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工程力學概論航空宇航学院 工程力学010750116 林建安 第一部分课堂笔记一 力学与二十一世纪科学与财富-力学与现代科技 大学生的理想与现实-和谐与矛盾？机会与困惑？ 科学、技术与工程-研究型大学的使命是什么？ 科学发展与产业革命-科学的力量在那里？ 前苏联解体的科技背景-旧船票能否远行？ 力学发展的里程碑-牛顿时代到何时？ 力学与现代科技-重塑辉煌？ “比尔-盖茨”的机遇何处寻？ “男怕入错行”：方向在哪里？ 志愿与专业：何为热门专业？力学的进程第一次产业革命: 蒸汽机时代 强度学萌芽 亚历士多得/哥白尼/牛顿/爱因斯坦第二次产业革命: 电器时代, 大型机械 力学/ 强度/ 寿命/ 计算科学 设计/ 分析/ 制造工艺 全生命周期设计-依赖于虚拟技术 第三次产业革命: 微电子技术 新领域, 新问题, 新机遇 材料科学 工程力学 工程力学是力学与现代工程科学技术交叉发展的一门力学分支学科，已成为航空与航天、机械、自动化技术、材料与加工、电子与信息、土木等国防与国民经济建设工程科学的基础；具有广泛性、复杂性和多样性，体现学科交叉发展和相互促进，以及力学在解决重大工程技术问题中的基础性和必不可少的作用。工程力学学科始终瞄准国际上工程力学和高新技术的发展前沿，以力学理论为基础，以航空宇航科技为依托，以创新成果推动我国国防事业的发展为宗旨，不断吸收其他力学学科和相关学科的最新研究成果来充实自己，更好地解决工程技术问题，并提炼出新思想、新原理和新方法，具有理论研究和应用研究并重及多学科交叉等特色。 已由对自然的探索转向为人类发展服务 工科的基础，如数学对AA自然科学 力学如何与21世纪各优先发展领域结合为人类生存与发展服务，同时自身发展？ 强度从实验室到实际结构 环境服役寿命问题 智能检测技术和控制技术 可靠性全寿命安全保障需求 微电机小卫星/微型飞行器 空间科学研究科学、技术与工程-研究型大学的使命 培养优秀人才 积聚知识，储备技术 前瞻性研究，酝酿技术 科学-未来的生产力 创新精神;创新知识;创新人才;创造事业 实现人类共同发展的理想纳米知识纳米：1nm= 10-3mm =10-9m=10=10个氢原子直纳米科学技术是什么?80年代末诞生、正在迅速发展的以0.1100纳米尺度物质为对象的一种高新科技。纳米科学技术干什么？在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过机械、物理、化学方法或直接操纵原子、分子而创造具有崭新性质和性能的新材料、新器件。纳米科技的重要性 Armstrong: 正像70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为21世纪信息时代的核心 钱学森：纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的重点，会是一次革命，从而将是21世纪又一次产业革命 二十一世纪科学的前沿和主导科学分子物理力学概念 分子物理力学将传统力学与量子力学结合起来，在分子层次和纳尺度下研究物质的物理力学问题。 以牛顿力学和量子力学(QM)以及能量原理为基础, 采取自下而上为主, 并与从上到下相结合的研究方式, 探索纳米/分子器件和系统的新规律和新原理, 着重研究其力学与物理、生化耦合行为, 为发展纳/分子机电系统、纳/分子电子学、纳智能系统和分子仿生技术提供科学基础。 科技关键词-尺度 信息、生命与国防科技发展趋势 分子物理力学-科技发展的新基础二 智能材料概述智能材料结构的诞生的主要原因：1. 复合材料在结构中的普遍使用，使得驱动元件和传感元件很容易融合进入材料，组成整体；2. 对机械、电子、动作等材料的多方面性能的耦合进行研究；3. 微电子技术、总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息处理和快速控制方面的难题。什么是智能材料：将形状记忆合金与薄壁圆管相耦合，构成具有双向驱动能力的扭力驱动器，实现了翼面模型的上下偏转。初步建立了形状记忆合金扭力驱动器的力学模型，研制成功了由计算机控制的自适应机翼模型实验系统。结构建模与仿真建立强非线性(物理非线性和几何非线性)、多场耦合(电、磁、热弹性)的各种变分原理及相应的数值分析方法；集成器件与结构材料本体间的相互作用与耦合机理及宏细观力学行为 控制方法针对分布式、非线性、强耦合、多变量及时变性复杂机械构系统，建立智能结构控制的数学模型，研究系统中控制与结构相互作用、系统辩识与状态估计。智能材料结构研究面很宽的，难度大，涉及多学科（包括工程力学学科）的交叉和融合。作为方兴未艾的高新技术，智能材料结构的潜在发展有着广阔的天地。可以肯定的说，工程力学在智能材料结构研究中也是大有用武之地。结构强度研究所三 数值计算与仿真任务举例：1. 结构设计时进行总体应力分析（数值计算），根据应力分布情况看结构设计是否合理。2. 对结构的重要细节（如：连接部位）进行局部应力分析（数值计算），决定结构是否有足够的强度。3. 对结构的机构进行动态分析，包括考虑和不考虑变形两种情况（数值计算和仿真）。有限元建模需要遵循的原则有几何近似和物理近似。几何近似： 离散结构的形状应与原来的相近。例如：曲线（曲面）的模拟；物理近似: 离散结构的模型应能正确反映出结构在外载荷作用下的变形情况。 例如：结构中应力分布不均匀；不同材料性能，特别是破坏过程中材料性能的模拟。无单元法或无网格法(Mesh-less method)该方法是目前研究的热点之一，是正在发展中的方法。优点：与有限元相比，由于不需要网格，故不存在网格畸变问题（例如：金属成形中塑性大变形问题）； 流体（气体、液体）力学问题应用可能会更广些。缺点：目前，计算量大。还不能方便地用于任何复杂结构分析和仿真。还没有商用软件。四 动力学经典动力学的萌芽以通信、著作方式公布研究结果：如Galileo 的两门新科学的谈话和数学证明, Huygens的 摆动时钟 和论物体的碰撞运动。有心力(引力)场中质点动力学 (Newton 1685, Kepler 1609) 刚体动力学（Euler 1758） 运动稳定性理论（Lyapunov 1892）线性振动理论（Euler, Lagrange, Duhamel, Fourier） 经典动力学的形成成果：从书信、著作 =论文，1665年诞生了科学期刊：Philosophical Transactions of the Royal Society of London。19世纪的工业革命汽轮机、内燃机= 机械动力学造船= 船舶动力学 机械振动的近似计算轴系的扭转振动：1901年，Frith和Lamb建立了多盘轴系的基本理论；1902年，Frahm进行实验研究并着重考虑共振计算问题； 其方法经过多人改进，到1945年成为Myklestad-Prohl方法。工程动力学的形成研究方式及特点 多学科（如计算机、控制论）融合，相互促进。基本方法：采用理论和实验联合建模，用先进的计算技术、图形技术模拟系统动力学，借助人工智能进行动力学设计，用控制技术获得期望的动力学品质。数值模拟和图形软件成为新的成果形式。工程动力学在现代工程中的地位几乎所有的工程领域都存在振动问题；工程系统的振动特性是衡量系统性能的重要指标之一；如国标、军标等；Noise, Vibration and Harshness，NVH愈是先进、复杂的工程系统，对振动特性的要求愈严格；工程动力学学科是一门应用广泛、不可或缺的工程应用学科；大多数领域需要专职工程动力学科技人员来解决本领域的振动问题；当代动力学面临的挑战动载荷问题 昂贵的确定性：军舰受到的水下爆炸载荷普遍的不确定性：海洋平台受到的波浪载荷，建筑物受到的随机地震载荷与系统相互作用：飞机气动载荷、建筑结构风雨载荷五 振动工程力学振动现象自然界中的振动现象工程结构与机械系统中的振动问题振动的危害导致结构系统的物理破坏导致设备的性能降低或丧失导致环境污染振动的控制振动是有害的，必须加以控制事后措施被动控制；主动控制事前措施动力学设计阻尼可以有效地降低振动幅度被动控制的本质-转移振动机械能动力吸振器措施；阻尼材料措施；不需要额外能量，设置简单，可靠性高。动力吸振器 阻尼材料减振措施主动控制的原理-以其人之道还治其人之身效果好，指那打那；需要外加能量，高电压信号；系统复杂昂贵，可靠性低；事前振动控制目标：在给定的条件下设计出不振动或振动很小的结构与机械设备策略：在结构或机械系统的设计阶段采取措施，预防在工作状态中有害振动的出现。方法：对设计模型进行振动分析，改变设计参数使得设计模型的振动水平达到控制的要求。振动的利用应用于机械设备来产生往复运动或周期性的冲击力振动筛；气动工具；送料带粉碎机；筑路机械电动按摩器、减肥器；振动试验激振器应用于工程系统的健康监测与故障诊断原始的敲击法检测器皿和部件的裂纹就是最早的振动信号用于检测目的：在线监测结构或机械系统的健康状态策略：根据结构的振动特性由结构的物理参数分布唯一决定的原理，通过监测系统的振动特性的变化来监控其健康状态；方法：对工作状态中的振动信号进行信号处理；提取反映系统振动特性的特征参数，监测这些特征参数来达到监控系统的健康状况。利用人工发射的或者自然的振动信号来探测目标、监测对象的某种状态，如声纳-发射振动信号，接受、分析回波，确定目标舰船的位置；对接受到的舰艇振动信号进行振动特征（声学指纹）分析，以确定目标的属性；探矿-分析地震波的能量和频率成分，确定矿藏的成分、规模以及埋藏深度；地震预报-分析微小地震波的特征，预测大地震的发生地域和时间。第二部分听课感想与心得 想必一般人都听说过“力学”这一悠久而又新颖的词语吧。但是有多少人能准确描述力学的定义呢？在以前我对这个词语也只是感性上的认识，对于其真正的妙义却不甚了解。出于对物理的喜爱，我报考了“工程力学”这个专业。在班主任的介绍下，渐渐地，我对力学有了些模糊了解的概念。不过是“工程力学概论”这门课使我对力学有了更清晰的认识。一般认为工程力学是研究有关物质宏观运动规律，及其应用的科学。工程给力学提出问题，力学的研究成果改进工程设计思想。从工程上的应用来说，工程力学包括：质点及刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩体力学等。工程力学是研究有关物质宏观运动规律，及其应用的科学。工程给力学提出问题，力学的研究成果改进工程设计思想。从工程上的应用来说，工程力学包括：质点及刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩体力学等。人类对力学的一些基本原理的认识，一直可以追溯到史前时代。在中国古代及古希腊的著作中，已有关于力学的叙述。但在中世纪以前的建筑物是靠经验建造的。1638年3月伽利略出版的著作关于两门新科学的谈话和数学证明被认为是世界上第一本材料力学著作，但他对于梁内应力分布的研究还是很不成熟的。纳维于1819年提出了关于梁的强度及挠度的完整解法。1821年5月14日，纳维在巴黎科学院宣读的论文在一物体的表面及其内部各点均应成立的平衡及运动的一般方程式 ，这被认为是弹性理论的创始早在中国春秋战国时期(公元前5前4世纪)，墨翟就在墨经中叙述过物。体所受浮力与其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式。物体流变学是研究较为广义的力学运动的一个新学科。而老师们从科技和自己的研究角度更加清晰、切实地诠释了“工程力学”的概念是力学与现代工程科学技术交叉发展的一门力学分支学科，已成为航空与航天、机械、自动化技术、材料与加工、电子与信息、土木等国防与国民经济建设工程科学的基础；具有广泛性、复杂性和多样性，体现学科交叉发展和相互促进，以及力学在解决重大工程技术问题中的基础性和必不可少的作用。工程力学学科始终瞄准国际上工程力学和高新技术的发展前沿，以力学理论为基础，以航空宇航科技为依托，以创新成果推动我国国防事业的发展为宗旨，不断吸收其他力学学科和相关学科的最新研究成果来充实自己，更好地解决工程技术问题，并提炼出新思想、新原理和新方法，具有理论研究和应用研究并重及多学科交叉等特色。我们的课程名称为“工程力学概论”。既然是概论，那么老师课上讲的内容就不会像他们做报告或者讲学时的严肃了。事实上，经过上课，我也觉得老师们确实是这样做的。每一堂都是精心安排、认真准备的课。这可以从老师们准备的精彩PPT讲稿看出来。记得以前我们辅导员说，给我们上这门课的老师们都是我们学校有名的教授，都是很“牛”的。我本来想：既然是“名师”，那老师会不会很严肃呢？当上课的第一天，看到满脸笑容的郭老师时，我就知道是自己猜错了。看到老师们自我介绍的文字时，我也知道辅导员说得没错。课上各个老师的内容都不一样，都讲自己主要从事研究的方面。这样我们也可以获取更多的知识，也更体现了“概论”二字。老师们的风格各有千秋，正是这些才保持了我们的新鲜感和兴趣。图文并茂已是家常小菜，声色俱全也数见不鲜。内容更是多彩多样，从力学与现代科技到振动力学；从纳米科技到智能材料这些我们平时从未认真了解过的科技无一不吸引我们了的眼球。有人说科学是严肃的，但是它破坏了艺术的浪漫我却不以为然。殊不知其实科学的探索过程本生就是一部浪漫史。“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”这一浪漫诗人写的诗句用来形容科学的探索是再合适不过的了。科学进程中不乏浪漫的故事：有为发现“称王冠”的方法而兴奋得忘了穿衣服的阿基米德；有看到教堂里的灯而发现单摆运动原理的伽利略;有因一个苹果而发现“万有引力”的牛顿；也有想追着光跑而创立“相对论”的爱因斯坦这些不都说明了科学的道路也是充满艺术美的吗？我想也许正是这些艺术美才吸引了无数科学家投身其中。也有人说自然科学，尤其是物理，只是机械的脑力活动。我觉得这是很可笑的想法。其实物理是西方的第二哲学。牛顿在科学上的成就须由他的哲学思想和科学方法来寻根求源。牛顿的学生曾在原理第二版序言中道出了其中的奥妙。到了中世纪，经院哲学统治着欧洲。科学、哲学沦为神学的奴婢。到15、16世纪，哥白尼、G.布鲁诺、伽利略等人不畏坐牢、火刑等坚持不屈地向教会作斗争，挣脱了侍奉上帝的桎梏。对自然现象的观察、测量和实验的风气逐渐形成了。在物理学科中伽利略的实验工作是实验物理学的开端，牛顿深受其影响。随后牛顿使作为实验科学的物理学形成一个光辉体系，同时也使科学实验方法闯入了哲学思想的殿堂。也许是科学的这种富有挑战性才吸引了无数的人为此奋斗一身。通过这学期的“工程力学概论”的学习，我渐渐地喜欢上了力学。曾经为报考了这个“枯燥”专业而懊悔的情绪随着老师们的讲课也烟消云散了。力学的确是基础学科中的龙头。正如我们老师说的：建筑要打好基础，而物理-力学就是科学这个伟大建筑的坚实基础。所以我现在就要夯实基础了经过“工程力学概论”的学习，我明白了自己的学习内容，知道了学习的对象，相信在接下来的大学学习中，我能把自己的建筑造得高大结实第三部分 启示建议人类对力学的一些基本原理的认识，一直可以追溯到史前时代。在中国古代及古希腊的著作中，已有关于力学的叙述。但在中世纪以前的建筑物是靠经验建造的。1638年3月伽利略出版的著作关于两门新科学的谈话和数学证明被认为是世界上第一本材料力学著作，但他对于梁内应力分布的研究还是很不成熟的。纳维于1819年提出了关于梁的强度及挠度的完整解法。1821年5月14日，纳维在巴黎科学院宣读的论文在一物体的表面及其内部各点均应成立的平衡及运动的一般方程式 ，这被认为是弹性理论的创始。早在中国春秋战国时期(公元前5前4世纪)，墨翟就在墨经中叙述过物体所受浮力与其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式。物体流变学是研究广义的力学运动的一个新学科。1929年，美国的宾厄姆倡议设立流变学学会，这门学科才受到了普遍的重视。于是基于二十世纪前半期物理学的进展 ，并以现代数学为基础，出现了一门新的学科理性力学。1945年，赖纳提出了关于粘性流体分析的论文，1948年，林夫里提出了关于弹性固体分析的论文，逐步奠定了所谓理性连续体力学的新体系。随着结构工程技术的进步，工程学家也同力学家和数学家一样对工程力学的进步做出了贡献。如在桁架发展的初期并没有分析方法，到1847年，美国的桥梁工程师惠普尔才发表了正确的桁架分析方法。电子计算机的应用，现代化实验设备的使用，新型材料的研究，新的施工技术和现代数学的应用等，促使工程力学日新月异地发展。物理-力学的起源很早，但是它的有效生命确实很短，然而又发展得很快，在短短的一百年里，物理学就超越了两三千年前的成就。这正如马克思所说：在科学上没有平坦的道路而是充满着荆棘与挫折，只有那些敢于攀登，不畏艰难的人才能体会到成功者的喜悦。在学习上也是如此。只有那些不怕困难，肯于奋斗的人才能取得好的成绩。这门课程称为“工程力学概论”。既然是概论，老师们准备内容就不必像作报告或者发表论文时那般的严肃，只要使得内容新颖、讲课生动活泼