浅论工程力学的发展和应用

摘 要：工程力学对物质运动的宏观规律进行研究，并应用于实际工程当中。工程向力学不断提出问题，力学持续向工程提供设计思想。本文浅述了工程力学的发展进程，对工程力学学科的内容进行了简述，并讨论了工程力学在材料力学和固体力学中的应用。

关键词：工程力学 材料力学 固体力学 结构优化

1.前言

至今为止，“力学”在工程领域上的应用可谓是越来越深入，在大部分的应用工程中，包括有：交通、机械、建筑、石油、军事、水利、采矿、冶金、化工以及空间工程等等，这些领域的研究工作中处处都需要工程力学作为研究的有力支撑。正是由于其间不可分离的紧密联系，长期以来“工程”也向“力学”不断提出各种各样的问题并且发起了各种各样的挑战，同时，力学也持续以新的创新成果一直在深刻地改变着工程设计的理论思想。

在工程力学领域当中，结构力学无疑是一个极其重要的学科组成部分。任何工程的完成过程中，都要经历设计和建造工程结构物的阶段，因此都有结构力学的问题出现。在如今现代化的实际工程当中，工程的组成结构越来越发地复杂化，因此在结构分析的时候需要考虑的因素也随之越来越繁杂，对工程力学的要求也就越来越严格。近二十多年以来，结构力学发生了里程碑阶段的变化。在各种促进结构力学发展转变和进步的因素当中，电子计算技术的促进作用可以说最为突出。

工程力学这门科学涉及了许许多多的力学学科分支，涵盖了广泛的工程技术领域。工程力学是一门理论性很强并且与工程技术联系极为密切的技术类型的基础学科。众所周知，工程力学包括“静力学” 和“材料力学”两大基础。工程力学的基础力学定理、力学定律以及典型的力学结论在各行各业的工程技术中都得到了广泛应用，可以说是解决实际工程问题的重要理论力学基础。

2.浅述工程力学的发展和学科组成

二十世纪初期土力学的概念逐渐发展，在土力学发展的初期，朱明学者泰尔扎吉做出了重要的贡献。岩体力学正处于发展当中，其中包括对具有不连续面的硬岩性质的研究扩展到对软岩性质的研究。岩体力学是工程力学与工程地质学的融合学科。自十九世纪以来，连续体力学对各个物体的性质，如柱的稳定性，梁的刚度与强度，弹性模量，变形与力的关系，粘性模量等进行研究。最初的连续体力学从宏观角度出发，通过实验分析与理论分析的方式来研究物体的各种性质。由质点力学的定律推广到连续体力学的定律并进行进一步的研究。基于二十世纪前半期物理学的飞速发展，同时利用现代数学的不断成熟为理论基础，理性力学由此诞生。典型代表有：赖纳提出的关于粘性流体分析的论文，里夫林提出的关于弹性固体分析的论文，这些理论的提出都为理性连续体力学的新体系奠定了基础。

在工程力学中，质点、质点系以及刚体力学是理论力学的研究对象。其中刚体是指一种理想化的固体，刚体的大小和形状固定，不会由于外界作用而改变，也就是说质点系当中各点之间的距离绝对不变。理论力学的理论基础是著名的牛顿定律，牛顿定律是研究工程技术科学的力学基础。固体力学涵盖了结构力学、塑性力学、弹性力学和复合材料力学以及断裂力学等。尤其是结构力学和塑性力学以及弹性力学在土木建筑工程上得到了应用广泛，所以将其统称为建筑力学。二十世纪五十年代后期，伴随着电子计算机技术的发展和有限元法的诞生，计算力学应运而生。随着科学技术的进步，二十世纪五十年代以来，概率统计理论在工程力学上的应用逐渐深入，促进了工程力学的进一步发展和完善。

3.工程力学的应用

3.1材料力学

材料力学在我们的生活中被广泛应用，比如机械中的各种零件机械，建筑物种的各种工程结构，以及生活中隨处可见的塑料包装和各种生活用品。所有的物品都要具有人类对其要求的刚度和强度以及稳定性，以保证正常工作和安全使用。

铆钉，键以及销钉和螺栓等材料的变形都属于剪切变形，在进行这种主要以剪切变形为主的物品的设计时，需要重点考虑剪切应力。而转动轴，水轮机主轴和转向轴等部件发生的主要是扭转变形，而梁主要发生的是弯曲变形。有些杆在工作中会发生两种甚至以上的变形，根据其发生的主要变形来进行设计，才能保证最不利情况下的安全使用。实际工程中常常需要利用材料的特点来提高材料的承载能力，比如在建筑工程中，冷作硬化会使得钢筋或其他材料变脆，变硬，进而使加工困难，容易产生裂缝，强度降低，这时候利用材料力学的知识，人们经常用退火处理技术来部分或全部抵抗材料的这种不利变化。

3.2 固体力学

如论是体积庞大的天体还是细小的微粒，都存在着各种固体力学的问题。山崩地裂这个成语所描绘的现象就与固体力学紧密相关。在现代工程中，船舶的制造，飞行器的制造以及房屋的搭建，和桥梁的修筑，水坝的建造以及各种日用家具和各种物理反应堆的建造，无一不与固体力学紧密相关。所有结构的设计都应用到了固体力学的原理和基础理论知识。固体力学研究弹性以及塑性、线性以及非线性问题。在固体力学的早期研究工作中，由于知识技术水平的限制，学者们几乎都是先将研究对象假设为均匀的连续的介质，但随着知识水平的提高和科学技术的发展，近年来复合材料的出现使得复合材料力学和断裂力学不得不将其研究的领域范围扩大，对非线性连续物体和带有裂纹裂缝的物体进行研究工作。

固体力学的研究对象按照对象的形状可以分为板壳、空间体、杆件以及薄壁杆四大类型。其中薄壁杆在飞行器和建筑工程中都有着广泛的采用。

4.结论

工程力学对物质运动的宏观规律进行研究并应用于实际工程当中。正如著名学者所说：力学有两个服务对象，一是为了工程设计而服务，而是为了发展生产力而服务。这两种服务相辅相成，共同促进。力学的诞生以及力学的发展，从最初就是由生产力来决定的。在现代科技飞速发展的时代，计算机技术的广泛应用为工程力学的发展提供了新的方向。当电子计算机已经改变了人类的工作内容和工作方法的时候，关于结构力学的有限元法以及优化设计的理论方法等将有待进一步的研究分析。在计算机的帮助下，优化设计的方法有了强有力的支撑，能够促使我们向着结构最经济最安全的方法迈进，得出最优的结构方案和设计。工程给力学提出挑战和问题，力学为工程解决问题并提供设计思想，工程与力学相辅相成，不可分割。工程力学在生活中处处存在，实用性极强，因此非常有必要对工程力学进行进一步的研究和重视。

参考文献：

[1]哈尔滨工业大学.理论力学[M].北京，人民教育出版社，1987.

[2]刘嘉欣.浅谈工程力学的应用与发展[J].科教导刊，2013，28：135.

[3]黄丽艳，崔京浩.《工程力学》的发展与展望[J].工程力学，2009，26（10）：1-13.

作者简介：

刘嘉兴（1997.06.02–）男，汉族，江西省赣州市，身份证号：360721199706020816，本科生，研究方向：工程力学