淺談工程力學的發展和應用

劉奎昌

（中國礦業大學（北京），北京 100083）

進入到近代社會，在全球發展推動下，工程力學作為一門顯學受到了廣泛的重視，對于社會發展建設及相關領域的深層次研究都起到了非常好的支持作用。相比較其他學科而言，工程力學具有更加明顯的體系性特點，涵蓋了各個層面的應用分析。借助于工程力學的研究分析，可以對力學領域的基本規律進行更好的把握，對于指導一線工程建設等都起到了非常好的作用。在當前社會發展當中，相繼涌現出了大量的工程力學問題，這對于豐富和深化工程力學學科建設起到了巨大的助力作用。尤其是進入到新的發展階段，材料力學等的發展更加深入，這些都對工程力學深化研究與深層次應用提出了更高標準要求。

1 關于工程力學的前言分析

在社會快速發展推動下，“力學”逐步成長為一門顯學，對于人類社會發展的各個領域都帶來了非常深刻的影響，實際應用也深入到每一個角落當中，實際的應用工程主要涵蓋了以下領域：交通運輸、機械加工、建設施工、石油采挖、水利工程、采礦加工、冶金建設等，這些領域在深化發展與相關建設上，都需要有扎實的工程力學來支撐。正是因為力學影響的復雜性以及對各個領域工程施工建設影響的特殊性，工程與力學的深化研究也成為了知識領域基本的趨勢與方向。在不同類型工程井噴式出現的當先，各種工程領域的問題都需要建立在力學的角度上進行研究與解決，力學在發展上不斷形成各種新的成果，從而更好的服務于新時期工程建設工作，對于工程設計及工程建設等的理論影響體現到了每一個方面當中。

對于工程力學實際應用領域來看，結構力學是一個最為重要的組成部分，不論是何種類型的工程施工或者其他建設，都需要有基本設計及建造工程結構物的基礎性支撐，這些都增加了結構力學新問題的不斷出現。尤其進入到新的發展階段后，各種現代化工程不斷增多，涵蓋的建設環節越發復雜，技術應用也尤為特殊，要想實現每一個環節切實經得住考驗，都需要發揮結構力學的支撐作用，而且對于結構力學的應用標準要求也不斷提高。

經過近20年的快速發展，結構力學出現了實質性的發展變化，迎來了結構力學里程碑式的發展。受到了各種因素的推動與影響，電子計算機技術的促進作用表現得尤為明顯。截止到目前為止，工程力學在所有學科建設當中，越來越居于核心性的位置，與各個學科都有著不同程度的聯系，涉及到了基礎性的工程技術領域。工程力學，是一門基礎性性非常強的學科，在理論研究上需要不斷深化，并且與工程技術的的應用有著直接性的關系。在對工程力學研究上，一般是從“靜力學”與“材料力學”這兩個基礎性層面切入。在當前社會發展建設各個領域當中，工程力學的基礎力學定理、力學定律以及典型的力學結論等都得到了非常廣泛深入的應用，對于生產建設當中困難問題的解決都帶來了非常直接性的影響。

2 工程力學發展及學科組成基本概述

從上世紀20年代初期開始，人類對于力學的研究與相關應用開始活躍起來，首先是土力學的提出，在土力學研究發展上，一大批專家學者做出大量貢獻，致力于理論層面的探索研究，對于解決社會發展當中的相關實踐問題都起到非常好的作用。當前，巖體力學的應用發展正在進入到高潮期，具體的探索領域也已經從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。巖體力學的提出，與人類社會對資源能源及地表開發等是緊密聯系在一起的，也是將工程力學與工程地質學兩者相結合下的學科產物。從十九世紀開始，連續體力學致力于從性質上對物體進行研究，例如柱體的穩定性，梁體的剛度與強度，彈性模量以及變形與力之間的關系等，這些研究的深化，極大豐富了人們對于力學學科的基本認識。在連續體力學研究當中，一開始更加傾向于從宏觀層面進行分析，注重將理論分析與實驗分析相結合，以此來實現對物體性質的更好把握。依托于對質點力學定律的推廣逐步發展到對連續體力學定律進行更好的研究，這對于力學學科的豐富發展都起到非常好的保障作用。在第二次工業革命的推動下，上世紀前期，物理學迎來發展的黃金期，得益于現代數學的快速發展，這些都為力學研究深化提供了堅實的基礎，由此推動理性力學的出現，在這方面的研究當中，實際取得的成果也非常多，主要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，這些代表性成果的提出，對于后續理性連續體力學新體系的構建與發展夯實了根基。

對于工程力學而言，基本的研究對象非常豐富，重點是圍繞質點、質點系和剛體力學展開。所謂的剛體，主要是指一種理想層面的固體物，這種物體在基本形狀和大小上表現出了固定的特點，外界的作用力不會對其構成影響，也就是說質點系當中各點之間的距離絕對不變。理論力學發展當中，牛頓定律發揮著基礎性的影響，依托于牛頓定律可以對工程技術學科進行非常好的研究。固體力學在應用上涵蓋的范圍更加廣泛，涉及到結構力學、彈性力學、復合材料力學等。在當前復雜的現代建筑工程當中，結構力學及塑性力學、彈性力學等都得到非常廣泛的應用，這些都已經成為當前建筑力學的基本組成部分。從上世紀60年代開始，電子計算機技術有了快速發展及廣泛應用，這些都為計算力學的發展提供了條件，在現代科學技術發展推動下，概率統計理論等在工程力學上的影響也日漸體現出來，這對于工程力學的發展完善都起到非常好的作用。進入新世紀，在傳統力學研究基礎及社會發展推動下，近場動力學走上力學舞臺，其具有明顯的無網格方法和分子動力學等優點，而且還在很大程度上對經典分子動力學方法在實際計算等當中的局限性進行了突破，可以廣泛應用到各種不連續力學研究當中，實際覆蓋范圍相當廣泛，包括對金屬材料、大分子混凝土、多種復合材料等，在理論研究上也更加深化，例如，在經典的鍵型近場動力學模型中，近場動力學模型的參考構型和當前構型下圖所示。構型中的某個物質點的動力學方程如下所示：

3 新時期工程力學的應用探索

3.1 材料力學

在現代社會發展建設當中，材料力學的應用越來越廣泛，常見的有不同機械產品的零部件，復雜建筑工程組成結構甚至包括生活當中最為常見的各種塑造產品等。不論是何種類型的物品，都對穩定性、剛性等提出非常高的要求，這樣才能滿足相關物品應用的基本需要。例如，常見的鉚釘等材料，在變形上屬性屬于典型的剪切變形，基于這種物品應用的廣泛性，需要對其剪切應力進行慎重考慮。對于機械設備基本組成的轉動軸等，變形以扭曲變形為主，而梁體結構則是彎曲變形，這些都需要結合實際應用來對變形進行合理性的設計，才能確保在實際應用上既安全又能夠滿足實際需要。在當前工程建設當中，必須要對材料的特點進行深入分析，才能確保材料實際承載力得到充分體現，例如現代建筑工程，受到冷作硬化的影響，會導致鋼筋等其他材料變得更加堅硬，這不僅影響了施工建設的正常進行，還容易導致各種裂縫等翁提的發生，增加了質量安全問題發生的可能性，但是在材料力學知識的指導下，可以使用退火處理技術來部分或全部抵消材料的不利變化。

3.2 固體力學

固體力學的影響非常深刻，不論是參天的高樓大廈還是細微的顆粒，都離不開固體力學的支撐。在現代社會當中，不斷增多的復雜建筑工程，越來越先進的戰斗艦艇以及用于人們生產生活的房屋橋梁等，都與固體力學有著直接性的聯系，在任何結構設計上，都需要從固體力學基本原理及基礎理論知識上切入進行研究。固體力學主要是對彈性以及塑性、線性以及非線性問題進行研究。受到以往知識掌握等的影響，在傳統的固體力學研究上，都是將研究對象放到均勻連續介質的位置上，在知識不斷開闊及社會發展支撐下，當前針對固體力學的研究得到全面深化，尤其是得益于復合材料的大量出現及應用，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。

4 結語

綜上所述，本篇文章主要是對力學從不同層面進行分析，明確力學研究的復雜性及應用的廣泛性，同時，對新時期工程力學的應用進行更為廣泛的探索，這對于加快新時期力學學科的發展建設都起到非常好的作用。