结构力学发展简史.ppt

v 结构力学的研究对象结构力学的研究对象 结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科。所谓工程结构是指能够承受和传递外载律，以及如何进行结构优化的学科。所谓工程结构是指能够承受和传递外载荷的系统，包括杆、板、壳以及它们的组合体，如飞机机身和机翼、桥梁、荷的系统，包括杆、板、壳以及它们的组合体，如飞机机身和机翼、桥梁、屋架和承力墙等。屋架和承力墙等。v 结构力学的任务结构力学的任务 研究在工程结构在外载荷作用下的应力、应变和位移等的规律；分析不研究在工程结构在外载荷作用下的应力、应变和位移等的规律；分析不同形式和不同材料的工程结构，为工程设计提供分析方法和计算公式；确定同形式和不同材料的工程结构，为工程设计提供分析方法和计算公式；确定工程结构承受和传递外力的能力；研究和发展新型工程结构。工程结构承受和传递外力的能力；研究和发展新型工程结构。v 生物结构的启发生物结构的启发 观察自然界中的天然结构，如植物的根、茎和叶，动物的骨骼，蛋类的外观察自然界中的天然结构，如植物的根、茎和叶，动物的骨骼，蛋类的外壳，鸟类的翅膀，可以发现它们的强度和刚度不仅与材料有关，而且和它们壳，鸟类的翅膀，可以发现它们的强度和刚度不仅与材料有关，而且和它们的造型有密切的关系，很多工程结构就是受到天然结构的启发而创制出来的。的造型有密切的关系，很多工程结构就是受到天然结构的启发而创制出来的。结构设计不仅要考虑结构的强度和刚度，还要做到用料省、重量轻减轻重结构设计不仅要考虑结构的强度和刚度，还要做到用料省、重量轻减轻重量对某些工程尤为重要，如减轻飞机的重量就可以使飞机航程远、上升快、量对某些工程尤为重要，如减轻飞机的重量就可以使飞机航程远、上升快、速度大、能耗低。速度大、能耗低。v 结构力学的发展简史结构力学的发展简史 人类在远古时代就开始制造各种器物，如弓箭、房屋、舟楫以及乐器人类在远古时代就开始制造各种器物，如弓箭、房屋、舟楫以及乐器等，这些都是简单的结构。随着社会的进步，人们对于结构设计的规律以等，这些都是简单的结构。随着社会的进步，人们对于结构设计的规律以及结构的强度和刚度逐渐有了认识，并且积累了经验，这表现在古代建筑及结构的强度和刚度逐渐有了认识，并且积累了经验，这表现在古代建筑的辉煌成就中，如埃及的金字塔，中国的万里长城、赵州安济桥、北京故的辉煌成就中，如埃及的金字塔，中国的万里长城、赵州安济桥、北京故宫等等。尽管在这些结构中隐含有力学的知识，但并没有形成一门学科。宫等等。尽管在这些结构中隐含有力学的知识，但并没有形成一门学科。v 工业革命的推动工业革命的推动 就基本原理和方法而言，结构力学是与理论力学、材料力学同时发展起来的。就基本原理和方法而言，结构力学是与理论力学、材料力学同时发展起来的。所以结构力学在发展的初期是与理论力学和材料力学融合在一起的。到所以结构力学在发展的初期是与理论力学和材料力学融合在一起的。到19世纪世纪初，由于工业的发展，人们开始设计各种大规模的工程结构，对于这些结构的初，由于工业的发展，人们开始设计各种大规模的工程结构，对于这些结构的设计，要作较精确的分析和计算。因此，工程结构的分析理论和分析方法开始设计，要作较精确的分析和计算。因此，工程结构的分析理论和分析方法开始独立出来，到独立出来，到19世纪中叶，结构力学开始成为一门独立的学科。世纪中叶，结构力学开始成为一门独立的学科。1919世纪中出现了许多结构力学的计算理论和方法。法国的世纪中出现了许多结构力学的计算理论和方法。法国的纳维纳维于于18261826年年提出了提出了求解静不定结构问题的一般方法求解静不定结构问题的一般方法。从。从1919世纪世纪3030年代起，由于要在桥梁年代起，由于要在桥梁上通过火车，不仅需要考虑上通过火车，不仅需要考虑桥梁承受静载荷桥梁承受静载荷的问题，还必须考虑的问题，还必须考虑承受动载荷承受动载荷的问题，又由于桥梁跨度的增长，出现了的问题，又由于桥梁跨度的增长，出现了金属桁架结构金属桁架结构。从从18471847年开始的数十年间，学者们应用图解法、解析法等来研究静定桁架年开始的数十年间，学者们应用图解法、解析法等来研究静定桁架结构的受力分析，这奠定了桁架理论的基础。结构的受力分析，这奠定了桁架理论的基础。18641864年，英国的年，英国的麦克斯韦创立麦克斯韦创立单位载荷法和位移互等定理，单位载荷法和位移互等定理，并用单位载荷法求出桁架的位移，由此学者们并用单位载荷法求出桁架的位移，由此学者们终于得到了解静不定问题的方法。终于得到了解静不定问题的方法。基本理论建立后，在解决原有结构问题的同时，还不断发展新型结构及其基本理论建立后，在解决原有结构问题的同时，还不断发展新型结构及其相应的理论。相应的理论。19世纪末到世纪末到20世纪初，学者们对船舶结构进行了大量的力学世纪初，学者们对船舶结构进行了大量的力学研究，并研究了可动载荷下的研究，并研究了可动载荷下的粱的动力学理论粱的动力学理论以及以及自由振动和受迫振动自由振动和受迫振动方方面的问题。面的问题。20世纪初，世纪初，航空工程的发展促进航空工程的发展促进了对了对薄壁结构和加劲板壳薄壁结构和加劲板壳的应力和变形分的应力和变形分析，以及对析，以及对稳定性问题稳定性问题的研究。同时的研究。同时桥梁和建筑桥梁和建筑开始大量使用钢筋混凝土开始大量使用钢筋混凝土材料，这就要求科学家们对材料，这就要求科学家们对钢架结构钢架结构进行系统的研究，在进行系统的研究，在1914年德国的年德国的本本迪克森迪克森创立了转角位移法，用以解决创立了转角位移法，用以解决刚架和连续粱刚架和连续粱等问题。等问题。后来，在后来，在2030年代，对复杂的静不定杆系结构提出了一些简易计年代，对复杂的静不定杆系结构提出了一些简易计算方法，使一般的设计人员都可以掌握和使用了。算方法，使一般的设计人员都可以掌握和使用了。到了到了20世纪世纪20年代，人们又提出了年代，人们又提出了蜂窝夹层结构蜂窝夹层结构的设想。根据结构的设想。根据结构的的“极限状态极限状态”这一概念，学者们得出了这一概念，学者们得出了弹性地基上粱、板及刚架弹性地基上粱、板及刚架的设计计算新理论。对承受各种动载荷的设计计算新理论。对承受各种动载荷(特别是特别是地震作用地震作用)的结构的力的结构的力学问题，也在实验和理论方面做了许多研究工作。随着结构力学的学问题，也在实验和理论方面做了许多研究工作。随着结构力学的发展，发展，疲劳问题、断裂问题和复合材料结构问题疲劳问题、断裂问题和复合材料结构问题先后进入结构力学先后进入结构力学的研究领域。的研究领域。20世纪中叶，电子计算机和有限元法的问世使得大型结构的复杂计算成为可能，世纪中叶，电子计算机和有限元法的问世使得大型结构的复杂计算成为可能，从而将结构力学的研究和应用水平提到了一个新的高度。从而将结构力学的研究和应用水平提到了一个新的高度。v 结构力学的学科体系结构力学的学科体系 一般对结构力学可根据其研究性质和对象的不同分为结构静力学、结构动力学、一般对结构力学可根据其研究性质和对象的不同分为结构静力学、结构动力学、结构稳定理论、结构断裂、疲劳理论和杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构结构稳定理论、结构断裂、疲劳理论和杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论等。理论等。v 结构静力学结构静力学 结结构构静静力力学学是是结结构构力力学学中中首首先先发发展展起起来来的的分分支支，它它主主要要研研究究工工程程结结构构在在静静载载荷荷作作用用下下的的弹弹塑塑性性变变形形和和应应力力状状态态，以以及及结结构构优优化化问问题题。静静载载荷荷是是指指不不随随时时间间变变化化的的外外加加载载荷荷，变变化化较较慢慢的的载载荷荷，也也可可近近似似地地看看作作静静载载荷荷。结结构构静静力力学学是是结结构构力力学学其其他他分分支学科的基础。支学科的基础。v 结构动力学结构动力学 结结构构动动力力学学是是研研究究工工程程结结构构在在动动载载荷荷作作用用下下的的响响应应和和性性能能的的分分支支学学科科。动动载载荷荷是是指指随随时时间间而而改改变变的的载载荷荷。在在动动载载荷荷作作用用下下，结结构构内内部部的的应应力力、应应变变及及位位移移也也必必然然是是时时间间的的函函数数。由由于于涉涉及及时时间间因因素素，结结构构动动力力学学的的研研究究内内容容一一般般比比结结构构静静力力学学复复杂杂的的多。多。v 结构稳定理论结构稳定理论 结构稳定理论是研究工程结构稳定性的分支。现代工程中大量使用结构稳定理论是研究工程结构稳定性的分支。现代工程中大量使用细长型和薄型结构，如细杆、薄板和薄壳。它们受压时，会在内部应细长型和薄型结构，如细杆、薄板和薄壳。它们受压时，会在内部应力小于屈服极限的情况下发生失稳力小于屈服极限的情况下发生失稳(皱损或曲屈皱损或曲屈)，即结构产生过大的，即结构产生过大的变形，从而降低以至完全丧失承载能力。大变形还会影响结构设计的变形，从而降低以至完全丧失承载能力。大变形还会影响结构设计的其他要求，例如影响飞行器的空气动力学性能。结构稳定理论中最重其他要求，例如影响飞行器的空气动力学性能。结构稳定理论中最重要的内容是确定结构的失稳临界载荷。要的内容是确定结构的失稳临界载荷。v 结构断裂和疲劳结构断裂和疲劳 结构断裂和疲劳理论是研究因工程结构内部不可避免地存在裂纹，裂纹会结构断裂和疲劳理论是研究因工程结构内部不可避免地存在裂纹，裂纹会在外载荷作用下扩展而引起断裂破坏，也会在幅值较小的交变载荷作用下扩在外载荷作用下扩展而引起断裂破坏，也会在幅值较小的交变载荷作用下扩展而引起疲劳破坏的学科。现在我们对断裂和疲劳的研究历史还不长，还不展而引起疲劳破坏的学科。现在我们对断裂和疲劳的研究历史还不长，还不完善，但断裂和疲劳理论目前得发展很快。完善，但断裂和疲劳理论目前得发展很快。v 三类结构形式三类结构形式 在结构力学对于各种工程结构的理论和实验研究中，针对研究对象还形在结构力学对于各种工程结构的理论和实验研究中，针对研究对象还形成了一些研究领域，这方面主要有杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结成了一些研究领域，这方面主要有杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论三大类。整体结构是用整体原材料，经机械铣切或经化学腐蚀加工构理论三大类。整体结构是用整体原材料，经机械铣切或经化学腐蚀加工而成的结构，它对某些边界条件问题特别适用，常用作变厚度结构。随着而成的结构，它对某些边界条件问题特别适用，常用作变厚度结构。随着科学技术的不断进展，又涌现出许多新型结构，比如科学技术的不断进展，又涌现出许多新型结构，比如20世纪中期出现的夹世纪中期出现的夹层结构和复合材料结构。层结构和复合材料结构。v 结构力学的研究方法结构力学的研究方法 结构力学的研究方法主要有工程结构的使用分析、实验研究、理论分结构力学的研究方法主要有工程结构的使用分析、实验研究、理论分析和计算三种。在结构设计和研究中，这三方面往往是交替进行并且是析和计算三种。在结构设计和研究中，这三方面往往是交替进行并且是相辅相成的进行的。相辅相成的进行的。使用分析就是在结构的使用过程中，对结构中出现的情况进行分析比使用分析就是在结构的使用过程中，对结构中出现的情况进行分析比较和总结，这是易行而又可靠的一种研究手段。使用分析对结构的评价较和总结，这是易行而又可靠的一种研究手段。使用分析对结构的评价和改进起着重要作用。新设计的结构也需要通过使用来检验性能。和改进起着重要作用。新设计的结构也需要通过使用来检验性能。实验研究能为鉴定结构提供重要依据，这也是检验和发展结构力学理论和实验研究能为鉴定结构提供重要依据，这也是检验和发展结构力学理论和计算方法的主要手段。实验研究分为三类：模型实验、真实结构部件实验、计算方法的主要手段。实验研究分为三类：模型实验、真实结构部件实验、真实结构实验。例如，飞机地面破坏实验、飞行实验和汽车的碰撞实验等。真实结构实验。例如，飞机地面破坏实验、飞行实验和汽车的碰撞实验等。结构的力学实验通常要耗费较多的人力、物力和财力，因此只能有限度地结构的力学实验通常要耗费较多的人力、物力和财力，因此只能有限度地进行，特别是在结构设计的初期阶段，一般多依靠对结构部件进行理论分进行，特别是在结构设计的初期阶段，一般多依靠对结构部件进行理论分析和计算。析和计算。在固体力学领域中，材料力学为结构力学的发展提供了必要的基本知识，在固体力学领域中，材料力学为结构力学的发展提供了必要的基本知识，弹性力学和塑性力学又是结构力学的理论基础，另外结构力学还与其它物理弹性力学和塑性力学又是结构力学的理论基础，另外结构力学还与其它物理学科结合形成许多边缘学科，比如流体弹性力学等。学科结合形成许多边缘学科，比如流体弹性力学等。结构力学是一门古老的学科，又是一门迅速发展的学科。新型工程材料和结构力学是一门古老的学科，又是一门迅速发展的学科。新型工程材料和新型工程结构的大量出现，向结构力学提供了新的研究内容并提出新的要求。新型工程结构的大量出现，向结构力学提供了新的研究内容并提出新的要求。计算机的发展，为结构力学提供了有力的计算工具。另一方面，结构力学对计算机的发展，为结构力学提供了有力的计算工具。另一方面，结构力学对数学及其他学科的发展也起了推动作用。有限元法这一数学方法的出现和发数学及其他学科的发展也起了推动作用。有限元法这一数学方法的出现和发展就与结构力学的研究有密切关系。展就与结构力学的研究有密切关系。