浅谈工程力学的发展和应用

2021-02-24刘奎昌

建材发展导向 2021年1期

刘奎昌

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

进入到近代社会，在全球发展推动下，工程力学作为一门显学受到了广泛的重视，对于社会发展建设及相关领域的深层次研究都起到了非常好的支持作用。相比较其他学科而言，工程力学具有更加明显的体系性特点，涵盖了各个层面的应用分析。借助于工程力学的研究分析，可以对力学领域的基本规律进行更好的把握，对于指导一线工程建设等都起到了非常好的作用。在当前社会发展当中，相继涌现出了大量的工程力学问题，这对于丰富和深化工程力学学科建设起到了巨大的助力作用。尤其是进入到新的发展阶段，材料力学等的发展更加深入，这些都对工程力学深化研究与深层次应用提出了更高标准要求。

1 关于工程力学的前言分析

在社会快速发展推动下，“力学”逐步成长为一门显学，对于人类社会发展的各个领域都带来了非常深刻的影响，实际应用也深入到每一个角落当中，实际的应用工程主要涵盖了以下领域：交通运输、机械加工、建设施工、石油采挖、水利工程、采矿加工、冶金建设等，这些领域在深化发展与相关建设上，都需要有扎实的工程力学来支撑。正是因为力学影响的复杂性以及对各个领域工程施工建设影响的特殊性，工程与力学的深化研究也成为了知识领域基本的趋势与方向。在不同类型工程井喷式出现的当先，各种工程领域的问题都需要建立在力学的角度上进行研究与解决，力学在发展上不断形成各种新的成果，从而更好的服务于新时期工程建设工作，对于工程设计及工程建设等的理论影响体现到了每一个方面当中。

对于工程力学实际应用领域来看，结构力学是一个最为重要的组成部分，不论是何种类型的工程施工或者其他建设，都需要有基本设计及建造工程结构物的基础性支撑，这些都增加了结构力学新问题的不断出现。尤其进入到新的发展阶段后，各种现代化工程不断增多，涵盖的建设环节越发复杂，技术应用也尤为特殊，要想实现每一个环节切实经得住考验，都需要发挥结构力学的支撑作用，而且对于结构力学的应用标准要求也不断提高。

经过近20年的快速发展，结构力学出现了实质性的发展变化，迎来了结构力学里程碑式的发展。受到了各种因素的推动与影响，电子计算机技术的促进作用表现得尤为明显。截止到目前为止，工程力学在所有学科建设当中，越来越居于核心性的位置，与各个学科都有着不同程度的联系，涉及到了基础性的工程技术领域。工程力学，是一门基础性性非常强的学科，在理论研究上需要不断深化，并且与工程技术的的应用有着直接性的关系。在对工程力学研究上，一般是从“静力学”与“材料力学”这两个基础性层面切入。在当前社会发展建设各个领域当中，工程力学的基础力学定理、力学定律以及典型的力学结论等都得到了非常广泛深入的应用，对于生产建设当中困难问题的解决都带来了非常直接性的影响。

2 工程力学发展及学科组成基本概述

从上世纪20年代初期开始，人类对于力学的研究与相关应用开始活跃起来，首先是土力学的提出，在土力学研究发展上，一大批专家学者做出大量贡献，致力于理论层面的探索研究，对于解决社会发展当中的相关实践问题都起到非常好的作用。当前，岩体力学的应用发展正在进入到高潮期，具体的探索领域也已经从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。岩体力学的提出，与人类社会对资源能源及地表开发等是紧密联系在一起的，也是将工程力学与工程地质学两者相结合下的学科产物。从十九世纪开始，连续体力学致力于从性质上对物体进行研究，例如柱体的稳定性，梁体的刚度与强度，弹性模量以及变形与力之间的关系等，这些研究的深化，极大丰富了人们对于力学学科的基本认识。在连续体力学研究当中，一开始更加倾向于从宏观层面进行分析，注重将理论分析与实验分析相结合，以此来实现对物体性质的更好把握。依托于对质点力学定律的推广逐步发展到对连续体力学定律进行更好的研究，这对于力学学科的丰富发展都起到非常好的保障作用。在第二次工业革命的推动下，上世纪前期，物理学迎来发展的黄金期，得益于现代数学的快速发展，这些都为力学研究深化提供了坚实的基础，由此推动理性力学的出现，在这方面的研究当中，实际取得的成果也非常多，主要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，这些代表性成果的提出，对于后续理性连续体力学新体系的构建与发展夯实了根基。

对于工程力学而言，基本的研究对象非常丰富，重点是围绕质点、质点系和刚体力学展开。所谓的刚体，主要是指一种理想层面的固体物，这种物体在基本形状和大小上表现出了固定的特点，外界的作用力不会对其构成影响，也就是说质点系当中各点之间的距离绝对不变。理论力学发展当中，牛顿定律发挥着基础性的影响，依托于牛顿定律可以对工程技术学科进行非常好的研究。固体力学在应用上涵盖的范围更加广泛，涉及到结构力学、弹性力学、复合材料力学等。在当前复杂的现代建筑工程当中，结构力学及塑性力学、弹性力学等都得到非常广泛的应用，这些都已经成为当前建筑力学的基本组成部分。从上世纪60年代开始，电子计算机技术有了快速发展及广泛应用，这些都为计算力学的发展提供了条件，在现代科学技术发展推动下，概率统计理论等在工程力学上的影响也日渐体现出来，这对于工程力学的发展完善都起到非常好的作用。进入新世纪，在传统力学研究基础及社会发展推动下，近场动力学走上力学舞台，其具有明显的无网格方法和分子动力学等优点，而且还在很大程度上对经典分子动力学方法在实际计算等当中的局限性进行了突破，可以广泛应用到各种不连续力学研究当中，实际覆盖范围相当广泛，包括对金属材料、大分子混凝土、多种复合材料等，在理论研究上也更加深化，例如，在经典的键型近场动力学模型中，近场动力学模型的参考构型和当前构型下图所示。构型中的某个物质点的动力学方程如下所示：

3 新时期工程力学的应用探索

3.1 材料力学

在现代社会发展建设当中，材料力学的应用越来越广泛，常见的有不同机械产品的零部件，复杂建筑工程组成结构甚至包括生活当中最为常见的各种塑造产品等。不论是何种类型的物品，都对稳定性、刚性等提出非常高的要求，这样才能满足相关物品应用的基本需要。例如，常见的铆钉等材料，在变形上属性属于典型的剪切变形，基于这种物品应用的广泛性，需要对其剪切应力进行慎重考虑。对于机械设备基本组成的转动轴等，变形以扭曲变形为主，而梁体结构则是弯曲变形，这些都需要结合实际应用来对变形进行合理性的设计，才能确保在实际应用上既安全又能够满足实际需要。在当前工程建设当中，必须要对材料的特点进行深入分析，才能确保材料实际承载力得到充分体现，例如现代建筑工程，受到冷作硬化的影响，会导致钢筋等其他材料变得更加坚硬，这不仅影响了施工建设的正常进行，还容易导致各种裂缝等翁提的发生，增加了质量安全问题发生的可能性，但是在材料力学知识的指导下，可以使用退火处理技术来部分或全部抵消材料的不利变化。

3.2 固体力学

固体力学的影响非常深刻，不论是参天的高楼大厦还是细微的颗粒，都离不开固体力学的支撑。在现代社会当中，不断增多的复杂建筑工程，越来越先进的战斗舰艇以及用于人们生产生活的房屋桥梁等，都与固体力学有着直接性的联系，在任何结构设计上，都需要从固体力学基本原理及基础理论知识上切入进行研究。固体力学主要是对弹性以及塑性、线性以及非线性问题进行研究。受到以往知识掌握等的影响，在传统的固体力学研究上，都是将研究对象放到均匀连续介质的位置上，在知识不断开阔及社会发展支撑下，当前针对固体力学的研究得到全面深化，尤其是得益于复合材料的大量出现及应用，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。