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工程力学在生活生产中的应用

摘要:本文从结构力学的发展史和学科体系,来阐述工程力

学在生活生产中的应用。

关键词:工程结构受力强度

结构力学主要研究工程结构受力和传力的规律,以及如何进

行结构优化的学科。工程结构是能够承受和传递外载荷的系统,

包括杆、板、壳以及它们的组合体,如飞机机身和机翼、桥梁、

屋架和承力墙等。结构力学的任务是研究工程结构在外载荷作用

下的应力、应变和位移等的规律;分析不同形式和不同材料的工

程结构,为工程设计提供分析方法和计算公式;确定工程结构承

受和传递外力的能力;研究和发展新型工程结构。

观察自然界中的天然结构,如植物的根、茎和叶,动物的骨

骼,蛋类的外壳,可以发现它们的强度和刚度不仅与材料有关,

而且和它们的造型有密切的关系,很多工程结构就是受到天然结

构的启发而创制出来的。结构设计不仅要考虑结构的强度和刚

度,还要做到用料省、重量轻.对某些工程来说减轻重量尤为重

要,比如飞机重量的减轻就可以使飞机航程远、上升快、速度大、

能耗低。

结构力学的发展简史:随着社会的进步,人们对结构设计的

规律以及结构的强度和刚度逐渐有了认识,并且积累了宝贵的经

验,这表现在古代建筑的辉煌成就中,如埃及的金字塔,中国的

万里长城、赵州安济桥、北京故宫等等。尽管在这些结构中隐含

有力学的知识,但并没有形成一门学科。就基本原理和方法而言,

结构力学是与理论力学、材料力学同时发展起来的。所以结构力

学在发展的初期是与理论力学和材料力学融合在一起的。到19

世纪初,由于工业的发展,人们开始设计各种大规模的工程结构,

对于这些结构的设计,要作较精确的分析和计算。因此,工程结

构的分析理论和分析方法开始独立出来,到19世纪中叶,结构

力学开始成为一门独立的学科。19世纪中出现了许多结构力学

的计算理论和方法。法国的纳维于1826年提出了求解静不定结

构问题的一般方法。从19世纪30年代起,由于要在桥梁上通

过火车,不仅需要考虑桥梁承受静载荷的问题,还必须考虑承受

动载荷的问题,又由于桥梁跨度的增长,出现了金属桁架结构。

从1847年开始的数十年间,学者们应用图解法、解析法等来研

究静定桁架结构的受力分析,这奠定了桁架理论的基础。1864

年,英国的麦克斯韦创立单位载荷法和位移互等定理,并用单位

载荷法求出桁架的位移,由此学者们终于得到了解静不定问题的

方法。基本理论建立后,在解决原有结构问题的同时,还不断发

展新型结构及其相应的理论。

19世纪末到20世纪初,学者们对船舶结构进行了大量的力

学研究,并研究了可动载荷下的粱的动力学理论以及自由振动和

受迫振动方面的问题。20世纪初,航空工程的发展促进了对薄

壁结构和加劲板壳的应力和变形分析,以及对稳定性问题的研

究。同时桥梁和建筑开始大量使用钢筋混凝土材料,这就要求科

学家们对钢架结构进行系统的研究,在1914年德国的本迪克森

创立了转角位移法,用以解决刚架和连续粱等问题。后来,在

20~30年代,对复杂的静不定杆系结构提出了一些简易计算方

法,使一般的设计人员都可以掌握和使用了。到了20世纪20

年代,人们又提出了蜂窝夹层结构的设想。根据结构的极限状

态这一概念,学者们得出了弹性地基上粱、板及刚架的设计计

算新理论。对承受各种动载荷的结构力学问题,也在实验和理论

方面做了许多研究工作。随着结构力学的发展,疲劳问题、断裂

问题和复合材料结构问题先后进入结构力学的研究领域。20世

纪中叶,电子计算机和有限元法的问世使得大型结构的复杂计算

成为可能,从而将结构力学的研究和应用水平提到了一个新的高

度。

结构力学的学科体系:根据其研究性质和对象的不同,结构

力学分为结构静力学、结构动力学、结构稳定理论、结构断裂、

疲劳理论和杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论等。结

构静力学是结构力学中首先发展起来的分支,它主要研究工程结

构在静载荷作用下的弹、塑性变形和应力状态,以及结构优化问

题。静载荷是指不随时间变化的外加载荷,变化较慢的载荷,也

可近似地看作静载荷。结构静力学是结构力学其他分支学科的基

础。

结构动力学是研究工程结构在动载荷作用下的响应和性能

的分支学科。动载荷是指随时间而改变的载荷。在动载荷作用下,

结构内部的应力、应变及位移也必然是时间的函数。由于涉及时

间因素,结构动力学的研究内容一般比结构静力学复杂的多。

结构稳定理论是研究工程结构稳定性的分支

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