淺論工程力學的發展和應用

摘 要：工程力學對物質運動的宏觀規律進行研究，并應用于實際工程當中。工程向力學不斷提出問題，力學持續向工程提供設計思想。本文淺述了工程力學的發展進程，對工程力學學科的內容進行了簡述，并討論了工程力學在材料力學和固體力學中的應用。

關鍵詞：工程力學 材料力學 固體力學 結構優化

1.前言

至今為止，“力學”在工程領域上的應用可謂是越來越深入，在大部分的應用工程中，包括有：交通、機械、建筑、石油、軍事、水利、采礦、冶金、化工以及空間工程等等，這些領域的研究工作中處處都需要工程力學作為研究的有力支撐。正是由于其間不可分離的緊密聯系，長期以來“工程”也向“力學”不斷提出各種各樣的問題并且發起了各種各樣的挑戰，同時，力學也持續以新的創新成果一直在深刻地改變著工程設計的理論思想。

在工程力學領域當中，結構力學無疑是一個極其重要的學科組成部分。任何工程的完成過程中，都要經歷設計和建造工程結構物的階段，因此都有結構力學的問題出現。在如今現代化的實際工程當中，工程的組成結構越來越發地復雜化，因此在結構分析的時候需要考慮的因素也隨之越來越繁雜，對工程力學的要求也就越來越嚴格。近二十多年以來，結構力學發生了里程碑階段的變化。在各種促進結構力學發展轉變和進步的因素當中，電子計算技術的促進作用可以說最為突出。

工程力學這門科學涉及了許許多多的力學學科分支，涵蓋了廣泛的工程技術領域。工程力學是一門理論性很強并且與工程技術聯系極為密切的技術類型的基礎學科。眾所周知，工程力學包括“靜力學” 和“材料力學”兩大基礎。工程力學的基礎力學定理、力學定律以及典型的力學結論在各行各業的工程技術中都得到了廣泛應用，可以說是解決實際工程問題的重要理論力學基礎。

2.淺述工程力學的發展和學科組成

二十世紀初期土力學的概念逐漸發展，在土力學發展的初期，朱明學者泰爾扎吉做出了重要的貢獻。巖體力學正處于發展當中，其中包括對具有不連續面的硬巖性質的研究擴展到對軟巖性質的研究。巖體力學是工程力學與工程地質學的融合學科。自十九世紀以來，連續體力學對各個物體的性質，如柱的穩定性，梁的剛度與強度，彈性模量，變形與力的關系，粘性模量等進行研究。最初的連續體力學從宏觀角度出發，通過實驗分析與理論分析的方式來研究物體的各種性質。由質點力學的定律推廣到連續體力學的定律并進行進一步的研究。基于二十世紀前半期物理學的飛速發展，同時利用現代數學的不斷成熟為理論基礎，理性力學由此誕生。典型代表有：賴納提出的關于粘性流體分析的論文，里夫林提出的關于彈性固體分析的論文，這些理論的提出都為理性連續體力學的新體系奠定了基礎。

在工程力學中，質點、質點系以及剛體力學是理論力學的研究對象。其中剛體是指一種理想化的固體，剛體的大小和形狀固定，不會由于外界作用而改變，也就是說質點系當中各點之間的距離絕對不變。理論力學的理論基礎是著名的牛頓定律，牛頓定律是研究工程技術科學的力學基礎。固體力學涵蓋了結構力學、塑性力學、彈性力學和復合材料力學以及斷裂力學等。尤其是結構力學和塑性力學以及彈性力學在土木建筑工程上得到了應用廣泛，所以將其統稱為建筑力學。二十世紀五十年代后期，伴隨著電子計算機技術的發展和有限元法的誕生，計算力學應運而生。隨著科學技術的進步，二十世紀五十年代以來，概率統計理論在工程力學上的應用逐漸深入，促進了工程力學的進一步發展和完善。

3.工程力學的應用

3.1材料力學

材料力學在我們的生活中被廣泛應用，比如機械中的各種零件機械，建筑物種的各種工程結構，以及生活中隨處可見的塑料包裝和各種生活用品。所有的物品都要具有人類對其要求的剛度和強度以及穩定性，以保證正常工作和安全使用。

鉚釘，鍵以及銷釘和螺栓等材料的變形都屬于剪切變形，在進行這種主要以剪切變形為主的物品的設計時，需要重點考慮剪切應力。而轉動軸，水輪機主軸和轉向軸等部件發生的主要是扭轉變形，而梁主要發生的是彎曲變形。有些桿在工作中會發生兩種甚至以上的變形，根據其發生的主要變形來進行設計，才能保證最不利情況下的安全使用。實際工程中常常需要利用材料的特點來提高材料的承載能力，比如在建筑工程中，冷作硬化會使得鋼筋或其他材料變脆，變硬，進而使加工困難，容易產生裂縫，強度降低，這時候利用材料力學的知識，人們經常用退火處理技術來部分或全部抵抗材料的這種不利變化。

3.2 固體力學

如論是體積龐大的天體還是細小的微粒，都存在著各種固體力學的問題。山崩地裂這個成語所描繪的現象就與固體力學緊密相關。在現代工程中，船舶的制造，飛行器的制造以及房屋的搭建，和橋梁的修筑，水壩的建造以及各種日用家具和各種物理反應堆的建造，無一不與固體力學緊密相關。所有結構的設計都應用到了固體力學的原理和基礎理論知識。固體力學研究彈性以及塑性、線性以及非線性問題。在固體力學的早期研究工作中，由于知識技術水平的限制，學者們幾乎都是先將研究對象假設為均勻的連續的介質，但隨著知識水平的提高和科學技術的發展，近年來復合材料的出現使得復合材料力學和斷裂力學不得不將其研究的領域范圍擴大，對非線性連續物體和帶有裂紋裂縫的物體進行研究工作。

固體力學的研究對象按照對象的形狀可以分為板殼、空間體、桿件以及薄壁桿四大類型。其中薄壁桿在飛行器和建筑工程中都有著廣泛的采用。

4.結論

工程力學對物質運動的宏觀規律進行研究并應用于實際工程當中。正如著名學者所說：力學有兩個服務對象，一是為了工程設計而服務，而是為了發展生產力而服務。這兩種服務相輔相成，共同促進。力學的誕生以及力學的發展，從最初就是由生產力來決定的。在現代科技飛速發展的時代，計算機技術的廣泛應用為工程力學的發展提供了新的方向。當電子計算機已經改變了人類的工作內容和工作方法的時候，關于結構力學的有限元法以及優化設計的理論方法等將有待進一步的研究分析。在計算機的幫助下，優化設計的方法有了強有力的支撐，能夠促使我們向著結構最經濟最安全的方法邁進，得出最優的結構方案和設計。工程給力學提出挑戰和問題，力學為工程解決問題并提供設計思想，工程與力學相輔相成，不可分割。工程力學在生活中處處存在，實用性極強，因此非常有必要對工程力學進行進一步的研究和重視。

參考文獻：

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[3]黃麗艷，崔京浩.《工程力學》的發展與展望[J].工程力學，2009，26（10）：1-13.

作者簡介：

劉嘉興（1997.06.02–）男，漢族，江西省贛州市，身份證號：360721199706020816，本科生，研究方向：工程力學