2系材料力學發(fā)展史

1、材料力學簡史材料力學的萌芽期（17世紀初）及發(fā)展期（19世紀初）新世紀（19世紀末現(xiàn)在）材料力學面臨的新挑戰(zhàn)材料力學是固體力學中最早發(fā)展起來的一個分支，它研究材料在外力作用下的力學性能、變形狀態(tài)和破壞規(guī)律，為工程設計中選用材料和選擇構(gòu)件尺寸提供依據(jù)。在固體力學各分支中，材料力學的分析和計算方法一般說來最為簡單，但材料力學對于其他分支學科的發(fā)展起著啟蒙和奠基作用。材料力學(mechanics of materials)作為機械、土木、采礦、航空航天、石油工程、地質(zhì)勘探、海洋工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學科，在設計、制造與生產(chǎn)、技術(shù)創(chuàng)新、增產(chǎn)措施等方面具有重要的作用，是理工科大專院校相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基

2、礎(chǔ)課程。材料力學是基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁和紐帶，起到承上啟下的作用，是幾乎所有工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程 。更是力學專業(yè)的學生和力學科學工作者的基礎(chǔ)。1638年，舉世聞名的意大利數(shù)學家，天文學家，力學家伽里略15641642在荷蘭萊登，出版了世界上第一本材料力學教本兩種新的科學首先提出了材料的力學性質(zhì)和強度計算的方法。人們認為，材料力學作為一門學科，就從這里開始。 材料力學的發(fā)展但是，任何一門科學都不可能是個別人在短期內(nèi)創(chuàng)造出來的，而是在幾代人經(jīng)常艱苦探索和創(chuàng)造而逐漸形成的。在科學巨匠達芬奇、伽利略、惠更斯、庫倫、麥克斯韋、歐拉、柯西、湯姆斯楊、伯努利、納維葉、圣維南等人的努力下，形成了一門系統(tǒng)的科

3、學。泊松圣維南納維葉歐拉在古代建筑中，盡管還沒有嚴格的科學理論，但人們從長期生產(chǎn)實踐中，對構(gòu)件的承力情況已有一些定性或較粗淺的定量認識。例如，從圓木中截取矩形截面的木粱，當高寬比為3：2時最為經(jīng)濟，這大體上符合現(xiàn)代材料力學的基本原理。早期的材料力學是以木材、石頭等脆性材料為研究主題，由于其變形很小，所以不可避免地具有很大的局限性。隨著工業(yè)的發(fā)展，在車輛、船舶、機械和大型建筑工程的建造中所碰到的問題日益復雜，單憑經(jīng)驗已無法解決，這樣，在對構(gòu)件強度和剛度長期定量研究的基礎(chǔ)上逐漸形成了材料力學?，F(xiàn)在國內(nèi)外流行的材料力學是在20世紀50年代引用前蘇聯(lián)的教材和教學模式的基礎(chǔ)上建立起來的。材料力學是一門古

4、老的學科，在19世紀中葉材料力學發(fā)展到了鼎盛時期，有關(guān)材料力學中的幾個重要的問題和概念也在這段時期提出的。材料力學拉伸強度穩(wěn)定扭轉(zhuǎn)彎曲1 桿件的拉伸問題 意大利科學家伽利略（Galileo）在關(guān)于力學和局部運動的兩門新科學的對話和數(shù)學證明的書中嘗試用科學的解析方法確定構(gòu)件的尺寸，討論的第一問題是直桿軸向拉伸問題，得到承載能力與橫截面積成正比而與長度無關(guān)的正確結(jié)論。 2 梁的彎曲問題 在關(guān)于力學和局部運動的兩門新科學的對話和數(shù)學證明一書中，伽利略討論的第二個問題是梁的彎曲強度問題。對于空心梁承載能力，他說，空心梁“能大大提高強度而無需增加重量，所以在技術(shù)上得到廣泛的應用。在自然界就更為普遍了。這

5、樣的例子在鳥類的骨骼和各種蘆葦中可以看到，它們既輕巧，而又對彎曲和斷裂具有相當高的抵抗能力”。 1826年納維（Navier，C. L. M. H）才在他的材料力學講義中給出正確的結(jié)論：中性層過橫截面的形心。平截面假設是材料力學計算理論的重要基礎(chǔ)之一。雅科布伯努利于1695年提出了梁彎曲的平截面假設，由此可以證明梁（中性層）的曲率和彎矩成正比。此外他還得到了梁的撓曲線微分方程。梁的變形計算問題，早在13世紀納莫爾（Nemore J de）已經(jīng)提出。俄羅斯鐵路工程師儒拉夫斯基于1855年得到橫力彎曲時的切應力公式。30年后，他的同胞別斯帕羅夫開始使用彎矩圖，被認為是歷史上第一個使用彎矩圖的人。

6、3 關(guān)于桿件扭轉(zhuǎn)問題 對于圓軸扭轉(zhuǎn)問題，可以認為法國科學家?guī)靵觯–oulomb C A de）分別于1777年和1784年發(fā)表的兩篇論文是具有開創(chuàng)意義的工作。法國力學家圣維南（Saint-Venant B de）于19世紀中葉運用彈性力學方法奠定了柱體扭轉(zhuǎn)理論研究的基礎(chǔ)，因而學術(shù)界習慣將柱體扭轉(zhuǎn)問題稱為圣維南問題。4 關(guān)于壓桿穩(wěn)定問題 壓桿在工程實際中到處可見，早在文藝復興時期，偉大的藝術(shù)家、科學家和工程師達芬奇對壓桿做了一些開拓性的研究工作。眾所周知，細長桿壓曲載荷公式是數(shù)學家歐拉首先導出的。5 疲勞強度問題 隨時間作周期性變化的應力，稱為交變應力。構(gòu)件在交變應力作用下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)發(fā)生的

7、破壞，稱為疲勞破壞。1839年巴黎大學教授龐賽洛特（Pancelet J U）在講課中首先使用了金屬疲勞的概念。在歷史上那些偉大的科學家的貢獻之上，近代材料力學也有了突飛猛進的發(fā)展。起源于德國的哥廷根學派，在克萊因（Klein, F.）和希爾伯特（Hilber, D.）的推動下，形成了以普朗特（Prandtl, L.）為首的近代應用力學學派。在哥廷根大學，普朗特培養(yǎng)出了一大批的力學大師，如馮 卡門、鐵摩辛柯、希爾、德魯克、普拉格、那戴、鄧哈托等都是哥廷根學派的杰出代表。而在華裔力學家中，也有大量的杰出人物，例如應用數(shù)學家林家翹、被譽為“生物力學之父”的馮元楨、計算力學家卞學璜、流體力學家吳耀祖

8、、“預應力之父”林同炎等。我國的應用力學的源頭也在哥廷根，其代表人物有錢學森、錢偉長、周培源、郭永懷、張維、錢令希、胡海昌、陸士嘉等。周培源錢偉長錢學森材料力學面臨的新挑戰(zhàn)自20世紀50年代以來，大量的新材料不斷從軍工與高科技領(lǐng)域擴展到許多工業(yè)部門。這些材料，例如復合材料、高分子材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、智能材料等大量使用，大大減輕了結(jié)構(gòu)的重量，提高了結(jié)構(gòu)的強度和壽命。但是經(jīng)典的基于胡克定律的線彈性小變形本構(gòu)關(guān)系已經(jīng)無法描述上述材料的響應，例如：航空領(lǐng)域大量采用的纖維或者顆粒增強復合材料本身為各向異性；工程中大量含有裂紋的材料已非均勻連續(xù)；高分子材料的應力應變關(guān)系是與時間相關(guān)的，且大都為非線性；新型的“

9、軟物質(zhì)”材料是介于固體與流體之間的特殊的“復雜流體”，還沒有恰當?shù)谋緲?gòu)關(guān)系；碳納米管（CNT）和其它生物材料具有反常的“負泊松比”效應；生物體中的某些材料其“零應力”點并非為其初始狀態(tài)；細胞粘附時需要考慮其它的“非經(jīng)典力”，如毛細力、范德華力的影響。這些現(xiàn)象都說明，新的材料力學教材必須包含以上各種新的現(xiàn)象，例如非均勻、各向異性、非線性、時間相關(guān)等因素。材料力學與生產(chǎn)實踐人類歷史有多久，力學的歷史就有多久?！傲Α笔侨祟悓ψ匀坏氖∥?。 公元卅一年，即東漢建武七年，杜詩創(chuàng)作了水排，表明人們已經(jīng)很清楚地知道如何用拉壓桿、彎曲梁、扭轉(zhuǎn)軸等構(gòu)件才能創(chuàng)造出一個完整的工程結(jié)構(gòu)。在我國，有關(guān)材料力學的生產(chǎn)實踐活

10、動更是源遠流長。早在春秋戰(zhàn)國時代，人們已經(jīng)知道怎樣建造大型的建筑工程和水利工程。雄偉壯觀的萬里長城，顯示了中華民族的智慧和魄力。馳名中外的都江堰至今仍造福于川西人民； 公元600年前后，隋大業(yè)年間，出色的工匠李春利用石料耐壓不耐拉的特性，主持建造了跨長37.37米，拱圈矢高為7.23米的拱橋，跨越河北趙縣的洨河上，稱為安濟橋，俗稱趙州橋。在國際橋梁史上，它的設計與工藝之新為當時世界之冠。主拱上的小拱不僅便于排水，而且表明工匠李春對節(jié)省材料，減輕自身重量的效應已有清楚的認識。 趙州橋1056年用純木結(jié)構(gòu)建造的山西應縣木塔巧奪天工的梁柱結(jié)構(gòu)這是北京天壇的祈年殿水立方（采用薄膜結(jié)構(gòu)，空間鋼架的結(jié)構(gòu) ）國家體育館鳥巢（鋼結(jié)構(gòu)主體）神舟七號及其宇航服中國第四代戰(zhàn)機隱形殲20（國產(chǎn)）大飛機想象圖瓦良格號一直發(fā)展至今，材料力學承擔著：將工程結(jié)構(gòu)和機械中的簡單構(gòu)件簡化為一維桿件，計算桿中的應力、變形并研究桿的穩(wěn)定性，以保證結(jié)構(gòu)能承受預定的載荷；選擇適當?shù)牟牧?/p>