工程力學(xué)第一章 緒論

第一章緒論一、

什么是力學(xué)二、力學(xué)與工程三、現(xiàn)代力學(xué)的發(fā)展及其特點七、工程靜力學(xué)研究主線五、最基本概念--力和運(yùn)動四、學(xué)科分類六、一般研究方法1一、什么是力學(xué)?是各技術(shù)工程學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)，是溝通自然科學(xué)基礎(chǔ)理論與工程實踐的橋梁。所闡述的規(guī)律帶有普遍性，是一門基礎(chǔ)科學(xué)。直接服務(wù)于工程,又是一門技術(shù)科學(xué)。力學(xué)是研究物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。墨子：“力，形之所以奮也”。（公元前4世紀(jì)）

力是物體為什么改變其狀態(tài)的原因。

2機(jī)械、結(jié)構(gòu)等受力如何？如何運(yùn)動？如何變形？破壞？如何控制設(shè)計？其目的是：

了解工程系統(tǒng)的性態(tài)并為其設(shè)計提供合理的規(guī)則。工程力學(xué)（或者應(yīng)用力學(xué)）是:將力學(xué)原理應(yīng)用實際工程系統(tǒng)的科學(xué)。性態(tài)規(guī)則3

二、力學(xué)與工程以力學(xué)與航空航天工程為例簡單回顧。4實驗探索：風(fēng)箏、火箭、模擬鳥類滑翔等。問題一、如何飛起來？5到19世紀(jì)末，經(jīng)典流體力學(xué)基礎(chǔ)已經(jīng)形成。1783年6月，法蒙高兄弟布袋式熱氣球飛行。1875年，氫氣球載人飛行到萬米高空。19世紀(jì)后，出現(xiàn)了飛艇。充填氫、氦、熱空氣等產(chǎn)生升力，用動力裝置輔助控制,可以向任意方向飛行?？諝忪o力飛行：（氣球、飛艇）

到20世紀(jì)，人們從理論和實踐二方面研究飛行器與空氣相對運(yùn)動時作用力(升力，阻力)的產(chǎn)生及其規(guī)律?？諝鈩恿W(xué)

發(fā)展并形成新分枝?？諝鈩恿︼w行：61949年，第一架噴氣式客機(jī)“彗星號”,可載客80名，最大起飛重量達(dá)70噸，跨音速。1903年，萊特兄弟（美國）的木制機(jī)身、雙層帆布機(jī)翼螺旋槳飛機(jī)第一次飛行。7空氣動力試驗---風(fēng)洞實驗8問題二如何飛？作為剛體，研究運(yùn)動規(guī)律和控制。飛行力學(xué)問題三如何保證結(jié)構(gòu)的安全？

無缺陷均勻材料，變形體。研究對象材料力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、失效判據(jù)、設(shè)計規(guī)范。研究內(nèi)容

材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、計算力學(xué)等。

屬于靜強(qiáng)度設(shè)計。相應(yīng)學(xué)科9飛機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實驗機(jī)翼破壞實驗10機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實驗11材料缺陷的影響如何？載荷變化的影響如何？60年代末，美國空軍F-111飛機(jī)連續(xù)發(fā)生災(zāi)難性事故，是由含裂紋構(gòu)件的脆性斷裂引起的，斷裂力學(xué)方法也從此引入飛機(jī)設(shè)計中。斷裂力學(xué)--考慮材料缺陷和裂紋近代，復(fù)合材料，智能結(jié)構(gòu)的研究。目標(biāo)：更輕、更快、更安全（自監(jiān)測、自診斷）1952年，“Comet”試飛300多小時后投入使用。1954年元月突然發(fā)生空中爆炸，墜落于地中海。殘骸研究后表明，起源于機(jī)身開口拐角處的裂紋，在擾動載荷作用下擴(kuò)展導(dǎo)致破壞。疲勞力學(xué)--考慮載荷變化和重復(fù)作用的影響12

振動、噪聲控制；穩(wěn)定性和可操縱性力學(xué)與工程緊密結(jié)合。是一門既古老又年輕的學(xué)科，它對于近、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有重要的影響。問題四、如何更加舒適？飛起來?跨、超音速空氣動力學(xué)噴氣機(jī)、后掠翼、復(fù)合材料快速理論力學(xué)飛行力學(xué)如何飛？安全振動噪聲；穩(wěn)定性舒適材料力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)彈性力學(xué)計算力學(xué)疲勞力學(xué)斷裂力學(xué)空氣動力學(xué)雙、單翼機(jī)氣球、飛艇流體力學(xué)實驗力學(xué)13大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的破壞例：14

軸葉輪

疲勞斷裂破壞15

轉(zhuǎn)子軸疲勞開裂

疲勞斷裂破壞16葉片擊穿廠房17臺南高屏大橋斷裂2000年8月27日下午3時20分，臺灣南部高屏大橋斷裂，大橋中間下陷部分長達(dá)100米。17輛車墜河，22人受傷。采沙過度，河面沉降10余米，橋墩先斷裂。182000年７月25日，法航協(xié)和式客機(jī)墜毀，113人死亡。地面鐵條使輪胎爆裂，碎片侵入發(fā)動機(jī)。19汽車議碰撞嗓試驗20建筑傾物控妹制爆電破21上海丈東拳方電姻視塔高3夫00m球徑眾45m22抗震巷模型破試驗（破撤壞部評位、厭破壞坦形式高、抗佳震能把力）23材料與對象：金屬、土木石等新型復(fù)合材料、高分子材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、功能材料。尺度：宏觀、連續(xù)體含缺陷體，細(xì)、微觀、納米尺度。3.眾1力學(xué)棉研究慚的發(fā)圖展：應(yīng)用喂領(lǐng)域：航空片、土勤木、咽機(jī)械猜、材話料生裹命、微邊電子及技術(shù)酒等三、租現(xiàn)代桐力學(xué)傾發(fā)展蛇及其內(nèi)特點實驗套技術(shù)：電、果光測緣瑞實驗業(yè)技術(shù)全息察、超業(yè)聲、豈光纖郵測量免，及實粗驗裝狡置的婦大型歪化。24靜強(qiáng)弱度、俗斷裂或控制塔設(shè)計睬、抗羽疲勞旋設(shè)計蛙、剛度政設(shè)計損傷涉容限暫設(shè)計稻、結(jié)獄構(gòu)優(yōu)美化設(shè)灣計、耐久嶄性設(shè)駐計和慈可靠尊性設(shè)戚計等周。保證結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的安全和功能

設(shè)計-制造-使用-維護(hù)的綜合分析與控制，功能—安全—經(jīng)濟(jì)的綜合性評價，自感知、自激勵、自適應(yīng)（甚至自診斷、自修復(fù)）的智能結(jié)構(gòu)。設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計臣準(zhǔn)則：253.身2纏現(xiàn)代王力學(xué)成的特很點應(yīng)用調(diào)現(xiàn)代船計算享機(jī)、牽信息挨技術(shù)，與其鑼他基出礎(chǔ)或評技術(shù)夏學(xué)科艷相互命結(jié)合布與滲栽透。材料設(shè)計：按所要求的性能設(shè)計材料。(90年代)計算機(jī)應(yīng)用：計算力學(xué)+計算機(jī)應(yīng)用(60年代)解決復(fù)雜、困難的工程實際問題。使工程結(jié)構(gòu)分析技術(shù)；（結(jié)合CAD技術(shù)）監(jiān)測、控制技術(shù)（如振動監(jiān)測、故障診斷）；工程系統(tǒng)動態(tài)過程的計算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)；廣泛應(yīng)用至各工程領(lǐng)域。2690橡年代喚開始彩，力敢學(xué)與流材料命、控芹制（扒包括徒傳感副與激淚勵）威、計淚算機(jī)糞相結(jié)宣合，叼研究畏發(fā)展壤面向耳21益世紀(jì)敘的、具有漏“活雁”的共功能及的智民能結(jié)斥構(gòu)。智能腸結(jié)構(gòu)：生物材料力學(xué)性能、微循環(huán)、定量生理學(xué)、心血管系統(tǒng)臨床問題和生物醫(yī)學(xué)工程等?！皼]有生物力學(xué)，就不能很好地了解生理學(xué)?！鄙锪W(xué)：(70年代馮元禎博士)依托攻新興胖產(chǎn)業(yè)妨發(fā)展鐮力學(xué)。航空汁航天剃、信昨息、霧生命有、功氏能材尤料等27四、擇學(xué)科棋分類靜力沫學(xué)：研究求力系冠或物陣體的應(yīng)平衡井問題霞，不蛇涉及欲物體運(yùn)動溜狀態(tài)奧改變謎；如春飛機(jī)通停在痰地面鍋或巡沾航。運(yùn)動學(xué)：研究物體如何運(yùn)動，不討論運(yùn)動與受力的關(guān)系；如飛行軌跡、速度、加速度。動力學(xué)：研究力與運(yùn)動的關(guān)系。如何提供加速度？按運(yùn)參動與豆否分：28按研達(dá)究對鼓象分：一般六力學(xué)：對拐象是克剛體屆。研蠟究力采及其傅與運(yùn)懷動的票關(guān)系梳。有理論低力學(xué)，分析醫(yī)力學(xué)等。流體豪力學(xué)：對王象是周氣體姿和液濤體。有水力核學(xué)、逝空氣米動力躬學(xué)等。固體血力學(xué)：對炸象是思可變投形固棄體。您研究喉強(qiáng)度騾、變皆形、碰破壞等潑。疫有材料晨力學(xué)刮、結(jié)違構(gòu)力孔學(xué)、牽彈性司力學(xué)、銷塑性殿力學(xué)屆、斷綿裂、派疲勞等。

(理論分析、實驗和數(shù)值計算)有實驗力學(xué)、計算力學(xué)二個方面的分支。按研究手段分：

有飛行力學(xué)、船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖土力學(xué)等。按應(yīng)用領(lǐng)域分：29五、寄最基煎本概研念-棕-力社和運(yùn)鮮動力學(xué)融既要福研究把力，享又要籍研究嘩運(yùn)動謀，還要蠶將力麥和運(yùn)皆動二嗽者聯(lián)俘系起舉來。力是物體間的相互作用。1.力：直接接觸的物體，通過接觸表面的相互作用。如物體間壓力等。表面力分布作用在接觸面上。表面力非直接接觸物體間的相互作用。如物體重力、慣性力、電場力、磁場力等。體積力分布作用在物體整個體積內(nèi)，與質(zhì)量有關(guān)。體積力302.運(yùn)動宇：是力淹(力旬系)泡作用托的結(jié)以果。澆有二鼓種效達(dá)應(yīng)：物體空間位置隨時間的變化。如飛機(jī)在空中飛行，復(fù)雜的運(yùn)動。運(yùn)動—（外效應(yīng)）物體自身形狀的局部畸變。如機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)的變形。變形—（內(nèi)效應(yīng)）313.力與矛運(yùn)動蘿之關(guān)木系的乖研究，屬鑰于動力殺學(xué)。是動力哨學(xué)基撓本方闖程。注意F、a是矢鋼量。牛頓乓第二本定律限:物體連運(yùn)動次狀態(tài)軋的改噴變(dv毀/d長t=a)與作唯用于尸其上的力涉成正賓比，瘡并發(fā)菜生于怕該力籠的作彎用線過上。力與變形之關(guān)系，是與材料有關(guān)的物理行為。4.力與固體的變形之關(guān)系的研究,屬固體力學(xué)。特別剩地，垮若物刪體的躲運(yùn)動蛙狀態(tài)產(chǎn)不發(fā)裕生改俱變（a=0）,則稱勻物體垃處于平衡。32提出問題，選擇有關(guān)的研究系統(tǒng)。對系統(tǒng)進(jìn)行抽象與簡化，建立力學(xué)模型。利用力學(xué)原理進(jìn)行分析、推理，得出結(jié)論與已知結(jié)論相比較，或由實驗進(jìn)行驗證。確認(rèn)或進(jìn)一步改善模型，深化認(rèn)識六、仇一般宴研究柿方法工程鵲力學(xué)儀解決孟問題留的一禽般方葵法，磨類似胸于一告般科撐學(xué)研懸究的嶄普遍烤方法達(dá)，可費(fèi)歸納情為：建立切力學(xué)馳模型很是最縱關(guān)鍵卡的。(度需要癥知識你和經(jīng)晨驗)模型殃包括段材料項性能笛、載古荷、界約束診、幾露何形玩狀等真實齡情況桑的理則想化籌和簡別化。33材器料贏模膨型變形幟體模遺型剛體模型34汽車漂通過名輪胎攝作用覺在橋采面上扇的集憂中力紫模型載聞荷兆模萍型橋面板作用在鋼梁的分布力模型35例如皆，研高究工艦程構(gòu)呈件（旨如桿歲、梁更、軸戀等）早時，先將粱其理招想化疾為剛體，研術(shù)究其玻上的皇受力涼和運(yùn)張動；建立紗力學(xué)敘模型智是最躬關(guān)鍵摩的。(新需要陪知識等和經(jīng)橋驗)研究賭不同診的問勝題，涌采用伯不同稅的?；钚?。好的衣模型源，既灑能使初問題恭的求礎(chǔ)解簡醫(yī)化，又能華使結(jié)鋪果基發(fā)本符亞合實挎際情伍況，類滿足遠(yuǎn)精度料。若進(jìn)一步考慮材料的塑性，可研究其彈—塑性行為。就會得到更進(jìn)一步的啟發(fā)。再將其視為變形體，并假定變形是彈性的，研究在載荷作用下構(gòu)件的彈性變形；36七、牽工程牽靜力晶學(xué)研屢究主呀線工程虧力學(xué)感問題的分怕析，杜一般拋都需均要進(jìn)忠行--胖--倍力的螺研究膚。--騾--技運(yùn)動退和變責(zé)形的渴研究走。--躲--你聯(lián)系糟力與河運(yùn)動型、力污與變興形之燒關(guān)系妻的研逢究。若構(gòu)椅件處馬于靜巡壽止或磚平衡催狀態(tài)戶，則撤不必絨考慮疊其運(yùn)放動。平衡及狀態(tài)隊的力墓學(xué)問泄題—鐵—稱駱為靜力上學(xué)問奸題。力的平衡關(guān)系、變形的幾何協(xié)調(diào)關(guān)系和力與變形間的物理關(guān)系。研究