工程力學(xué)在生活中的應(yīng)用

工程力學(xué)在生活中的應(yīng)用工程力學(xué)在生活中的應(yīng)用工程力學(xué)在生活中的應(yīng)用xxx公司工程力學(xué)在生活中的應(yīng)用文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度工程力學(xué)在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用摘要：本文從結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展史和學(xué)科體系，來闡述工程力學(xué)在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:工程結(jié)構(gòu)受力強(qiáng)度結(jié)構(gòu)力學(xué)主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律，以及如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的學(xué)科。工程結(jié)構(gòu)是能夠承受和傳遞外載荷的系統(tǒng)，包括桿、板、殼以及它們的組合體，如飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼、橋梁、屋架和承力墻等。結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)是研究工程結(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；分析不同形式和不同材料的工程結(jié)構(gòu)，為工程設(shè)計(jì)提供分析方法和計(jì)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)展新型工程結(jié)構(gòu)。

觀察自然界中的天然結(jié)構(gòu)，如植物的根、莖和葉，動(dòng)物的骨骼，蛋類的外殼，可以發(fā)現(xiàn)它們的強(qiáng)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(jì)不僅要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，還要做到用料省、重量輕．對(duì)某些工程來說減輕重量尤為重要，比如飛機(jī)重量的減輕就可以使飛機(jī)航程遠(yuǎn)、上升快、速度大、能耗低。

結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史：隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)律以及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度逐漸有了認(rèn)識(shí)，并且積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，這表現(xiàn)在古代建筑的輝煌成就中，如埃及的金字塔，中國(guó)的萬里長(zhǎng)城、趙州安濟(jì)橋、北京故宮等等。盡管在這些結(jié)構(gòu)中隱含有力學(xué)的知識(shí)，但并沒有形成一門學(xué)科。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(shí)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19世紀(jì)初，由于工業(yè)的發(fā)展，人們開始設(shè)計(jì)各種大規(guī)模的工程結(jié)構(gòu)，對(duì)于這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要作較精確的分析和計(jì)算。因此，工程結(jié)構(gòu)的分析理論和分析方法開始獨(dú)立出來，到19世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)力學(xué)開始成為一門獨(dú)立的學(xué)科。19世紀(jì)中出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算理論和方法。法國(guó)的納維于1826年提出了求解靜不定結(jié)構(gòu)問題的一般方法。從19世紀(jì)30年代起，由于要在橋梁上通過火車，不僅需要考慮橋梁承受靜載荷的問題，還必須考慮承受動(dòng)載荷的問題，又由于橋梁跨度的增長(zhǎng)，出現(xiàn)了金屬桁架結(jié)構(gòu)。從1847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，這奠定了桁架理論的基礎(chǔ)。1864年，英國(guó)的麥克斯韋創(chuàng)立單位載荷法和位移互等定理，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不定問題的方法?；纠碚摻⒑?，在解決原有結(jié)構(gòu)問題的同時(shí)，還不斷發(fā)展新型結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的理論。

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，學(xué)者們對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的力學(xué)研究，并研究了可動(dòng)載荷下的粱的動(dòng)力學(xué)理論以及自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)方面的問題。20世紀(jì)初，航空工程的發(fā)展促進(jìn)了對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)和加勁板殼的應(yīng)力和變形分析，以及對(duì)穩(wěn)定性問題的研究。同時(shí)橋梁和建筑開始大量使用鋼筋混凝土材料，這就要求科學(xué)家們對(duì)鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，在1914年德國(guó)的本迪克森創(chuàng)立了轉(zhuǎn)角位移法，用以解決剛架和連續(xù)粱等問題。后來，在20～30年代，對(duì)復(fù)雜的靜不定桿系結(jié)構(gòu)提出了一些簡(jiǎn)易計(jì)算方法，使一般的設(shè)計(jì)人員都可以掌握和使用了。到了20世紀(jì)20年代，人們又提出了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)想。根據(jù)結(jié)構(gòu)的"極限狀態(tài)"這一概念，學(xué)者們得出了彈性地基上粱、板及剛架的設(shè)計(jì)計(jì)算新理論。對(duì)承受各種動(dòng)載荷的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，也在實(shí)驗(yàn)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，疲勞問題、斷裂問題和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)問題先后進(jìn)入結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究領(lǐng)域。20世紀(jì)中葉，電子計(jì)算機(jī)和有限元法的問世使得大型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜計(jì)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(gè)新的高度。

結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)科體系：根據(jù)其研究性質(zhì)和對(duì)象的不同，結(jié)構(gòu)力學(xué)分為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)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)理論和整體結(jié)構(gòu)理論等。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)力狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。靜載荷是指不隨時(shí)間變化的外加載荷，變化較慢的載荷，也可近似地看作靜載荷。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)。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是研究工程結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下的響應(yīng)和性能的分支學(xué)科。動(dòng)載荷是指隨時(shí)間而改變的載荷。在動(dòng)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(shí)間的函數(shù)。由于涉及時(shí)間因素，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容一般比結(jié)構(gòu)靜力學(xué)復(fù)雜的多。

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(zhǎng)型和薄型結(jié)構(gòu)，如細(xì)桿、薄板和薄殼。它們受壓時(shí)，會(huì)在內(nèi)部應(yīng)力小于屈服極限的情況下發(fā)生失穩(wěn)，從而降低以至完全喪失承載能力。大變形還會(huì)影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其他要求，例如影響飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論中最重要的內(nèi)容是確定結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷。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(huì)在外載荷作用下擴(kuò)展而引起斷裂破壞，也會(huì)在幅值較小的交變載荷作用下擴(kuò)展而引起疲勞破壞的學(xué)科。在結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)于各種工程結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究中，針對(duì)研究對(duì)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(jī)械銑切或經(jīng)化學(xué)腐蝕加工而成的結(jié)構(gòu)，它對(duì)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(jìn)展，又涌現(xiàn)出許多新型結(jié)構(gòu)，比如20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)。

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(shí)驗(yàn)研究的理論分析和計(jì)算三種。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究中，這三方面往往是交替進(jìn)行并且是相輔相成的進(jìn)行的。使用分析對(duì)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)和改進(jìn)起著重要作用。新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也要通過使用來檢驗(yàn)性能。實(shí)驗(yàn)研究能為鑒定結(jié)構(gòu)提供重要依據(jù)，這也是檢驗(yàn)和發(fā)展結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和計(jì)算方法的主要手段。實(shí)驗(yàn)研究分為三類：模型實(shí)驗(yàn)、真實(shí)結(jié)構(gòu)部件實(shí)驗(yàn)、真實(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。例如，飛機(jī)地面破壞實(shí)驗(yàn)、飛行實(shí)驗(yàn)和汽車的碰撞實(shí)驗(yàn)等。結(jié)構(gòu)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)通常要耗費(fèi)較多的人力、物力和財(cái)力，因此只能有限度地進(jìn)行，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期階段，一般多依靠對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行理論分析和計(jì)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)展提供了必要的基本知識(shí)，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)。結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門古