工程力學(xué)chapter

1、1Chapter 1 IntroductionDefinition of MechanicsRelations of mechanics with engineeringDevelopment and characteristics of modern mechanicsClassification of mechanicsForce and motionGeneral study methodMethodology of static mechanics in engineering2Mechanics is the branch of physics concerned with the

2、behavior of physical bodies when subjected to forces or displacements, and the subsequent effect of the bodies on their environment. 。所闡述的規(guī)律帶有普遍性，是一門所闡述的規(guī)律帶有普遍性，是一門基礎(chǔ)科學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)。 直接服務(wù)于工程直接服務(wù)于工程, ,又是一門又是一門技術(shù)科學(xué)技術(shù)科學(xué)。 Definition of mechanicsMechanics is a fundamental theory for all branches in technology and

3、 engineering sciences and is a bridge to connect the fundamental theory of natural science with the practice of engineering. 3Its mission is: to understand characteristics engineering systems and to provide the corresponding design with rational rules.Definition of engineering mechanics: It is a sci

4、ence to apply the principle of mechanics to practical engineering systems.機(jī)械、結(jié)構(gòu)等機(jī)械、結(jié)構(gòu)等 受力如何？強(qiáng)度？受力如何？強(qiáng)度？ 如何運動？如何運動？ 如何變形？破壞？如何變形？破壞？ 如何控制設(shè)計？如何控制設(shè)計？其目的目的是： 了解工程系統(tǒng)的性態(tài)了解工程系統(tǒng)的性態(tài) 并為其設(shè)計提供合理的規(guī)則并為其設(shè)計提供合理的規(guī)則。性態(tài)性態(tài)規(guī)則規(guī)則4以力學(xué)與航空航天工程為例簡單回顧。以力學(xué)與航空航天工程為例簡單回顧。Relation of mechanics with engineering5Question 1: How to f

5、ly6The flight principle of aerostatics (air balloon, airship)17831783年年6 6月，法蒙高兄弟布袋式熱氣球飛行。月，法蒙高兄弟布袋式熱氣球飛行。18751875年，氫氣球載人飛行到萬米高空。年，氫氣球載人飛行到萬米高空。1919世紀(jì)后，出現(xiàn)了飛艇。世紀(jì)后，出現(xiàn)了飛艇。 充填氫、氦、熱空氣等產(chǎn)生升力，充填氫、氦、熱空氣等產(chǎn)生升力， 用動力裝置輔助控制用動力裝置輔助控制, , 可以向任意方向飛行?？梢韵蛉我夥较蝻w行。：The flight principle of aerodynamics 719031903年，應(yīng)用空氣動力學(xué)，年

6、，應(yīng)用空氣動力學(xué)， 萊特兄弟（美萊特兄弟（美國）的木制機(jī)身、雙層帆布機(jī)翼螺旋槳飛機(jī)國）的木制機(jī)身、雙層帆布機(jī)翼螺旋槳飛機(jī)第一次飛行。第一次飛行。8Aerodynamic test of plane models in air tunnel 9Question 3: How to satisfy the requirements of safety for the structure of an aircraft.Question 2: How to fly (development of aerodynamic)飛行力學(xué)飛行力學(xué) 無缺陷均勻材料，無缺陷均勻材料， Object Object 變

7、形體。變形體。研究對象研究對象Associated discipline10Static strength experiment of airframe structure (airfoil)11Static strength experiment of airframe structure12Influence of defects in materials, Influence of loading variation. Fracture mechanics-considering the effects of defects and flaws included in materials

8、Mechanics of fatigue: considering the effects of cyclic loading on ductile materials.13Question 4: How to let people boarding on an plane to feel comfortableFactors: Vibration and noise control, stability and maneuverability跨、超音速空氣動力學(xué)跨、超音速空氣動力學(xué)噴氣機(jī)、后掠翼、復(fù)合材料噴氣機(jī)、后掠翼、復(fù)合材料理論力學(xué)理論力學(xué)飛行力學(xué)飛行力學(xué)振動振動 噪聲噪聲；穩(wěn)定性穩(wěn)定性

9、材料力學(xué)材料力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)彈性力學(xué)彈性力學(xué)計算力學(xué)計算力學(xué)疲勞力學(xué)疲勞力學(xué)斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)空氣動力學(xué)空氣動力學(xué)雙、單翼機(jī)雙、單翼機(jī)氣球、飛艇氣球、飛艇流體力學(xué)流體力學(xué)實驗實驗力學(xué)力學(xué)14Example of structural failure15 軸軸(shaft) 葉輪葉輪(impeller) 疲勞斷裂破壞疲勞斷裂破壞(fatigue and fracture failure)16 轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)子軸(shaft) 疲勞開裂疲勞開裂(fatigue fracture) 疲勞斷裂破壞疲勞斷裂破壞(fatigue and fracture failure)17182000年年8月月27日下午日

10、下午3時時20分，臺灣南部高屏大橋斷裂分，臺灣南部高屏大橋斷裂，大橋中間下陷部分長達(dá)，大橋中間下陷部分長達(dá)100米。米。17輛車墜河，輛車墜河，22人人受傷。受傷。 采沙過度，河面沉降采沙過度，河面沉降10余米，橋墩先斷裂。余米，橋墩先斷裂。Breakage of Kaoping bridge in southern Taiwan19地面鐵條使地面鐵條使輪胎爆裂，輪胎爆裂，碎片侵入發(fā)碎片侵入發(fā)動機(jī)。動機(jī)。The crash of a French Supersonic Concord jet20Car crash test 21Controlled exploding of architect

11、ure 22The Oriental Pearl TV tower23Model experiment of anti-seismic24材料與對象材料與對象：Materials and objects金屬、土木石等 新型復(fù)合材料、高分子材料、 結(jié)構(gòu)陶瓷、功能材料。尺度尺度：Scale宏觀、連續(xù)體 含缺陷體， 細(xì)、微觀、納米尺度。實驗技術(shù)實驗技術(shù)：Experimental Technology 電、光測實驗技術(shù)電、光測實驗技術(shù) 全息、超聲、光纖測量，全息、超聲、光纖測量， 及實驗裝置的大型化。及實驗裝置的大型化。Development and characteristics of modern

12、 mechanics25靜強(qiáng)度、靜強(qiáng)度、 斷裂控制設(shè)計、抗疲勞設(shè)計、斷裂控制設(shè)計、抗疲勞設(shè)計、剛度設(shè)計剛度設(shè)計 損傷容限設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、損傷容限設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、 耐久性設(shè)計和可靠性設(shè)計等。耐久性設(shè)計和可靠性設(shè)計等。保證結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的安全和功能保證結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的安全和功能 設(shè)計設(shè)計- -制造制造- -使用使用- -維護(hù)的綜合分析與控制，維護(hù)的綜合分析與控制， 功能功能安全安全經(jīng)濟(jì)的綜合性評價，經(jīng)濟(jì)的綜合性評價， 自感知、自激勵、自適應(yīng)自感知、自激勵、自適應(yīng) （甚至自診斷、自修復(fù)）的智能結(jié)構(gòu)。（甚至自診斷、自修復(fù)）的智能結(jié)構(gòu)。Design rulesGoal of design26Comput

13、er applications:Material design:Incorporating the modern computer and information technologies, as well as other technological disciplines into mechanics. 應(yīng)用現(xiàn)代計算機(jī)、信息技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)代計算機(jī)、信息技術(shù)， 與其他基礎(chǔ)或技術(shù)學(xué)科相互結(jié)合與滲透。與其他基礎(chǔ)或技術(shù)學(xué)科相互結(jié)合與滲透。：按所要求的性能設(shè)計材料。按所要求的性能設(shè)計材料。( (90年代年代) )：計算力學(xué)計算力學(xué)+ +計算機(jī)應(yīng)用計算機(jī)應(yīng)用 ( (60年代年代) ) 解決復(fù)雜、解決復(fù)雜、

14、 困難的工程實際問題困難的工程實際問題。使工程結(jié)構(gòu)分析技術(shù)；（結(jié)合使工程結(jié)構(gòu)分析技術(shù)；（結(jié)合CADCAD技術(shù)）技術(shù)） 監(jiān)測、控制技術(shù)（如振動監(jiān)測、故障診斷）；監(jiān)測、控制技術(shù)（如振動監(jiān)測、故障診斷）； 工程系統(tǒng)動態(tài)過程的計算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)；工程系統(tǒng)動態(tài)過程的計算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)； 廣泛應(yīng)用至各工程領(lǐng)域。廣泛應(yīng)用至各工程領(lǐng)域。Characteristics of modern mechanics279090年代開始，力學(xué)與材料、控制（包括傳感與激年代開始，力學(xué)與材料、控制（包括傳感與激勵）、計算機(jī)相結(jié)合，研究發(fā)展面向勵）、計算機(jī)相結(jié)合，研究發(fā)展面向2121世紀(jì)的、世紀(jì)的、具有具有“活活”的功能的智能

15、結(jié)構(gòu)的功能的智能結(jié)構(gòu)。生物材料力學(xué)性能、微循環(huán)、定量生理學(xué)、心血生物材料力學(xué)性能、微循環(huán)、定量生理學(xué)、心血管系統(tǒng)臨床問題和生物醫(yī)學(xué)工程等。管系統(tǒng)臨床問題和生物醫(yī)學(xué)工程等?！皼]有生物力學(xué)，就不能很好地了解生理學(xué)。沒有生物力學(xué)，就不能很好地了解生理學(xué)?！?。 Intelligent structureBiomechanics28Classifications of mechanicsClassification in terms of motion29Classification in terms of investigation methods ： 。：Classification in term

16、s of research objectsClassification in terms of application30表面力表面力體積力體積力Primary concepts: force and motionSurface forceVolumetric force31是力是力( (力系力系) )作用的結(jié)果。有二種效應(yīng)：作用的結(jié)果。有二種效應(yīng)：（外效應(yīng)）（外效應(yīng)）物體自身形狀的局部畸變。物體自身形狀的局部畸變。 如機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)的變形。如機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)的變形。（內(nèi)效應(yīng)）（內(nèi)效應(yīng)）MotionMotion: external responseDeformation: interior re

17、sponseMotion is a consequence resulted from the action of force (or force system)32是動力學(xué)基本方程動力學(xué)基本方程。 注意 F 、 a 是矢量。maFInvestigating the relation of force with motion (dynamic)Investigating the relation between force and deformation33提出問提出問題，選題，選擇有關(guān)擇有關(guān)的研究的研究系統(tǒng)。系統(tǒng)。對系統(tǒng)對系統(tǒng)進(jìn)行抽進(jìn)行抽象與簡象與簡化，建化，建立力學(xué)立力學(xué)模型。模型。利用力

18、利用力學(xué)原理學(xué)原理進(jìn)行分進(jìn)行分析、推析、推理，得理，得出結(jié)論出結(jié)論與已知與已知結(jié)論相結(jié)論相比較，比較，或由實或由實驗進(jìn)行驗進(jìn)行驗證。驗證。確認(rèn)或確認(rèn)或進(jìn)一步進(jìn)一步改善模改善模型，深型，深化認(rèn)識化認(rèn)識工程力學(xué)解決問題的一般方法，類似于一般科學(xué)工程力學(xué)解決問題的一般方法，類似于一般科學(xué)研究的普遍方法，可歸納為：研究的普遍方法，可歸納為：模型包括材料性能、載荷、約束、幾何形狀等模型包括材料性能、載荷、約束、幾何形狀等Mechanics ModelMechanics Model 真實情況的理想化和簡化。真實情況的理想化和簡化。General study method34變形體模型變形體模型剛體模型剛體

19、模型Deformation modelRigid model35Load model36例如，研究工程構(gòu)件（如桿、梁、軸等）時，例如，研究工程構(gòu)件（如桿、梁、軸等）時， 先將其理想化為先將其理想化為剛體剛體，研究其上的受力和運動；，研究其上的受力和運動；研究不同的問題，采用不同的模型。研究不同的問題，采用不同的模型。 好的模型，既能使問題的求解簡化，好的模型，既能使問題的求解簡化， 又能使結(jié)果基本符合實際情況，滿足精度。又能使結(jié)果基本符合實際情況，滿足精度。To construct a mechanics model is a key step37工程力學(xué)問題工程力學(xué)問題的分析，一般都需要進(jìn)行

20、的分析，一般都需要進(jìn)行 - -力的研究。力的研究。 - -運動和變形的研究。運動和變形的研究。 - -聯(lián)系力與運動、力與變形之關(guān)系的研究。聯(lián)系力與運動、力與變形之關(guān)系的研究。若構(gòu)件處于靜止或平衡狀態(tài)，則不必考慮其運動。若構(gòu)件處于靜止或平衡狀態(tài)，則不必考慮其運動。平衡狀態(tài)的力學(xué)問題平衡狀態(tài)的力學(xué)問題稱為稱為。力的平衡關(guān)系力的平衡關(guān)系、變形的幾何協(xié)調(diào)關(guān)系幾何協(xié)調(diào)關(guān)系 和力與變形間的物理關(guān)系力與變形間的物理關(guān)系。Methodology for engineering staticsEquilibrium condition, compatibility condition of geometric deformation, physical relation between force and deformation 38The geometric compatibility condition of deformationLoading analysis and static equilibrium of forcesWhat kinds of forces is applied to an object. The object should satisfy with what kind of condition