对工程力学的认识和未来规划

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1、对工程力学的认识和未来规划从拿到通知书的那天气，我便与工程力学结缘。大一来的第一个学期，也并 没有真正接触到工程力学， 在这个学期快要结束的时候， 工程力学概论这门课也 许才是让我真正接触到工程力学。而之后的三年， 或许是之后的几十年， 我都会 离不开工程力学。 力学，最开始给我的感觉就是物理，高中一直觉得物理是一门比较难学的课 程，但一直也学得还行吧。到了大学，才知道，力学也是一门单独的学科。力学 座位一门学科应该从牛顿时代算起。 它和天文学一起是最早行程的两门自然科学。 到 19 世纪末，力学已发展到很高的水平。当时的力学主要以比较理想的模型为 对象，建立起了相当完善的普适的理论体系，同时

2、也开始了与工程技术问题的结 合。20 世纪后，力学的研究对象已不再限于理想模型，而更多地与自然界和工 程技术中必然遇到的复杂介质或系统为对象，建立各种力学模型， 并且在解决问 题过程中形成了更多的力学分支。这样既丰富了力学体系， 也是力学成为众多工 程和技术科学的重要基础。这些，对人类文明起了极大的推动作用。 工程力学，意味着我们在这里所说力学和工程是分不开的，力学与土木工程、 机械工程、航空航天工程、水利工程、船舶工程、能源工程、化工和生物医学工 程等都有很大的联系。 在土木工程方面，力学有着广泛的应用。力学是一门既属于自然科学也属于 工程科学的科学，它的基础性和应用性同样鲜明。虽然人们早就

3、会建造房屋了， 但直到掌握了丰富的力学知识以后，才有可能建造摩天大楼、 跨海大桥、 地铁以 及海底隧道等等。 而土木工程是应用力学知识最多的工程领域之一。不少力学工 作者吧自己的研究重点放在土木工程领域；另一方面，大量土木工程学者在从事 着力学研究。力学与土木工程的一个结合点是结构分析。 最早尝试用力学分析的方法来求构件的经济安全尺寸是从17 世纪开始的。 著名力学家伽利略、 胡克以及提出理想气体公式的物理学家马略特都对梁的变形 和抗弯强度做过研究。 无论多么复杂的结构，总是有一些基本构件组成的。这些基本构件包括梁、 柱、板、壳、拱、桁架、悬索和膜等等。许多学者致力于建立这些基本构件的力 学模

4、型以分析其变形和受力特性。 相应地，形成了诸如“材料力学”、“板壳力学” 和“结构力学”等力学的分支学科。又来对于基本构件的力学分析，再加上土木 工程师的巧妙应用， 各种各样的摩天大楼和跨海大桥才得以建成。从某种角度来 说，现代大型结构物的建造就是建立在对这些基本构件的力学分析的基础上的。 在机械工程放方面，机械与力学也有着不解之缘。按照机械学的定义，把哥 哥组成部分具有一定相对运动的装置成为机构，而把执行规定运动以转换、 传递 或利用机械能的机构成为机器， 通常又把机构与机器统称为机械。在各种各样的 机械设备的设计、 制造和运行控制过程中， 除了需要相关的专业理论之外，还可 能涉及物理学、化

5、学、数学、材料学、机械原理、计算机科学和控制论等一系列 相应基础学科知识； 但是遇到了机械结构或零部件的强度、刚度、稳定性以及震 动方面的问题，就必须借助力学研究分析、力学实验和计算来解决。 在固体力学领域中，有一个研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的分支， 称为断裂力学。它对机械结构或构件的强度分析十分重要。在机械工程设计中， 必须从断裂力学准则出发， 考虑这些缺陷或裂纹的存在和扩展对安全运行和使用 寿命的影响， 并提出评定这些影响的安全判据和应对措施。力学实验是强度分析中的重要手段。 当设计的新产品需要确定设计方案时，可利用模型试验， 选取较 优设计方案，并对眼设计方案提出改进， 为降低应

6、力集中因数等提供必要的根据。 同时在研究刚度和稳定性问题， 振动问题，内燃机的强度与振动等等有关机械的 问题中，力学都十分重要。 在力学与航空航天工程方面，力学的作用也体现得相当明显。航空航天工程 综合了科学技术的最新最高成就， 是一个国家科技实力和国防现代化的重要标志 之一，它是目前各国争相发展的高技术产业，直接关系到国家的安全和经济的发 展。在航空工业发展的初期， 从古代人试图用一双翅膀像鸟一样在天空中翱翔一 直到莱特兄弟的飞机试飞成功直到流体力学被提出，一切都是跟力学有关的。 再 后来普朗特发明风洞。 力学过去对航空航天的发展做出过巨大贡献，今后还会起 很大的作用。力学的各个分支学科，入

7、流体力学、固体力学、动力学与控制、流 体与结构的耦合作用、 热与结构的耦合作用、 物理力学以及稀薄气体东西学等等， 在航空航天工程中都已经并且正在发挥着巨大的作用，航空航天工业是在迅速发 展的领域， 只要研究一种新的飞行器， 就会出现新的力学问题， 需要力学工作者 进一步去研究探索。 在水利工程方面，工程力学的不断提高起了很好的先导和促进作用，做出了 突出的贡献。 古代就出现了初期的农田水利工程、防洪工程以及航运工程， 而随 着工业化的到来以及兴水利除水害多目标的近代水利建设技术的采用，掀起了较 大范围、较大规模水利工程建设的热潮，开创了将水能转变为电能的水电事业， 人类开始步入大力开发、利用

8、水资源的阶段。 在水利工程中水工建筑物的设计、优化和验证与工程力学的关系非常密切。 水工建筑物的结构形式、 尺寸、材料、细部结构和地基处理措施等诸多因素的确 定，水工结构物的应力、变形、沉降、稳定性和耐久性等诸方面是否符合要求的 验证， 均得依靠工程力学理论分析、 实验研究和数值计算的结果给出量化的回答。 因此，建筑高标准的水利工程必须具有高水平的工程力学研究手段。 水利是人类赖以生存、得以发展的伟大工程，经过适应、改造到综合利用水 利的各个阶段，今天的水利建设业已登上“水及于人”和“人及于水”的和谐发 展的征途。工程力学作为水利工程的一个重要基础学科，肩负着更多、更大、更 难的攻关任务。 在

9、船舶工程方面， 船舶工程是对力学知识需求最多、 结合最密切的领域之一。 整个地球表面的总面积约为51000 万平方公里， 其中海洋江湖的总面积为36100 万平方公里，占地球总面积的70.8%。广阔的海洋为船舶运输提供了极为便利的 通道，成为沿岸与跨国运输的主要途径。研究人类的历史可以发现， 船舶也是最 早出现的人类运载工具之一。 船舶在海上航行时经常遇到大风大浪，如果船舶不具备足够的稳性，就会倾 覆；如果船体结构不具备足够的强度，在大风大浪中就会断裂。 船舶倾覆和断裂 是船舶在海上可能发生的两类最危险的事故，船舶设计一定要加以防范措施。 船 舶的性能主要包括浮性、稳性、抗沉性、快速性、耐波性

10、和操纵性。预报和改进 船舶性能的主要工具是流体力学。船舶的强度问题包括断裂与疲劳、振动与噪声 等。预报和改进船舶结构强度的主要理论工具是材料力学、结构力学、 振动与冲 击学、断裂与疲劳理论、 弹塑性力学和板壳力学等， 这些不同的力学学科统称为 船舶结构力学。 船舶力学的发展进一步推动了力学学科的发展，使之具有更加丰 富的内涵。 21 世纪将是海洋的世纪，船舶与海洋工程将会得到更大的发展。无 论是过去还是将来， 船舶于海洋工程的发展都离不开力学。力学基础知识是从事船舶与海洋工程结构物开发与使用的必备手段。在这一领域里， 力学知识有这广 阔的用武之地。 在能源工程方面，也是离不开力学的。能源工业是

11、重要的基础工业，从20 世纪 80 年代起直至 2010 年，它始终是我国有线发展的工业部门。能源工业的放 大量设备旺旺具有以下一些特点， 这些特点决定了力学对能源工业的发展起着十 分重要的作用。 1）工作条件特别苛刻，往往涉及高温、高压、腐蚀介质等种种 恶劣的工作条件。 2）许多重要设备是特大型的复杂结构，而大型化将引起造成 结构破坏的一系列新问题，例如稳定性下降、自镇坪率降低等等。3）装置中的 工作介质有不少是易燃、易爆、有腐蚀性、对人体有危害的气体或液体，在核电 站的一回路系统中还有放射性介质。 力学对于促进能源工业发展起到了巨大的作用。地质力学。渗流力学和固体 力学中的柔性梁柱强度、

12、振动与稳定性等力学问题的解决大大促进了石油、天然 气的勘察与采集；固体力学对于煤矿的安全开采和海上石油钻井平台的安全可靠 性都起到了关键的指导作用： 弹塑性力学与计算力学的发展， 使复杂的压力容器 与管道的合理设计又来可靠的理论依据，安全性与经济性这一对矛盾得到了合理 解决。 在化工方面，主要是跟流体力学有很大的关系。化工是国民经济中一个极为 重要的产业，既提供多种产业所需的原材料，也提供很多中间产品或最终产品。 在化工生产中涉及到大量的流体力学问题。所谓化工过程， 广义上讲是指物质经 受性质上变化的过程， 包括物理的和化学的性质变化。 它与只有物体形状和位置 变化的一般机械不同。 在化工领域

13、中，大量是涉及到流体运动的问题。化工中的流动问题大致有以 下五个特点： 1）化工生产时，物料一般都在流动中；2）各种化工过程所使用的 化工设备的结构形式既多样又复杂；3）流体物料的种类十分广泛； 4）流动同时 伴有热量与质量的传递；5）流动同时伴有化学反应。 通过化工设备中流体运动规律的分析、感光材料涂布流动分析以及聚合物费 牛顿流体显示的特性等三方面的尸体，说明对于提高化工部门的产品质量、生产 效率，行程新的生产工艺与相应的设备等，流体力学起着十分关键的作用。而化 工中复杂的流动现象的研究， 又进一步推动了流体力学的一些分支学科，入多相 流、非牛顿流体力学等的发展。 生物医学方面，也奇迹般的

14、与力学有着很大的关系。 力学与生理学、解剖学、 医学、生物学以及它们的边缘学科生物医学等相结合，行程了一门力学与生命科 学的交叉学科生物力学。生物力学帮助我们了解生命，启发我们观察自然， 设计和创造各种设备以该上我们的生活质量。在临床诊断与治疗的过程中， 医生 们不断地提出各种各样u 力学相关的问题， 诸如人体各类组织的特性， 各器官的 结构与功能， 血液和体液的成分与流动、 交换规律以及与人体疾病、 保健和修复 有关的众多力学问题。 固体力学和流体力学的一般规律与研究方法为解决这些问 题开辟了途径， 并逐渐地形成了生物力学这一力学的分支学科。生物力学的发展 又促进了对人体各种疾病的防治与器官

15、的修复。、 生物力学的研究应用领域日益宽广，涉及了跨学科、技术较差、基础性和应 用性并重的许多领域。 在竞技和体育方面， 特意飞行方面， 和生物组织的生长方 面，都跟力学知识有关。 而在人体中，很多地方都跟力学知识有关， 骨骼、肌肉、 皮肤等等， 都是带有力学性能的。 包括心脏、 血管以及血管系统中的血液流动也 和力学有关，比如有血液动力学、脉搏波与波动力学等等。力学在医学的很多方面具有极其重要的地位，并已经获得了广泛而又成功的 应用；同时，在生命科学中尚有大量的力学问题有待解决。生物力学不仅在医学 中具有重要的应用价值， 孩子啊生物工程和放生科学等领域中有着广阔的研究和 应用前景。 力学不仅

16、与各种工程类学科关系非常密切，同时也包含不少数学等知识。力 学的发展与数学物理方法的发展两者之间具有深刻的内在联系。建立描述问题的 基本数学方程是研究的第一步， 以下则是对所建立的方程求解。 当力学问题的基 本数学方程建立以后， 就需要寻找有效的求解方法， 并结合具体工程问题加以应 用，这是力学工作者长期研究的内容。在计算机问世以前， 力学基本方程求解只 能靠解析方法， 数学家与力学家通力合作， 对力学问题的数学方程进行求解，既 发展了力学理论也丰富了数理方法。 然而实际问题中能够用解析方法求解的问题 是十分有限的，因此也就使工程师与力学家们努力对计算中的数学模型进行简化， 并提出了包括近似方法在内的多种求解手段，其中许多方法仍指引着当前的计算 方法与数学模型方面的研究。 而 20 世纪 40 年代后，随着计算机的问世，各种适合计算机计算的力学分析 方法相继出现，打破了计算的“瓶颈” ，是力学的研究与应用发生了翻天覆地的 变化。 20世纪 60 年代在国际上诞生了具有划时代意义的一门新的力学分支学科， 即今天人们所熟知的“计算力学” 。 未来规划 在自己往高考志愿表上填上工程力学的