【優(yōu)秀畢設(shè)】對工程力學的認識和未來規(guī)劃

1、對工程力學的認識和未來規(guī)劃 從拿到通知書的那天氣，我便與工程力學結(jié)緣。大一來的第一個學期，也并 沒有真正接觸到工程力學， 在這個學期快要結(jié)束的時候， 工程力學概論這門課也 許才是讓我真正接觸到工程力學。 而之后的三年， 或許是之后的幾十年， 我都會 離不開工程力學。力學，最開始給我的感覺就是物理，高中一直覺得物理是一門比較難學的課 程，但一直也學得還行吧。到了大學，才知道，力學也是一門單獨的學科。力學 座位一門學科應該從牛頓時代算起。 它和天文學一起是最早行程的兩門自然科學。 到 19 世紀末，力學已發(fā)展到很高的水平。當時的力學主要以比較理想的模型為 對象，建立起了相當完善的普適的理論體系，

2、同時也開始了與工程技術(shù)問題的結(jié) 合。 20 世紀后，力學的研究對象已不再限于理想模型，而更多地與自然界和工 程技術(shù)中必然遇到的復雜介質(zhì)或系統(tǒng)為對象， 建立各種力學模型， 并且在解決問 題過程中形成了更多的力學分支。 這樣既豐富了力學體系， 也是力學成為眾多工 程和技術(shù)科學的重要基礎(chǔ)。這些，對人類文明起了極大的推動作用。工程力學，意味著我們在這里所說力學和工程是分不開的， 力學與土木工程、 機械工程、航空航天工程、水利工程、船舶工程、能源工程、化工和生物醫(yī)學工 程等都有很大的聯(lián)系。在土木工程方面，力學有著廣泛的應用。力學是一門既屬于自然科學也屬于 工程科學的科學，它的基礎(chǔ)性和應用性同樣鮮明。雖然

3、人們早就會建造房屋了， 但直到掌握了豐富的力學知識以后， 才有可能建造摩天大樓、 跨海大橋、 地鐵以 及海底隧道等等。 而土木工程是應用力學知識最多的工程領(lǐng)域之一。 不少力學工 作者吧自己的研究重點放在土木工程領(lǐng)域； 另一方面，大量土木工程學者在從事 著力學研究。力學與土木工程的一個結(jié)合點是結(jié)構(gòu)分析。最早嘗試用力學分析的方法來求構(gòu)件的經(jīng)濟安全尺寸是從 17 世紀開始的。 著名力學家伽利略、 胡克以及提出理想氣體公式的物理學家馬略特都對梁的變形 和抗彎強度做過研究。無論多么復雜的結(jié)構(gòu)，總是有一些基本構(gòu)件組成的。這些基本構(gòu)件包括梁、 柱、板、殼、拱、桁架、懸索和膜等等。許多學者致力于建立這些基本構(gòu)

4、件的力 學模型以分析其變形和受力特性。 相應地，形成了諸如“材料力學”、“板殼力學” 和“結(jié)構(gòu)力學”等力學的分支學科。又來對于基本構(gòu)件的力學分析，再加上土木 工程師的巧妙應用， 各種各樣的摩天大樓和跨海大橋才得以建成。 從某種角度來 說，現(xiàn)代大型結(jié)構(gòu)物的建造就是建立在對這些基本構(gòu)件的力學分析的基礎(chǔ)上的。在機械工程放方面，機械與力學也有著不解之緣。按照機械學的定義，把哥 哥組成部分具有一定相對運動的裝置成為機構(gòu)， 而把執(zhí)行規(guī)定運動以轉(zhuǎn)換、 傳遞 或利用機械能的機構(gòu)成為機器， 通常又把機構(gòu)與機器統(tǒng)稱為機械。 在各種各樣的 機械設(shè)備的設(shè)計、 制造和運行控制過程中， 除了需要相關(guān)的專業(yè)理論之外， 還可

5、 能涉及物理學、化學、數(shù)學、材料學、機械原理、計算機科學和控制論等一系列 相應基礎(chǔ)學科知識； 但是遇到了機械結(jié)構(gòu)或零部件的強度、 剛度、穩(wěn)定性以及震 動方面的問題，就必須借助力學研究分析、力學實驗和計算來解決。在固體力學領(lǐng)域中，有一個研究含裂紋物體的強度和裂紋擴展規(guī)律的分支， 稱為斷裂力學。它對機械結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強度分析十分重要。在機械工程設(shè)計中， 必須從斷裂力學準則出發(fā)， 考慮這些缺陷或裂紋的存在和擴展對安全運行和使用 壽命的影響， 并提出評定這些影響的安全判據(jù)和應對措施。 力學實驗是強度分析 中的重要手段。 當設(shè)計的新產(chǎn)品需要確定設(shè)計方案時， 可利用模型試驗， 選取較 優(yōu)設(shè)計方案，并對眼設(shè)計

6、方案提出改進， 為降低應力集中因數(shù)等提供必要的根據(jù)。 同時在研究剛度和穩(wěn)定性問題， 振動問題， 內(nèi)燃機的強度與振動等等有關(guān)機械的 問題中，力學都十分重要。在力學與航空航天工程方面，力學的作用也體現(xiàn)得相當明顯。航空航天工程 綜合了科學技術(shù)的最新最高成就， 是一個國家科技實力和國防現(xiàn)代化的重要標志 之一，它是目前各國爭相發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)， 直接關(guān)系到國家的安全和經(jīng)濟的發(fā) 展。在航空工業(yè)發(fā)展的初期， 從古代人試圖用一雙翅膀像鳥一樣在天空中翱翔一 直到萊特兄弟的飛機試飛成功直到流體力學被提出， 一切都是跟力學有關(guān)的。 再 后來普朗特發(fā)明風洞。 力學過去對航空航天的發(fā)展做出過巨大貢獻， 今后還會起 很大

7、的作用。力學的各個分支學科，入流體力學、固體力學、動力學與控制、流 體與結(jié)構(gòu)的耦合作用、 熱與結(jié)構(gòu)的耦合作用、物理力學以及稀薄氣體東西學等等， 在航空航天工程中都已經(jīng)并且正在發(fā)揮著巨大的作用， 航空航天工業(yè)是在迅速發(fā) 展的領(lǐng)域， 只要研究一種新的飛行器， 就會出現(xiàn)新的力學問題， 需要力學工作者 進一步去研究探索。在水利工程方面，工程力學的不斷提高起了很好的先導和促進作用，做出了 突出的貢獻。 古代就出現(xiàn)了初期的農(nóng)田水利工程、 防洪工程以及航運工程， 而隨 著工業(yè)化的到來以及興水利除水害多目標的近代水利建設(shè)技術(shù)的采用， 掀起了較 大范圍、較大規(guī)模水利工程建設(shè)的熱潮，開創(chuàng)了將水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿乃娛?/p>

8、業(yè)， 人類開始步入大力開發(fā)、利用水資源的階段。在水利工程中水工建筑物的設(shè)計、優(yōu)化和驗證與工程力學的關(guān)系非常密切。 水工建筑物的結(jié)構(gòu)形式、 尺寸、材料、 細部結(jié)構(gòu)和地基處理措施等諸多因素的確 定，水工結(jié)構(gòu)物的應力、變形、沉降、穩(wěn)定性和耐久性等諸方面是否符合要求的 驗證，均得依靠工程力學理論分析、 實驗研究和數(shù)值計算的結(jié)果給出量化的回答。 因此，建筑高標準的水利工程必須具有高水平的工程力學研究手段。水利是人類賴以生存、得以發(fā)展的偉大工程，經(jīng)過適應、改造到綜合利用水 利的各個階段，今天的水利建設(shè)業(yè)已登上“水及于人”和“人及于水”的和諧發(fā) 展的征途。工程力學作為水利工程的一個重要基礎(chǔ)學科，肩負著更多、

9、更大、更 難的攻關(guān)任務。在船舶工程方面， 船舶工程是對力學知識需求最多、 結(jié)合最密切的領(lǐng)域之一。 整個地球表面的總面積約為 51000萬平方公里， 其中海洋江湖的總面積為 36100 萬平方公里，占地球總面積的 70.8%。廣闊的海洋為船舶運輸提供了極為便利的 通道，成為沿岸與跨國運輸?shù)闹饕緩健?研究人類的歷史可以發(fā)現(xiàn)， 船舶也是最 早出現(xiàn)的人類運載工具之一。船舶在海上航行時經(jīng)常遇到大風大浪，如果船舶不具備足夠的穩(wěn)性，就會傾 覆；如果船體結(jié)構(gòu)不具備足夠的強度， 在大風大浪中就會斷裂。 船舶傾覆和斷裂 是船舶在海上可能發(fā)生的兩類最危險的事故， 船舶設(shè)計一定要加以防范措施。 船 舶的性能主要包括

10、浮性、穩(wěn)性、抗沉性、快速性、耐波性和操縱性。預報和改進 船舶性能的主要工具是流體力學。 船舶的強度問題包括斷裂與疲勞、 振動與噪聲 等。預報和改進船舶結(jié)構(gòu)強度的主要理論工具是材料力學、 結(jié)構(gòu)力學、 振動與沖 擊學、斷裂與疲勞理論、 彈塑性力學和板殼力學等， 這些不同的力學學科統(tǒng)稱為 船舶結(jié)構(gòu)力學。 船舶力學的發(fā)展進一步推動了力學學科的發(fā)展， 使之具有更加豐 富的內(nèi)涵。 21 世紀將是海洋的世紀，船舶與海洋工程將會得到更大的發(fā)展。無 論是過去還是將來， 船舶于海洋工程的發(fā)展都離不開力學。 力學基礎(chǔ)知識是從事 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物開發(fā)與使用的必備手段。 在這一領(lǐng)域里， 力學知識有這廣 闊的用武之地

11、。在能源工程方面，也是離不開力學的。能源工業(yè)是重要的基礎(chǔ)工業(yè)，從 20 世紀 80 年代起直至 2010年，它始終是我國有線發(fā)展的工業(yè)部門。 能源工業(yè)的放 大量設(shè)備旺旺具有以下一些特點， 這些特點決定了力學對能源工業(yè)的發(fā)展起著十 分重要的作用。 1）工作條件特別苛刻，往往涉及高溫、高壓、腐蝕介質(zhì)等種種 惡劣的工作條件。 2）許多重要設(shè)備是特大型的復雜結(jié)構(gòu)，而大型化將引起造成 結(jié)構(gòu)破壞的一系列新問題，例如穩(wěn)定性下降、自鎮(zhèn)坪率降低等等。3）裝置中的工作介質(zhì)有不少是易燃、易爆、有腐蝕性、對人體有危害的氣體或液體，在核電 站的一回路系統(tǒng)中還有放射性介質(zhì)。力學對于促進能源工業(yè)發(fā)展起到了巨大的作用。地質(zhì)力

12、學。滲流力學和固體 力學中的柔性梁柱強度、 振動與穩(wěn)定性等力學問題的解決大大促進了石油、 天然 氣的勘察與采集；固體力學對于煤礦的安全開采和海上石油鉆井平臺的安全可靠 性都起到了關(guān)鍵的指導作用： 彈塑性力學與計算力學的發(fā)展， 使復雜的壓力容器 與管道的合理設(shè)計又來可靠的理論依據(jù)， 安全性與經(jīng)濟性這一對矛盾得到了合理 解決。在化工方面，主要是跟流體力學有很大的關(guān)系?；な菄窠?jīng)濟中一個極為 重要的產(chǎn)業(yè)，既提供多種產(chǎn)業(yè)所需的原材料，也提供很多中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品。 在化工生產(chǎn)中涉及到大量的流體力學問題。 所謂化工過程， 廣義上講是指物質(zhì)經(jīng) 受性質(zhì)上變化的過程， 包括物理的和化學的性質(zhì)變化。 它與只有

13、物體形狀和位置 變化的一般機械不同。在化工領(lǐng)域中，大量是涉及到流體運動的問題。化工中的流動問題大致有以 下五個特點： 1）化工生產(chǎn)時，物料一般都在流動中； 2）各種化工過程所使用的 化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式既多樣又復雜； 3）流體物料的種類十分廣泛； 4）流動同時 伴有熱量與質(zhì)量的傳遞； 5）流動同時伴有化學反應。通過化工設(shè)備中流體運動規(guī)律的分析、 感光材料涂布流動分析以及聚合物費 牛頓流體顯示的特性等三方面的尸體， 說明對于提高化工部門的產(chǎn)品質(zhì)量、 生產(chǎn) 效率，行程新的生產(chǎn)工藝與相應的設(shè)備等， 流體力學起著十分關(guān)鍵的作用。 而化 工中復雜的流動現(xiàn)象的研究， 又進一步推動了流體力學的一些分支學科，

14、入多相 流、非牛頓流體力學等的發(fā)展。生物醫(yī)學方面，也奇跡般的與力學有著很大的關(guān)系。 力學與生理學、 解剖學、 醫(yī)學、生物學以及它們的邊緣學科生物醫(yī)學等相結(jié)合， 行程了一門力學與生命科 學的交叉學科生物力學。生物力學幫助我們了解生命，啟發(fā)我們觀察自然， 設(shè)計和創(chuàng)造各種設(shè)備以該上我們的生活質(zhì)量。 在臨床診斷與治療的過程中， 醫(yī)生 們不斷地提出各種各樣u力學相關(guān)的問題，諸如人體各類組織的特性，各器官的 結(jié)構(gòu)與功能， 血液和體液的成分與流動、 交換規(guī)律以及與人體疾病、 保健和修復 有關(guān)的眾多力學問題。 固體力學和流體力學的一般規(guī)律與研究方法為解決這些問 題開辟了途徑， 并逐漸地形成了生物力學這一力學的

15、分支學科。 生物力學的發(fā)展 又促進了對人體各種疾病的防治與器官的修復。 、生物力學的研究應用領(lǐng)域日益寬廣，涉及了跨學科、技術(shù)較差、基礎(chǔ)性和應 用性并重的許多領(lǐng)域。 在競技和體育方面， 特意飛行方面， 和生物組織的生長方 面，都跟力學知識有關(guān)。 而在人體中，很多地方都跟力學知識有關(guān)， 骨骼、肌肉、 皮膚等等， 都是帶有力學性能的。 包括心臟、 血管以及血管系統(tǒng)中的血液流動也 和力學有關(guān)，比如有血液動力學、脈搏波與波動力學等等。力學在醫(yī)學的很多方面具有極其重要的地位， 并已經(jīng)獲得了廣泛而又成功的 應用；同時， 在生命科學中尚有大量的力學問題有待解決。 生物力學不僅在醫(yī)學 中具有重要的應用價值， 孩

16、子啊生物工程和放生科學等領(lǐng)域中有著廣闊的研究和 應用前景。力學不僅與各種工程類學科關(guān)系非常密切，同時也包含不少數(shù)學等知識。力 學的發(fā)展與數(shù)學物理方法的發(fā)展兩者之間具有深刻的內(nèi)在聯(lián)系。 建立描述問題的 基本數(shù)學方程是研究的第一步， 以下則是對所建立的方程求解。 當力學問題的基 本數(shù)學方程建立以后， 就需要尋找有效的求解方法， 并結(jié)合具體工程問題加以應 用，這是力學工作者長期研究的內(nèi)容。 在計算機問世以前， 力學基本方程求解只 能靠解析方法， 數(shù)學家與力學家通力合作， 對力學問題的數(shù)學方程進行求解， 既 發(fā)展了力學理論也豐富了數(shù)理方法。 然而實際問題中能夠用解析方法求解的問題 是十分有限的，因此也就使工程師與力學家們努力對計算中的數(shù)學模型進行簡化， 并提出了包括近似方法在內(nèi)的多種求解手段， 其中許多方法仍指引著當前的計算 方法與數(shù)學模型方面的研究。而 20 世紀 40 年代后，隨著計算機的問世，各種適合計算機計算的力學分析 方法相繼出現(xiàn)，打破了計算的“瓶頸”