个人介绍
工程力学 王元勋
课程简介
    工程力学是工科学生由基础理论过渡到专业基础的一门技术基础课程。本课程解决构件在外力作用下的强度、刚度和稳定性问题,是联接基础和工程实际的桥梁,是学生学习专业课程的先导课程。以培养创新研究型人才为目的,本课程通过课堂教学和实验,使学生掌握工程力学的基本概念、基本理论和基本分析方法;要求学生掌握力、力偶、约束等基本概念和力系的简化/平衡等刚体静力学的基本理论与方法;了解材料的基本力学性能;掌握应力、应变等基本概念;具有杆件强度、刚度问题的基本分析和计算能力,培养工程力学问题的分析和计算能力;尤其注重培养学生从工程实际中提出、研究、解决力学问题的能力,培养科学思维方法。
    本课程从物体的受力分析出发,研究物体在受力情况下的强度、刚度和稳定性问题,需要涉及高等数学、物理学的基本知识,但本课程的研究对象是具体的工程中的构件,解决的是工程实际问题中最基本的但又是最重要的破坏问题和控制破坏的设计准则。在解决这样基本的工程实际问题的学习过程中,同学们要善于以课程学习为载体,努力培养解决科学问题的研究型思维。
教师简介

王元勋 教授

单位:华中科技大学

职位:力学系副主任

力学发展简史

力学发展史,就是人类从自然现象和生产活动中认识和应用物体机械运动规律的历史。“力”是人类对自然的省悟。人类历史有多久,力学的历史就有多久。

中国春秋时期(公元前43世纪),墨翟及其弟子的著作《墨经》中,就有关于力的概念、杠杆平衡、重心、浮力、强度和刚度的叙述。古希腊哲学家亚里士多德(Aristotle公元前384322)的著作也有关于杠杆和运动的见解。为静力学奠定基础的是著名的古希腊科学家阿基米德(Archimedes公元287212)

1687年,牛顿的著作《自然哲学的数学原理》出版,给出了运动三定律。牛顿运动定律的建立,是力学发展过程中的重要里程碑。

    牛顿以后力学研究的历史大致可分为四个时期:

(1) 17世纪初-18世纪末,经典力学(研究宏观物体的运动规律)的建立和完善。

    这一时期,力学在自然科学领域占据中心地位。最伟大的科学家几乎都集中在这一学科,如伽利略、惠更斯、牛顿、胡克、莱布尼兹、伯努利、拉格朗日、欧拉、达朗伯等等。由于这些杰出科学家的努力,借助于当时取得的数学进展,使力学取得了十分辉煌的成就,在整个知识领域中起着支配作用。到18世纪末,经典力学的基础(静力学、运动学和动力学)已经建立并得到极大的完善。同时,还开始材料力学、流体力学以及固体和流体的物性研究。

(2) 19世纪,力学各主要分枝的建立。

    19世纪,欧洲各主要国家相继完成了工业革命,大机器工业生产对力学提出了更高的要求。为适应当时土木建筑、机械制造和交通运输的发展,主要是材料力学、结构力学和流体力学得到了发展和完善。建筑、机械中出现的大量强度和刚度问题,由材料力学或结构力学计算。作为探索普遍规律而进行的基础研究,弹性力学也取得了很大的进展。

(3) 19001960年,近代力学。

    这半个多世纪,力学的主要推动力来自以航空为代表的近代工程技术。1903年莱特兄弟飞行成功,飞机很快成为重要的战争和交通工具。1957年,人造地球卫星发射成功,标志着航天事业的开端。力学解决了各种飞行器的空气动力学性能问题、推进器动力学问题、飞行稳定性和操纵性问题及结构和材料的强度等问题。超声速飞行、航天器返回地面等关键问题,都基于力学研究才得以解决。由此,人们清楚地看到了力学研究对于工程技术的先导和促进作用。力学还解决了核爆炸中对猛烈炸药爆轰的精密控制、强爆炸波的传播、反应堆的热应力等重要问题。

    这一时期,由古老的材料力学、19世纪发展起来的弹性力学和结构力学、20世纪前期建立理论体系的塑性力学和粘弹性力学融合而成的固体力学发展迅速,建立和开辟了弹性动力学、塑性动力学等新的领域。空气动力学则是流体力学在航空、航天事业推动下的主要发展。在固体力学、流体力学形成力学分支的同时,以质点、质点系、刚体、多刚体系统等具有有限自由度的离散系统为研究对象的一般力学,也在技术进步的促进下继续发展。

 (4) 1960年以后,现代力学

    20世纪60年代以来,力学同计算技术和其他自然科学学科广泛结合,进入了现代力学的新时代。由于电子计算机技术的飞跃发展和广泛应用,由于基础科学和技术科学各学科间的相互渗透和综合,以及宏、微观相结合的研究途径的开拓,力学出现了崭新的面貌。满足工程技术要求的能力也得到了极大的增强。

    1946年电子计算机问世以后,计算速度、存储容量和运算能力迅速提高。过去力学中大量复杂、困难而使人不敢问津的问题,因此而有了解决的希望。上世纪60年代兴起的有限元法,发源于结构力学。一个复杂的连续体结构经离散化处理为有限单元的组合后,计算机可以对这种复杂的结构系统迅速计算出结果。有限元法一出现,就显示出无比的优越性,被广泛地应用于力学各领域甚至向传热学、电磁等领域渗透。计算机的迅速发展,使力学在理论与实验这两种传统研究手段外,增加了第三种手段,即计算力学。不仅如此,理论与实验的某些部分也离不开计算模拟。钱学森先生曾经在中国力学学会讲过:“必须把计算机和力学工作结合起来,不然就不是现代力学,就不是现代化”。

    力学与基础和技术学科间相互渗透,产生了许多新的力学生长点。例如,由冯元桢等创建的生物力学就是一个学渗透的例证。生物力学在考虑生物形态和组织的基础上,测定生物材料的力学性能,确定其物理关系,再结合力学基本原理研究解决问题,在定量生理学、心血管系统临床问题和生物医学工程方面取得了不少成就。使人们认识到:没有生物力学,就不能很好地了解生理学。

    材料中往往存在着大量裂隙、损伤,位错理论和断裂力学分别从微观和宏观的角度突出了缺陷材料行为的特性,两者之间的密切联系也是人们探求的问题。20世纪60年代以来,断裂力学的迅速发展,改变了工程界对强度或安全设计和材料性能评价的传统观点,促进了设计技术的进步。          

    力学不仅有着悠久而辉煌的历史,而且随着工程技术的进步,近几十年来力学也在同样迅速的发展。力学研究的对象、涉及的领域、研究的手段都发生了深刻的变化,力学用来解决工程实际问题的能力得到极大的提高。

    例如:由传统的金属材料、土木石等材料力学行为的研究扩大到新型复合材料、高分子材料、结构陶瓷、功能材料等力学行为的研究;由传统的连续体宏观力学行为的研究发展到含缺陷体力学,细、微观(甚至纳观)力学行为的研究;由传统的电、光测实验技术研究到发展了全息、云纹、散斑、超声、光纤测量等力学实验技术;由传统的静强度、刚度设计发展到断裂控制设计、抗疲劳设计、损伤容限设计、结构优化设计、动力响应计算、监测与控制、计算机数值仿真、耐久性设计和可靠性设计等。

机械、结构的小型、轻量化设计和电子工业产品的小型、超大规模集成化趋势使力学应用的领域从传统的机械、土木、航空航天等扩大到包括控制、微电子和生物医学工程等几乎所有工程技术领域。计算机技术和计算力学的发展给力学(尤其是应用力学)带来了更加蓬勃的生机,力学与工程结合、为工程服务的能力得到了极大的增强。计算机不仅成为辅助工程设计的有力工具,同时也是力学分析、数值计算、动态过程仿真的有力工具。力学在工程中应用的目的,除传统的保证结构与构件的安全和功能外,已经或正在向设计制造使用维护的综合性分析与控制,功能安全经济的综合性评价以及自感知、自激励、自适应(甚至自诊断、自修复)的智能结构设计与分析的方向延伸。

在力学学科发展的同时,还有一个十分重要的成果,那就是形成了一种善于从错综复杂的自然现象、科学实验结果和工程技术实践中抓住事物的本质,提炼成力学模型,采用合理的数学工具,分析掌握自然现象的规律,进而提出解决工程技术问题的方案,最后再和观察或实验结果反复校核直到接近为止的科学研究方法培养这种科学思维和研究方法,其重要性绝不亚于获取力学知识本身。

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