材料力學緒論的修改意見

摘 要：材料力學是工程類專業基礎課，但大部分教材對材料力學的發展狀況介紹甚少，不利于學生從宏觀的角度掌握材料力學。本文對傳統教材中的緒論內容提出一些修改意見，介紹了材料力學中桿件拉伸、橫梁彎曲、圓軸扭轉與壓桿穩定等的研究歷史，指明了材料力學在中圖法中與固體力學的從屬關系，同時指出當前材料力學的研究熱點在于多尺度結構、超常環境、多物理場耦合、非線性系統等。這些內容能使學生系統地了解材料力學的發展狀況，激發學生學習的興趣。

關鍵詞：力學發展史 中圖法 材料力學

中圖分類號：G612文獻標識碼：A文章編號：1673-9795（2012）10（a）-0104-01

材料力學是許多工程類專業的基礎課，它研究材料的力學性能（強度、剛度、穩定性等），其重要性不言而喻。然而，由于許多教材在編著時、或教師在講授時，對于材料力學的發展史及其在力學學科中的地位介紹甚少，使得學生僅知道材料力學的研究內容，而無法系統地了解材料力學的研究狀況，因而本文建議對材料力學的緒論增加幾點內容。

1 材料力學的發展簡史

（1）桿件的拉伸。

在17世紀經典力學的形成過程中，隨著運動和平衡定律的建立，基于實驗的、關于材料力學性能的基本定律也逐步建立起來。1638年，Galileo發表了《關于力學和局部運動的兩門新科學的對話和數學證明》，標志著材料力學開始成為一門獨立學科[1]。在該書中，Galileo討論了桿件的軸向拉伸現象，認為構件的承載能力與橫截面積成正比。1660年，Hooke則在實驗室中發現彈性體的力與變形之間存在著正比關系。

（2）梁的彎曲。

Galileo在研究直桿拉伸的同時，也探討了梁的彎曲強度，他認為梁的承載能力與b×h2（b、h為矩形截面梁寬度和高度）或d3（d為圓形截面梁直徑）成正比。在梁的彎曲變形方面，1620年Beeckman發現中性層的存在，1695年Bernoulli提出梁彎曲的平面假設，1826年Navier給出中性層通過橫截面形心的結論。同時，Navier得到了正確的撓曲線微分方程與梁的彎曲強度計算公式。而橫力彎曲時的切應力公式，則由俄羅斯的儒拉夫斯基（ЖуравскийДИ）于1855年提出。

（3）圓軸的扭轉。

Coulomb首先于1777年和1784年發表了兩篇關于圓軸扭轉的論文，1807年Young提出了橫截面上切應力與點到軸心距離成正比的觀點，Saint-Venant則于19世紀中葉運用彈性力學方法奠定了圓軸扭轉理論。

（4）壓桿穩定。

Musschenbroek在1729年通過木桿壓縮實驗，得出壓桿屈曲載荷與桿長平方成反比。1744年，Euler在變分法專著中，精確描述了細長壓桿失穩后的彈性曲線，并導出細長桿屈曲載荷的計算公式。而兩端鉸支壓桿屈曲載荷公式，是Lagrange在1770年利用Euler近似微分方程得到的。1846年，Lamarle討論了歐拉公式的適用范圍，并認為適用范圍以外的壓桿穩定問題需要使用實驗方法解決。

（5）疲勞強度問題。

構件在周期性的交變應力作用下，會產生疲勞破壞。1839年巴黎大學Pancelet教授首先提出金屬疲勞的概念。19世紀中期，Wohler在旋轉彎曲疲勞試驗機上進行了疲勞試驗，并提出應力一壽命圖與疲勞極限的概念，后來人們將應力與疲勞破壞循環次數的關系曲線稱為Wohler曲線。其后，Gerber和Goodman分別研究了平均應力對壽命的影響。

2 材料力學與其它力學分支的關系

力學產生很早，古希臘的Archimedes是靜力學的奠基人。Newton繼承和發展了前人的研究成果，提出了物體運動三大定律，標志著力學開始成為一門科學。到了20世紀，力學更得到蓬勃的發展。到目前為止，力學已形成了幾十個分支學科，如，固體力學、結構力學、應用力學等等。

力學的分類方法很多，主要有如下方式：

（1）根據研究對象，分為流體力學、固體力學等。

（2）根據研究方法，分為實驗力學、理論力學、物理力學和計算力學等。

（3）根據研究時代，分為經典力學和近代力學。從牛頓至哈密頓的理論體系稱為經典力學或牛頓力學。20世紀初以后，經過普朗特和卡門等的發展，進入了近代力學。

（4）根據研究的目的和用途，產生了一系列的應用力學，如天體力學、巖石力學、生物力學、材料力學、工程力學、地質力學等。

（5）根據《中國圖書館分類法》（簡稱《中圖法》）[2]，力學可以分為理論力學、振動理論、連續介質力學、固體力學、流體力學、物理力學、流變學、爆炸力學、應用力學等。另外，由于量子力學和統計力學都是現代理論物理最主要的研究領域之一，所以將其歸入了“物理學”中。《中圖法》，是當今國內圖書館使用最廣泛的分類法體系。

在眾多的力學分支中，材料力學是研究結構構件強度、剛度、穩定性等承載能力的基礎性學科，它介于固體力學和工程材料學的邊緣，《中圖法》將其歸屬于固體力學中。材料力學的主要任務，是選擇適當的材料和截面形狀及尺寸、保證構件能承受預定載荷，為設計出既安全又經濟的構件提供理論依據和計算方法。

3 材料力學的研究熱點

隨著現代科學技術的發展，新型多功能材料不僅成為世界工業革命的推動力，而且也成為了高新技術發展的基礎和先導。新型材料一般是指具有傳統材料所不具備的優異性能的材料，如新金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料等[3]。研究新型材料體系下的材料力學性能，是新型材料在實際工程中得到可靠應用的保證。目前，新型材料力學的研究熱點主要包括：

（1）多尺度結構與新型微納米結構的材料力學問題。即傳統的、宏觀尺度下的材料力學性能檢測與評價方法如何應用于介觀或微觀尺度下的材料力學性能表征。

（2）超常環境（超高溫、超高壓、超高速）對材料力學性能的影響。

（3）多物理場（力-電-磁-熱等）耦合作用下多功能材料的的力學性能。

（4）非線性系統（幾何非線性與物理非線性）及其耦合作用下的材料力學問題。

4 結語

本文簡單介紹了桿件拉伸、梁彎曲、圓軸扭轉、壓桿穩定與材料疲勞的研究歷史，討論了材料力學在《中國圖書館分類法》中與固體力學的從屬關系，說明了目前材料力學的研究熱點在于多尺度、超常環境、多物理場耦合、非線性結構的材料力學性能。本文結果有助于學生能夠系統地了解材料力學乃至整個力學系統的基本研究狀況，激發學生對材料力學的學習興趣。

參考文獻

[1]材料力學大事記[EB/OL].http：//course.tju.edu.cn/cllx/Index2/dashiji.htm，2012-05-03.

[2]中國圖書館分類法[EB/OL].http：//www.ztflh.com/，2012-05-03.

[3]中國科學技術學會，中國力學學會.2006-2007力學學科發展報告[M].北京：科學普及出版社，2007.