第一章-緒論

1、工程力學(xué),1.1 什么是力學(xué),1.2 力學(xué)與工程,1.3 現(xiàn)代力學(xué)的發(fā)展及其特點(diǎn),1.7 工程靜力學(xué)研究主線,1.5 最基本概念--力和運(yùn)動(dòng),1.4 學(xué)科分類,1.6 一般研究方法,,,,,,,,,返回主目錄,力學(xué)是研究物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)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。,1.1 什么是力學(xué)？,,,由于力學(xué)的參與而得以形成的工程技術(shù)科學(xué),航空航天技術(shù),船舶工程,土木工程（含水利工程

2、）,氣象科學(xué),運(yùn)輸工程,機(jī)械工程,兵器工程,能源技術(shù),海洋科學(xué),1.3 力學(xué)的任務(wù),由于力學(xué)的發(fā)展才得以實(shí)現(xiàn)的工程技術(shù)（標(biāo)志性）,載客400多人的噴氣式客機(jī),將人類載入太空的航天技術(shù),單臺(tái)功率達(dá)百萬千瓦量級(jí)的發(fā)電機(jī)組,時(shí)速達(dá)400Km的高速列車,有抗震能力的超高層建筑,單跨近2000m的橋梁,巨型水利樞紐（三峽工程）,大型海上采油平臺(tái),1.3 力學(xué)的任務(wù),20世紀(jì)對(duì)人類影響最大的20項(xiàng)技術(shù)的前三位：,電力系統(tǒng)技術(shù) 汽車制造技

3、術(shù) 航 空 技 術(shù),1.3 力學(xué)的任務(wù),電力系統(tǒng)技術(shù),（力學(xué)促進(jìn)鍋爐燃料過程效率提高的貢獻(xiàn)不計(jì)）,,,,力 學(xué),節(jié)約電費(fèi) $5千億,葉輪機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn),效率提高 1／3,1.3 力學(xué)的任務(wù),汽車制造技術(shù),汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率提高1／3 僅小轎車，節(jié)省燃料費(fèi) $24億／年（污染、外殼…）,1.3 力學(xué)的任務(wù),每一個(gè)重大進(jìn)展都依賴于力學(xué)的新突破,航 空 技 術(shù),1.3 力學(xué)的任務(wù),機(jī)械、結(jié)構(gòu)等 受力如何？

4、 如何運(yùn)動(dòng)？ 如何變形？破壞？ 如何控制設(shè)計(jì)？,其目的是： 了解工程系統(tǒng)的性態(tài) 并為其設(shè)計(jì)提供合理的規(guī)則。,工程力學(xué)是:將力學(xué)原理應(yīng)用實(shí)際工程系統(tǒng)的科學(xué)。,,,返回主目錄,以力學(xué)與航空航天工程為例簡單回顧。,,,,1.2 力學(xué)與工程,,,實(shí)驗(yàn)探索： 風(fēng)箏、火箭、模擬鳥類滑翔等。,問題一、如何飛起來？,,,,到19世紀(jì)末，經(jīng)典

5、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(dòng)力裝置輔助控制, 可以向任意方向飛行。,,空氣靜力飛行：（氣球、飛艇）,,,1949年，第一架噴氣式客機(jī)“彗星號(hào)”, 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。,,,,,,空

6、氣動(dòng)力試驗(yàn)---風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),,,問題二 如何飛？,作為剛體，研究運(yùn)動(dòng)規(guī)律和控制。,飛行力學(xué),,,,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(jì)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）,,,,,大型汽輪機(jī) 轉(zhuǎn)子,結(jié)構(gòu)的破壞例：,,,,,軸

7、 葉輪 疲勞斷裂破壞,,,轉(zhuǎn)子軸 疲勞開裂 疲勞斷裂破壞,,,,葉片擊穿廠房,,,臺(tái)南高屏大橋斷裂,2000年8月27日下午3時(shí)20分，臺(tái)灣南部高屏大橋斷裂，大橋中間下陷部分長達(dá)100米。17輛

8、車墜河，22人受傷。 采沙過度，河面沉降10余米，橋墩先斷裂。,,,2000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(dòng)機(jī)。,,,汽車碰撞試驗(yàn),,,建筑物控制爆破,,,上海 東方電視塔 高300m 球徑45m,,,,,,,,,抗震模型試驗(yàn) （破壞部位、破壞形式、抗震能力）,,,返回主目錄,1 力學(xué)研究的發(fā)展：,應(yīng)用領(lǐng)域： 航空、土木、機(jī)械、

9、材料 ?生命、微電子技術(shù)等,實(shí)驗(yàn)技術(shù)： 電、光測實(shí)驗(yàn)技術(shù) ?全息、超聲、光纖測量， 及實(shí)驗(yàn)裝置的大型化。,1.3 現(xiàn)代力學(xué)發(fā)展及其特點(diǎn),,,靜強(qiáng)度、 斷裂控制設(shè)計(jì)、抗疲勞設(shè)計(jì)、剛度設(shè)計(jì) ? 損傷容限設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、 耐久性設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等。,,設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：,,,2 現(xiàn)代力學(xué)的特點(diǎn),應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)， 與其他基礎(chǔ)或技術(shù)

10、學(xué)科相互結(jié)合與滲透。,,,90年代開始，力學(xué)與材料、控制（包括傳感與激勵(lì)）、計(jì)算機(jī)相結(jié)合，研究發(fā)展面向21世紀(jì)的、具有“活”的功能的智能結(jié)構(gòu)。,,智能結(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)?！?,生物力學(xué)： (70年代馮元禎博士),依托新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展力學(xué)。 航空航天、信息、生命、功能材料等,,,返回主目錄,1.4 學(xué)科分

11、類,靜力學(xué)：研究力系或物體的平衡問題，不涉及物體 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變；如飛機(jī)停在地面或巡航。,,運(yùn)動(dòng)學(xué)：研究物體如何運(yùn)動(dòng)，不討論運(yùn)動(dòng)與受力的 關(guān)系； 如飛行軌跡、速度、加速度。,動(dòng)力學(xué)：研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。 如何提供加速度？,按運(yùn)動(dòng)與否分：,,,按研究對(duì)象分：,一般力學(xué)：對(duì)象是剛體。研究力及其與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。 有理論力學(xué)，分析力學(xué)等。,流體力學(xué)：對(duì)象是氣體

12、和液體。 有水力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等。,固體力學(xué)：對(duì)象是可變形固體。研究強(qiáng)度、變形、破 壞等。 有材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力 學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂、疲勞等。,,,本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容 靜力學(xué)和材料力學(xué)兩部分 靜力學(xué)部分——主要研究力系的簡化和物體的平衡條件。 它是研究材料力學(xué)的基礎(chǔ)。 材料力學(xué)部分——主要研究構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度

13、，為構(gòu)件 選取適當(dāng)?shù)牟牧虾秃侠淼慕孛嫘螤罴俺叽缣峁├碚摶A(chǔ)。,力學(xué)既要研究力，又要研究運(yùn)動(dòng)， 還要將力和運(yùn)動(dòng)二者聯(lián)系起來。,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(gè)體積內(nèi)，與質(zhì)量有關(guān)。,,體積力,1.5 最基本概念--力

14、和運(yùn)動(dòng),,,2. 運(yùn)動(dòng)：,是力(力系)作用的結(jié)果。有二種效應(yīng)：,物體空間位置隨時(shí)間的變化。 如飛機(jī)在空中飛行，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。,,運(yùn)動(dòng)—（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)）,,,3. 力與運(yùn)動(dòng)之關(guān)系的研究，屬于動(dòng)力學(xué)。,是動(dòng)力學(xué)基本方程。 注意 F 、 a 是矢量。,牛頓第二定律: 物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變( dv/dt=a )與作用于其上的力成正比，并

15、發(fā)生于該力的作用線上。,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)。,特別地，若物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生改變（a=0）, 則稱物體處于平衡。,,,返回主目錄,1.6工程力學(xué)的研究方法,,,1、通過觀察生活和生產(chǎn)實(shí)踐中的各種現(xiàn)象，進(jìn)行多次科學(xué)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過分析、綜合和歸納，總結(jié)出力學(xué)的最基本規(guī)律。 2、在對(duì)事物觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過抽象化建立力學(xué)模型，形成概念，在基本規(guī)