工程力学到底包括什么?
人类对力学一些基本原理的认识可以追溯到史前时代。在古代中国和古希腊的著作中,已经有了关于力学的描述。但是中世纪以前的建筑都是凭经验建造的。
1638年3月,伽利略的《关于两种新科学的对话与数学证明》一书被认为是世界上第一本关于材料力学的书,但他对梁中应力分布的研究还不成熟。
在1819中,Navi提出了梁的强度和挠度的完整解决方案。1821 5月14日,纳维德在巴黎科学院宣读了《物体表面和内部所有点都应成立的平衡和运动的一般方程》一文,该文被认为是弹性理论的基础。后来在1870年,圣维南发表了一篇关于可塑性理论的论文。水力学也是一门古老的学科。
早在中国春秋战国时期(公元前5-4世纪),翟墨就在《墨经》中描述了物体的浮力与其所排开的液体体积之间的关系。欧拉提出了理想流体的运动方程。物体的流变学是研究广义机械运动的一门新学科。1929年,美国宾汉姆发起成立了流变学学会,该学科受到普遍关注。
研究方法
分为实验研究和理论分析计算。但两者往往综合使用,相互促进。
实验研究
包括实验力学、结构检验和结构试验分析。模型试验分为局部模型试验和整体模型试验。结构的现场试验包括结构构件的试验和整体结构的试验。实验研究是验证和发展理论分析和计算方法的主要手段。结构的现场测试还有其他目的:
(一)验证结构的功能和安全性是否符合结构规划、设计和施工的要求;
②鉴定结构在使用阶段的完好性,获取维修加固数据。
理论分析和计算
结构理论分析的步骤是先确定计算模型,再选择计算方法。
土力学在20世纪初逐渐形成,并在20世纪40年代后迅速发展。在其形成和发展的早期,太沙基发挥了重要作用。岩石力学是一门年轻的学科,从20世纪50年代开始组织专门的学术讨论,此后从研究具有不连续面的硬岩性质扩展到研究软岩性质。岩石力学是工程力学和工程地质学相结合的产物。
从19世纪到20世纪上半叶,连续力学的特点是研究各种物体的性质,如梁的刚度和强度、柱的稳定性、变形与力的关系、弹性模量和粘性模量等。这一时期的连续力学是通过实验分析和理论分析,从宏观的角度研究物体的各种性质。它是从质点力学定律推广到连续力学定律的,所以自然有一些矛盾。
于是基于20世纪上半叶物理学和现代数学的进步,出现了一门新的学科——理性力学。1945年赖纳提出了粘性流体分析的论文,1948年里夫林提出了弹性固体分析的论文,逐渐奠定了所谓有理连续介质力学的新体系。
随着结构工程技术的进步,工程师对工程力学的进步做出了贡献,也对力学和数学家做出了贡献。如果说桁架发展初期没有分析方法,那么直到1847,美国桥梁工程师惠普尔才发表了正确的桁架分析方法。计算机、现代实验设备的应用,新材料、新施工技术的研究以及现代数学的应用,促进了工程力学的迅速发展。
质点、质点系和刚体力学是理论力学的研究对象。所谓刚体,是指理想化的固体,其大小和形状是固定的,不会因外界作用而改变,即质点系中各点之间的距离是绝对恒定的。理论力学的理论基础是牛顿定律,是研究工程技术科学的力学基础。
固体力学包括材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、复合材料力学和断裂力学。特别是力学的前三个学科,在土木工程中的应用非常广泛。习惯上把这三个学科统称为建筑力学,以说明这是一门用力学的一般原理研究各种作用对各种形式的民用建筑的影响的学科。
50年代后期,随着电子计算机和有限元方法的出现,逐渐形成了一门交叉学科——计算力学。计算力学分为两个分支:基础计算力学和工程计算力学。后者应用于建筑力学时,其四大支柱是建筑力学、离散化技术、数值分析和计算机软件。其任务是利用离散化技术和数值分析方法,研究结构分析的计算机编程方法、结构优化方法和结构分析图像显示。
如果按照使结构起反作用的作用的性质分类,工程力学的许多分支可以细分为静力学和动力学。比如结构静力学和结构动力学,后者主要包括结构振动理论、波动力学和结构动力稳定性理论。因为施加在结构上的外力几乎是随机的,而材料的强度在本质上也是不确定的。
随着科学技术的进步,自20世纪50年代以来,概率统计理论在工程力学中的应用越来越广泛和深入,逐渐形成了新的分支和方法,如可靠性力学和概率有限元法。