重慶大學(xué)-彈塑性力學(xué)-力學(xué)的應(yīng)用

1、1,力學(xué)及其應(yīng)用概況,李正良,2,力學(xué)的研究內(nèi)容,牛頓運動三定律,速度、加速度,機械運動,相互作用,力,力學(xué)是研究物體宏觀機械運動規(guī)律的一門學(xué)科。,微觀細管宏觀宇觀 跨物質(zhì)尺度的力學(xué)問題是當(dāng)今力學(xué)研究的熱點和難點。,3,要積極參與科學(xué)研究和了解工程技術(shù)?！皢柷堑们迦缧?？為有源頭活水來！”,技術(shù)科學(xué),工程力學(xué),力學(xué)的地位與作用,自然科學(xué),工程技術(shù),牛頓三大定律,復(fù)雜工程結(jié)構(gòu),引橋延伸到何處？,當(dāng)今的工程技術(shù)正在飛速發(fā)展,4,力學(xué)可以根據(jù)物體的形態(tài)分為,空氣動力學(xué)（氣體動力學(xué)、高超聲速空氣動力學(xué)、稀薄空氣動力學(xué)、高溫氣體動力學(xué)、爆炸波理論等） 航天航空領(lǐng)域，現(xiàn)代空氣動力學(xué)的成就讓人驚嘆： 20世

2、紀中葉解決了飛機的“音障”問題，使得超音速飛機成為現(xiàn)實；隨后的“阿波羅登月”工程、宇宙飛船進入太空。 氣象科學(xué)領(lǐng)域，使得天氣預(yù)報的準確率超過90%。 環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，使得大氣污染的擴散過程模擬可能，并應(yīng)用于城市規(guī)劃等領(lǐng)域。 能源科學(xué)領(lǐng)域，使得風(fēng)力發(fā)電成為現(xiàn)實，并應(yīng)用于工業(yè)和民用。 土木工程領(lǐng)域，使得超大跨度橋梁和超高層建筑的風(fēng)荷載計算越來越精確。 .,5,力學(xué)可以根據(jù)物體的形態(tài)分為,固體力學(xué)（材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、板殼理論、損傷與斷裂力學(xué)、巖石力學(xué)） 固體力學(xué)的應(yīng)用更為廣泛！ 流體力學(xué)（水動力學(xué)、流體動力學(xué)、工業(yè)流體力學(xué)、多相流體力學(xué)、湍流理論等） 流體力學(xué)的應(yīng)用也是及其廣泛的

3、，如船舶工業(yè)、海港工程。 力學(xué)與其它學(xué)科的交叉 以及一些交叉學(xué)科形成的力學(xué)，如生物力學(xué)（生物固體力學(xué)、生物流體力學(xué)）、與材料學(xué)科交叉形成的納米力學(xué)，仿生流體力學(xué)、交通流動力學(xué)（元胞自動機方法），植物力學(xué)，爆炸力學(xué)，與計算機與數(shù)值分析形成的計算固體力學(xué)、計算流體力學(xué)、有限元、邊界元、差分法、有限體積法等。 流固耦合問題也是當(dāng)今力學(xué)研究中最具有挑戰(zhàn)性的課題。 上述這些力學(xué)與土木工程是息息相關(guān)的。,6,固體力學(xué)的研究方法,依據(jù)牛頓力學(xué)建立平衡方程 依據(jù)物體的連續(xù)性建立幾何方程 依據(jù)材料的特性建立物理方程 再加上邊界條件（邊值問題或柯西問題） 上述的微分方程及邊界條件就構(gòu)成了完整的數(shù)學(xué)問題。 同時，上

4、述微分方程和邊界條件還可以用廣義變分原理來建立起來。,7,趙州橋（拱結(jié)構(gòu)）,發(fā)揮利用磚石材料抗壓承載能力強、抗拉承載能力弱的特點,8,山西應(yīng)縣木塔（桁架結(jié)構(gòu)）,利用桿件結(jié)構(gòu)軸向承載能力強，抗彎承載能力弱的特點。 木結(jié)構(gòu)中的節(jié)點半剛性連接計算依然是難點問題,9,進入工業(yè)化革命以來，力學(xué)在科技發(fā)展進步過程中發(fā)揮了更加重要的影響作用,10,20世紀以前，推動近代科學(xué)技術(shù)與社會進步的蒸汽機、內(nèi)燃機、鐵路、橋梁、船舶、兵器等，都是在力學(xué)知識的累積、應(yīng)用和完善的基礎(chǔ)上逐漸形成和發(fā)展起來的。,近代力學(xué)的進步,11,代表第一次工業(yè)革命的蒸汽機,12,20世紀以來產(chǎn)生的諸多高新技術(shù)，如高層建筑、大跨度懸索橋、海

5、洋平臺、航空航天器等許多重要工程更是在工程力學(xué)指導(dǎo)下得以實現(xiàn)，并不斷發(fā)展完善的。,13,上海環(huán)球金融中心,RC核心筒+外伸桁架和巨型（型鋼）柱 (三重結(jié)構(gòu)體系)， 101層，高492m，7度抗震設(shè)防,核芯筒,底部剪力墻,14,支撐環(huán)球金融中心的結(jié)構(gòu)體系,15,臺北101,世界第一高層建筑臺北101大廈 及TMD減震裝置,16,世界第一高樓迪班塔,17,橋梁的顫振破壞,18,土木工程最具有挑戰(zhàn)性的研究方向,風(fēng)工程及其難點 Tacoma大橋風(fēng)毀事件震驚了全世界； 柔性結(jié)構(gòu)物與空氣動力的相互作用問題屬于力學(xué)中的世界級難題流固耦合。 風(fēng)工程中解決流固耦合問題的手段是 數(shù)值計算+氣彈性試驗,19,日本明

6、石海峽大橋，跨度：1990米,20,杭州灣跨海大橋（全長36km，2008年通車）,21,海洋鉆井平臺,22,技術(shù)特點： 這些工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計都是基于力學(xué)的理論與模型之上，而不是單靠主觀實踐經(jīng)驗的逐步積累。這體現(xiàn)了現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的趨勢，也進一步突出了工程力學(xué)的重要地位。,23,固體火箭發(fā)動機 殼體 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng) 界面強度 破壞準則 噴管 熱沖擊 結(jié)構(gòu)可靠性,應(yīng)用實例,24,應(yīng)用實例,衛(wèi)星主承力筒與太陽帆板基板 模態(tài)響應(yīng) 屈曲失穩(wěn) 損傷容限 連接強度,25,應(yīng)用實例,可膨脹展開大型空間結(jié)構(gòu) 幾何非線性 剛化與展開動力學(xué) 穩(wěn)定性 防泄露 沖擊,26,應(yīng)用實例,飛船對接 對接位置控制：軌道動力學(xué) 對

7、接姿態(tài)控制：多體動力學(xué) 對接過程控制：碰撞動力學(xué),27,日常中的力學(xué)原理,腳手架中的力學(xué),28,研究對象：,工程中各種各樣的建筑物、機械等都是由若干構(gòu)件 （或零件）按照一定的規(guī)律組合而成的，稱為結(jié)構(gòu)。,構(gòu)件和結(jié)構(gòu)尺寸都是遠大于原子尺度、并且相對于地球靜止或以速度遠小于光速而運動的宏觀物體,-工程力學(xué)的研究對象,工程力學(xué)的研究對象與基本內(nèi)容,29,內(nèi)容三：研究構(gòu)件的強度、剛度和穩(wěn)定性問題，提供有關(guān) 的理論方法和實驗技術(shù)，合理確定構(gòu)件的材料和形狀尺寸， 達到安全經(jīng)濟美觀的要求。,失效：工程構(gòu)件和結(jié)構(gòu)受力作用而喪失正常工作的能力。,保證結(jié)構(gòu)和構(gòu)件正常工作的衡量標準：,不發(fā)生破壞（屈服或斷裂），即具有

8、足夠的強度。 發(fā)生的變形在工程允許的范圍內(nèi)，即具有足夠的剛度。 不喪失原有形狀下的平衡狀態(tài)，即具有足夠的穩(wěn)定性。,30,前起落架鎖連桿 安裝螺栓(銷子)意外斷裂,強度條件：,31,托板與支架要滿足剛度要求,剛度條件：,32,穩(wěn)定性條件：,33,飛機整機靜載試驗,34,汽車的疲勞試驗裝置,35,計算機研究方法 采用計算機模擬以代替理論推導(dǎo)與實驗分析。 在理論分析中，可以利用計算機得到難以推導(dǎo)的公式與解析結(jié)果 在試驗分析中可以利用計算機模擬試驗環(huán)境、選用最佳試驗參數(shù)。,36,非線性固體力學(xué)的應(yīng)用,汽車碰撞過程的計算機分析,37,氣囊保護作用的計算機分析,38,我國的特高壓輸電線路建設(shè),39,輸電塔研究背景,1000kV特高壓交流線路輸電能力強，輸電效益高。不僅可解決長距離、大容量的輸電需要，并可節(jié)約寶貴的輸電資源走廊，提高走廊利用率，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。在風(fēng)、地震及冰災(zāi)作用下倒塔的情況十分嚴重，對人民生活、國民經(jīng)濟造成的不良影響和危