工程力学的应用背景与研究现状

2019-01-23高溟锶

中国设备工程 2019年1期

高溟锶

工程力学作为一门基本的应用学科，具有涉及范围大、应用性强的特点。工程力学在现代化建设中研究物体结构、流动特性和作用机理关系，在城市的大规模建设、交通道路规划、交通工具受力设计及分析应用以及在国家常规武器的研发设计、原子武器的设计、卫星的运行方式、深海钻油等方面都有着极为重要的意义。随着城市的发展和高技术精度的不断提升，要求工程力学在常规应用以及极端环境下的应用中都要有较高的准确性和效率，如何合理应用工程力学来满足社会的发展需求是亟待解决的问题。

工程力学是一门结合了物理、数学和工程学的综合学科，其主要包括了力学、机械学、动力学和流体力学的相关知识，从而在大量的建筑构造、交通建设、高端武器研发、飞机制造、新型资源开采等方面具有重要的实际意义。工程力学更是一门基础学科，要讲求对理论的深入推导和研究。同时其又作为一门技术应用型学科，更要求理论与实践的有机融合。现代化进程的加快，促使其不断完善，又催生出更多的社会需求。随着城市的扩张和人们生活质量的提高，工程力学被要求在有限的空间中合理规划，建构生活住宅，使资源得以充分利用。在交通网络逐渐完善的今天，工程力学被要求对列车、轮船精确设计，提高运输效率，使用新型材料建造桥梁。这些无不是工程力学实用性和广泛性的体现，但如何合理运用来满足时代的高要求是当下工程力学所面临的主要问题。

1 工程力学在交通方式中的应用

汽车作为人们生活中最常用的交通工具，其设计、制造、维修等过程与工程力学知识息息相关。车辆在行驶过程中与地面接触产生的震动往往会使汽车零件松动或是部分装置裂损，这便要求汽车制造商在汽车部件焊接过程中利用新型刚性材料在高温高压条件下对汽车进行严密焊接，该过程需要在振动力学的知识框架下来解决。在对汽车的碰撞参数进行计算时，若没有精确计算或是对实际情况模拟不到位，在发生事故时，安全设施的工况误差会对车内乘客的生命造成极大威胁。同时保养汽车时，也应了解相关的工程力学知识，需要知道气缸的受热冷却过的物理过程，来合理地保养汽车以免造成人为损伤。

列车与桥梁之间的工程力学问题也受到重视。例如，在列车高速行驶过程中，车轮对车轨、桥梁产生冲击作用，桥梁及轨道的开裂，零件的脱落将直接影响其有效安全的工作状态和设施的使用寿命；同时桥梁与列车车身构成整体，易产生共振现象，严重影响列车的正常行驶和危害乘客安全，需要尽力避免。如何模拟实际状况来科学合理设计以及精准计算相关参数是当前工程力学在铁路方面的一大难点。

同时，工程力学在飞机设计与制造中发挥着不可替代的作用。飞机在飞行过程中易遭受流体的迎面阻力、雨水侵蚀而导致机身开裂甚至脱落。研究具有较高的结构耐久性的机身材料与构造来抵抗机身疲劳、开裂、腐蚀是工程力学在机身研究上的重点，而飞机降落时受到极大的冲击力可能会使起落架断裂导致机毁人亡，而工程力学对飞机起落架的抗震等的分析起着关键作用。

2 城市建设中的工程力学问题

工程力学在建筑中的贡献也十分突出，合理运用工程力学知识指导城市建设、规划的方向和策略，可以有效地避免重大的经济损失和人员伤亡。日本作为一个多地震的国家，相关的人员伤亡和经济损失却控制在较低水平。原因就是日本相关设计方合理利用抗震分析原理，重视建筑的耐震性，建筑抗震性能大幅上升。

工程力学在城市建设最重要的应用方向之一便是如何有效的提升各类建筑的抗震性能。在不同地区需要采用不同的材料构型，并利用仪器模拟相关地震情况，计算相关的弹性阻尼、结构退化指数等来修建满足相应需求的建筑，使得震中的经济损失和伤亡减小到最低。建筑的承重柱等结构中常用腹式型钢混凝土进行支撑，而型钢与混凝土间的粘合强度直接决定其受力抗震性能，这也是一些大型城市建筑能长期使用的重要原因。钢丝网架水泥聚苯乙烯夹芯板具有刚度大、强度大、不易老化的特点，广泛应用于新型墙体的建造，极大增强了建筑的稳定性以及钢丝网架水泥聚苯乙烯夹芯板的应用。正有赖于工程力学的科学运用，建筑物才能够以各种奇稳固的结构屹立在城市之中。建造者们要以严谨的态度，精确计算每个参数，优化每个部件，近一步提升房屋抗震、抗老化的性能。

3 目前工程力学的主要难点和发展方向

随着社会规模的扩大，工程力学逐渐向大型精密项目和多学科交叉的形态发展。海上钻油、海底可燃冰的大量开采、新型航母的研发、载人航天飞机的改良等等，研发设计极为复杂，需要适应种种极端工况，这需要对每个机械部件进行精密的加工、计算，要求其极高的精准作业度，这需要设计者改进甚至提出新的更加具有创新性的方案，以积极开拓和追求极致的精神对待每个工程细节。

与此同时，在新的领域和交叉学科上，工程力学也扮演着不可忽视的地位。生物力学上需要运用流体力学、固体力学等知识制造出相应的器械来精确测量病人的血流速度、血压大小等。将应用数学和工程力学结合，设计出相应的物理模型预测未来实际建筑将受到的力的情况等等。如缺乏将复杂理论转化为实际操作的能力，无法将各个体系的理论有机结合起来，发挥其最大的组合效益，导致各行业间许多学科阻塞，众多项目无法开展，使得这种多学科交叉的发展趋势在现在看来虽然还不是特别明显，但是随着从业人员素质的提升以及交叉学科的逐渐发展，这种结合效应将会带来无限的发展空间。