guān)系非常密切，同時(shí)也包含不少數(shù)學(xué)等知識。力 學(xué)的發(fā)展與數(shù)學(xué)物理方法的發(fā)展兩者之間具有深刻的內(nèi)在聯(lián)系。 建立描述問題的 基本數(shù)學(xué)方程是研究的第一步， 以下則是對所建立的方程求解。 當(dāng)力學(xué)問題的基 本數(shù)學(xué)方程建立以后， 就需要尋找有效的求解方法， 并結(jié)合具體工程問題加以應(yīng) 用，這是力學(xué)工作者長期研究的內(nèi)容。 在計(jì)算機(jī)問世以前， 力學(xué)基本方程求解只 能靠解析方法， 數(shù)學(xué)家與力學(xué)家通力合作， 對力學(xué)問題的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行求解， 既 發(fā)展了力學(xué)理論也豐富了數(shù)理方法。 然而實(shí)際問題中能夠用解析方法求解的問題 是十分有限的，因此也就使工程師與力學(xué)家們努力對計(jì)算中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化， 并提出了包括近似方法在內(nèi)的多種求解手段， 其中許多方法仍指引著當(dāng)前的計(jì)算 方法與數(shù)學(xué)模型方面的研究。而 20 世紀(jì) 40 年代后，隨著計(jì)算機(jī)的問世，各種適合計(jì)算機(jī)計(jì)算的力學(xué)分析 方法相繼出現(xiàn)，打破了計(jì)算的“瓶頸”