材料力學(xué)發(fā)展史

1、材料力學(xué)簡史材料力學(xué)簡史材料力學(xué)的萌芽期（17世紀(jì)初）及發(fā)展期（19世紀(jì)初）新世紀(jì)（19世紀(jì)末現(xiàn)在）材料力學(xué)面臨的新挑戰(zhàn)材料力學(xué)是固體力學(xué)中最早發(fā)展起來的一個(gè)分支，它研究材料在外力作用下的力學(xué)性能、變形狀態(tài)和破壞規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)中選用材料和選擇構(gòu)件尺寸提供依據(jù)。在固體力學(xué)各分支中，材料力學(xué)的分析和計(jì)算方法一般說來最為簡單，但材料力學(xué)對于其他分支學(xué)科的發(fā)展起著啟蒙和奠基作用。材料力學(xué)材料力學(xué)(mechanics of materials)(mechanics of materials)作為作為機(jī)械、土木、采礦、航空航天、石油工程、機(jī)械、土木、采礦、航空航天、石油工程、地質(zhì)勘探、海洋工程等領(lǐng)域的基

2、礎(chǔ)學(xué)科，地質(zhì)勘探、海洋工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科，在設(shè)計(jì)、制造與生產(chǎn)、技術(shù)創(chuàng)新、增產(chǎn)措在設(shè)計(jì)、制造與生產(chǎn)、技術(shù)創(chuàng)新、增產(chǎn)措施等方面具有重要的作用，是理工科大專施等方面具有重要的作用，是理工科大專院校相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。院校相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。材料力學(xué)是基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁和材料力學(xué)是基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁和紐帶，起到承上啟下的作用，是幾乎所有紐帶，起到承上啟下的作用，是幾乎所有工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程 。更是力學(xué)專業(yè)的學(xué)。更是力學(xué)專業(yè)的學(xué)生和力學(xué)科學(xué)工作者的基礎(chǔ)。生和力學(xué)科學(xué)工作者的基礎(chǔ)。1638年，舉世聞名的年，舉世聞名的意大利數(shù)學(xué)家，天文意大利數(shù)學(xué)家

3、，天文學(xué)家，力學(xué)家伽里略學(xué)家，力學(xué)家伽里略15641642在荷蘭萊在荷蘭萊登，出版了世界上第登，出版了世界上第一本材料力學(xué)教本一本材料力學(xué)教本兩種新的科學(xué)兩種新的科學(xué)首首先提出了材料的力學(xué)先提出了材料的力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度計(jì)算的方性質(zhì)和強(qiáng)度計(jì)算的方法。人們認(rèn)為，材料法。人們認(rèn)為，材料力學(xué)作為一門學(xué)科，力學(xué)作為一門學(xué)科，就從這里開始。就從這里開始。 材料力學(xué)的發(fā)展材料力學(xué)的發(fā)展但是，任何一門科學(xué)都不可能是個(gè)別人在短期內(nèi)創(chuàng)造出來但是，任何一門科學(xué)都不可能是個(gè)別人在短期內(nèi)創(chuàng)造出來的，而是在幾代人經(jīng)常艱苦探索和創(chuàng)造而逐漸形成的。在的，而是在幾代人經(jīng)常艱苦探索和創(chuàng)造而逐漸形成的。在科學(xué)巨匠達(dá)芬科學(xué)巨匠達(dá)芬奇、

4、伽利略、惠更斯、庫倫、麥克斯韋、奇、伽利略、惠更斯、庫倫、麥克斯韋、歐拉、柯西、湯姆斯歐拉、柯西、湯姆斯楊、伯努利、納維葉、圣維南等人楊、伯努利、納維葉、圣維南等人的努力下，形成了一門系統(tǒng)的科學(xué)。的努力下，形成了一門系統(tǒng)的科學(xué)。泊松泊松圣維南圣維南納維葉納維葉歐拉歐拉在古代建筑中，盡管在古代建筑中，盡管還沒有嚴(yán)格的科學(xué)理還沒有嚴(yán)格的科學(xué)理論，但人們從長期生論，但人們從長期生產(chǎn)實(shí)踐中，對構(gòu)件的產(chǎn)實(shí)踐中，對構(gòu)件的承力情況已有一些定承力情況已有一些定性或較粗淺的定量認(rèn)性或較粗淺的定量認(rèn)識(shí)。例如，從圓木中識(shí)。例如，從圓木中截取矩形截面的木粱，截取矩形截面的木粱，當(dāng)高寬比為當(dāng)高寬比為3：2時(shí)最時(shí)最為經(jīng)濟(jì)

5、，這大體上符為經(jīng)濟(jì)，這大體上符合現(xiàn)代材料力學(xué)的基合現(xiàn)代材料力學(xué)的基本原理。本原理。早期的材料力學(xué)是以木材、石頭等脆性材早期的材料力學(xué)是以木材、石頭等脆性材料為研究主題，由于其變形很小，所以不料為研究主題，由于其變形很小，所以不可避免地具有很大的局限性。隨著工業(yè)的可避免地具有很大的局限性。隨著工業(yè)的發(fā)展，在車輛、船舶、機(jī)械和大型建筑工發(fā)展，在車輛、船舶、機(jī)械和大型建筑工程的建造中所碰到的問題日益復(fù)雜，單憑程的建造中所碰到的問題日益復(fù)雜，單憑經(jīng)驗(yàn)已無法解決，這樣，在對構(gòu)件強(qiáng)度和經(jīng)驗(yàn)已無法解決，這樣，在對構(gòu)件強(qiáng)度和剛度長期定量研究的基礎(chǔ)上逐漸形成了材剛度長期定量研究的基礎(chǔ)上逐漸形成了材料力學(xué)?，F(xiàn)在國

6、內(nèi)外流行的材料力學(xué)是在料力學(xué)?，F(xiàn)在國內(nèi)外流行的材料力學(xué)是在20世紀(jì)世紀(jì)50年代引用前蘇聯(lián)的教材和教學(xué)模年代引用前蘇聯(lián)的教材和教學(xué)模式的基礎(chǔ)上建立起來的。式的基礎(chǔ)上建立起來的。材料力學(xué)是一門古老的學(xué)科，在材料力學(xué)是一門古老的學(xué)科，在19世紀(jì)中葉材世紀(jì)中葉材料力學(xué)發(fā)展到了鼎盛時(shí)期，有關(guān)材料力學(xué)中的料力學(xué)發(fā)展到了鼎盛時(shí)期，有關(guān)材料力學(xué)中的幾個(gè)重要的問題和概念也在這段時(shí)期提出的。幾個(gè)重要的問題和概念也在這段時(shí)期提出的。彎曲彎曲扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定穩(wěn)定強(qiáng)度強(qiáng)度拉伸拉伸材料力學(xué)材料力學(xué)1 桿件的拉伸問題桿件的拉伸問題 意大利科學(xué)家伽利略（Galileo）在關(guān)于力學(xué)和局部運(yùn)動(dòng)的兩門新科學(xué)的對話和數(shù)學(xué)證明的書中嘗試用

7、科學(xué)的解析方法確定構(gòu)件的尺寸，討論的第一問題是直桿軸向拉伸問題，得到承載能力與橫截面積成正比而與長度無關(guān)的正確結(jié)論。 2 梁的彎曲問題梁的彎曲問題 在關(guān)于力學(xué)和局部運(yùn)動(dòng)的兩門新科學(xué)的對話和數(shù)學(xué)證明一書中，伽利略討論的第二個(gè)問題是梁的彎曲強(qiáng)度問題。對于空心梁承載能力，他說，空心梁“能大大提高強(qiáng)度而無需增加重量，所以在技術(shù)上得到廣泛的應(yīng)用。在自然界就更為普遍了。這樣的例子在鳥類的骨骼和各種蘆葦中可以看到，它們既輕巧，而又對彎曲和斷裂具有相當(dāng)高的抵抗能力”。 1826年納維（Navier，C. L. M. H）才在他的材料力學(xué)講義中給出正確的結(jié)論：中性層過橫截面的形心。平截面假設(shè)是材料力學(xué)計(jì)算理論的

8、重要基礎(chǔ)之一。雅科布伯努利于1695年提出了梁彎曲的平截面假設(shè)，由此可以證明梁（中性層）的曲率和彎矩成正比。此外他還得到了梁的撓曲線微分方程。梁的變形計(jì)算問題，早在13世紀(jì)納莫爾（Nemore J de）已經(jīng)提出。俄羅斯鐵路工程師儒拉夫斯基于1855年得到橫力彎曲時(shí)的切應(yīng)力公式。30年后，他的同胞別斯帕羅夫開始使用彎矩圖，被認(rèn)為是歷史上第一個(gè)使用彎矩圖的人。 3 關(guān)于桿件扭轉(zhuǎn)問題關(guān)于桿件扭轉(zhuǎn)問題 對于圓軸扭轉(zhuǎn)問題，可以認(rèn)為法國科學(xué)家?guī)靵觯–oulomb C A de）分別于1777年和1784年發(fā)表的兩篇論文是具有開創(chuàng)意義的工作。法國力學(xué)家圣維南（Saint-Venant B de）于19世紀(jì)

9、中葉運(yùn)用彈性力學(xué)方法奠定了柱體扭轉(zhuǎn)理論研究的基礎(chǔ)，因而學(xué)術(shù)界習(xí)慣將柱體扭轉(zhuǎn)問題稱為圣維南問題。4 關(guān)于壓桿穩(wěn)定問題關(guān)于壓桿穩(wěn)定問題 壓桿在工程實(shí)際中到處可見，早在文藝復(fù)興時(shí)期，偉大的藝術(shù)家、科學(xué)家和工程師達(dá)芬奇對壓桿做了一些開拓性的研究工作。眾所周知，細(xì)長桿壓曲載荷公式是數(shù)學(xué)家歐拉首先導(dǎo)出的。5 疲勞強(qiáng)度問題疲勞強(qiáng)度問題 隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力，稱為交變應(yīng)力。構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)發(fā)生的破壞，稱為疲勞破壞。1839年巴黎大學(xué)教授龐賽洛特（Pancelet J U）在講課中首先使用了金屬疲勞的概念。在歷史上那些偉大的科學(xué)家的貢獻(xiàn)之上，近代材料力學(xué)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。起源于德國的

10、哥廷根學(xué)派，在克萊因（Klein, F.）和希爾伯特（Hilber, D.）的推動(dòng)下，形成了以普朗特（Prandtl, L.）為首的近代應(yīng)用力學(xué)學(xué)派。在哥廷根大學(xué)，普朗特培養(yǎng)出了一大批的力學(xué)大師，如馮 卡門、鐵摩辛柯、希爾、德魯克、普拉格、那戴、鄧哈托等都是哥廷根學(xué)派的杰出代表。而在華裔力學(xué)家中，也有大量的杰出人物，例如應(yīng)用而在華裔力學(xué)家中，也有大量的杰出人物，例如應(yīng)用數(shù)學(xué)家林家翹、被譽(yù)為數(shù)學(xué)家林家翹、被譽(yù)為“生物力學(xué)之父生物力學(xué)之父”的馮元楨、的馮元楨、計(jì)算力學(xué)家卞學(xué)璜、流體力學(xué)家吳耀祖、計(jì)算力學(xué)家卞學(xué)璜、流體力學(xué)家吳耀祖、“預(yù)應(yīng)力之預(yù)應(yīng)力之父父”林同炎等。我國的應(yīng)用力學(xué)的源頭也在哥廷根，林

11、同炎等。我國的應(yīng)用力學(xué)的源頭也在哥廷根，其代表人物有錢學(xué)森、錢偉長、周培源、郭永懷、張其代表人物有錢學(xué)森、錢偉長、周培源、郭永懷、張維、錢令希、胡海昌、陸士嘉等。維、錢令希、胡海昌、陸士嘉等。周培源錢偉長錢學(xué)森材料力學(xué)面臨的新挑戰(zhàn)材料力學(xué)面臨的新挑戰(zhàn)自20世紀(jì)50年代以來，大量的新材料不斷從軍工與高科技領(lǐng)域擴(kuò)展到許多工業(yè)部門。這些材料，例如復(fù)合材料、高分子材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、智能材料等大量使用，大大減輕了結(jié)構(gòu)的重量，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和壽命。但是經(jīng)典的基于胡克定律的線彈性小變形本構(gòu)關(guān)系已經(jīng)無法描述上述材料的響應(yīng)，例如：航空領(lǐng)域大量采用的纖維或者顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料本身為各向異性；工程中大量含有裂紋的材料

12、已非均勻連續(xù)；高分子材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是與時(shí)間相關(guān)的，且大都為非線性；新型的“軟物質(zhì)”材料是介于固體與流體之間的特殊的“復(fù)雜流體”，還沒有恰當(dāng)?shù)谋緲?gòu)關(guān)系；碳納米管（CNT）和其它生物材料具有反常的“負(fù)泊松比”效應(yīng)；生物體中的某些材料其“零應(yīng)力”點(diǎn)并非為其初始狀態(tài)；細(xì)胞粘附時(shí)需要考慮其它的“非經(jīng)典力”，如毛細(xì)力、范德華力的影響。這些現(xiàn)象都說明，新的材料力學(xué)教材必須包含以上各種新的現(xiàn)象，例如非均勻、各向異性、非線性、時(shí)間相關(guān)等因素。材料力學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐材料力學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐人類歷史有多久，力學(xué)的歷史就有多久。人類歷史有多久，力學(xué)的歷史就有多久?！傲αΑ笔侨祟悓ψ匀坏氖∥颉Ｊ侨祟悓ψ匀坏氖∥?。 公元卅一年

13、，即公元卅一年，即東漢建武七年，東漢建武七年，杜詩創(chuàng)作了水排，杜詩創(chuàng)作了水排，表明人們已經(jīng)很表明人們已經(jīng)很清楚地知道如何清楚地知道如何用拉壓桿、彎曲用拉壓桿、彎曲梁、扭轉(zhuǎn)軸等構(gòu)梁、扭轉(zhuǎn)軸等構(gòu)件才能創(chuàng)造出一件才能創(chuàng)造出一個(gè)完整的工程結(jié)個(gè)完整的工程結(jié)構(gòu)。構(gòu)。在我國，有關(guān)材料力學(xué)的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)更是源遠(yuǎn)流長。早在春秋戰(zhàn)國時(shí)代，人們已經(jīng)知道怎樣建造大型的建筑工程和水利工程。雄偉壯觀的萬里長城，顯示了中華民族的智慧和魄力。馳名中外的都江堰至今仍造福于川西人民； 公元600年前后，隋大業(yè)年間，出色的工匠李春利用石料耐壓不耐拉的特性，主持建造了跨長37.37米，拱圈矢高為7.23米的拱橋，跨越河北趙縣的洨河上

14、，稱為安濟(jì)橋，俗稱趙州橋。在國際橋梁史上，它的設(shè)計(jì)與工藝之新為當(dāng)時(shí)世界之冠。主拱上的小拱不僅便于排水，而且表明工匠李春對節(jié)省材料，減輕自身重量的效應(yīng)已有清楚的認(rèn)識(shí)。 趙州橋趙州橋10561056年用純木結(jié)構(gòu)建造的山西應(yīng)縣木塔年用純木結(jié)構(gòu)建造的山西應(yīng)縣木塔巧奪天工的梁柱結(jié)構(gòu)巧奪天工的梁柱結(jié)構(gòu)這是北這是北京天壇的祈年殿京天壇的祈年殿水立方（采用薄膜結(jié)構(gòu)，空間鋼架的結(jié)構(gòu)水立方（采用薄膜結(jié)構(gòu)，空間鋼架的結(jié)構(gòu) ）國家體育館國家體育館鳥鳥巢（鋼結(jié)構(gòu)主體）巢（鋼結(jié)構(gòu)主體）神舟七號(hào)及其宇航服神舟七號(hào)及其宇航服（國產(chǎn)）大飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)（國產(chǎn)）大飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)一直發(fā)展至今，材料力學(xué)承擔(dān)著：將工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械中的簡單構(gòu)件簡化為一維桿件，計(jì)算桿中的應(yīng)力、變形并研究桿的穩(wěn)定性，以保證結(jié)構(gòu)能承受預(yù)定的載荷；選擇適當(dāng)?shù)牟牧?、截面形狀和尺寸，以便設(shè)計(jì)出既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和機(jī)械零件的基本任務(wù)。對社會(huì)發(fā)展有著不