淺談工程力學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用

劉奎昌

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

進(jìn)入到近代社會(huì)，在全球發(fā)展推動(dòng)下，工程力學(xué)作為一門顯學(xué)受到了廣泛的重視，對于社會(huì)發(fā)展建設(shè)及相關(guān)領(lǐng)域的深層次研究都起到了非常好的支持作用。相比較其他學(xué)科而言，工程力學(xué)具有更加明顯的體系性特點(diǎn)，涵蓋了各個(gè)層面的應(yīng)用分析。借助于工程力學(xué)的研究分析，可以對力學(xué)領(lǐng)域的基本規(guī)律進(jìn)行更好的把握，對于指導(dǎo)一線工程建設(shè)等都起到了非常好的作用。在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展當(dāng)中，相繼涌現(xiàn)出了大量的工程力學(xué)問題，這對于豐富和深化工程力學(xué)學(xué)科建設(shè)起到了巨大的助力作用。尤其是進(jìn)入到新的發(fā)展階段，材料力學(xué)等的發(fā)展更加深入，這些都對工程力學(xué)深化研究與深層次應(yīng)用提出了更高標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 關(guān)于工程力學(xué)的前言分析

在社會(huì)快速發(fā)展推動(dòng)下，“力學(xué)”逐步成長為一門顯學(xué)，對于人類社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域都帶來了非常深刻的影響，實(shí)際應(yīng)用也深入到每一個(gè)角落當(dāng)中，實(shí)際的應(yīng)用工程主要涵蓋了以下領(lǐng)域：交通運(yùn)輸、機(jī)械加工、建設(shè)施工、石油采挖、水利工程、采礦加工、冶金建設(shè)等，這些領(lǐng)域在深化發(fā)展與相關(guān)建設(shè)上，都需要有扎實(shí)的工程力學(xué)來支撐。正是因?yàn)榱W(xué)影響的復(fù)雜性以及對各個(gè)領(lǐng)域工程施工建設(shè)影響的特殊性，工程與力學(xué)的深化研究也成為了知識領(lǐng)域基本的趨勢與方向。在不同類型工程井噴式出現(xiàn)的當(dāng)先，各種工程領(lǐng)域的問題都需要建立在力學(xué)的角度上進(jìn)行研究與解決，力學(xué)在發(fā)展上不斷形成各種新的成果，從而更好的服務(wù)于新時(shí)期工程建設(shè)工作，對于工程設(shè)計(jì)及工程建設(shè)等的理論影響體現(xiàn)到了每一個(gè)方面當(dāng)中。

對于工程力學(xué)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域來看，結(jié)構(gòu)力學(xué)是一個(gè)最為重要的組成部分，不論是何種類型的工程施工或者其他建設(shè)，都需要有基本設(shè)計(jì)及建造工程結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)性支撐，這些都增加了結(jié)構(gòu)力學(xué)新問題的不斷出現(xiàn)。尤其進(jìn)入到新的發(fā)展階段后，各種現(xiàn)代化工程不斷增多，涵蓋的建設(shè)環(huán)節(jié)越發(fā)復(fù)雜，技術(shù)應(yīng)用也尤為特殊，要想實(shí)現(xiàn)每一個(gè)環(huán)節(jié)切實(shí)經(jīng)得住考驗(yàn)，都需要發(fā)揮結(jié)構(gòu)力學(xué)的支撐作用，而且對于結(jié)構(gòu)力學(xué)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求也不斷提高。

經(jīng)過近20年的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)力學(xué)出現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性的發(fā)展變化，迎來了結(jié)構(gòu)力學(xué)里程碑式的發(fā)展。受到了各種因素的推動(dòng)與影響，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的促進(jìn)作用表現(xiàn)得尤為明顯。截止到目前為止，工程力學(xué)在所有學(xué)科建設(shè)當(dāng)中，越來越居于核心性的位置，與各個(gè)學(xué)科都有著不同程度的聯(lián)系，涉及到了基礎(chǔ)性的工程技術(shù)領(lǐng)域。工程力學(xué)，是一門基礎(chǔ)性性非常強(qiáng)的學(xué)科，在理論研究上需要不斷深化，并且與工程技術(shù)的的應(yīng)用有著直接性的關(guān)系。在對工程力學(xué)研究上，一般是從“靜力學(xué)”與“材料力學(xué)”這兩個(gè)基礎(chǔ)性層面切入。在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，工程力學(xué)的基礎(chǔ)力學(xué)定理、力學(xué)定律以及典型的力學(xué)結(jié)論等都得到了非常廣泛深入的應(yīng)用，對于生產(chǎn)建設(shè)當(dāng)中困難問題的解決都帶來了非常直接性的影響。

2 工程力學(xué)發(fā)展及學(xué)科組成基本概述

從上世紀(jì)20年代初期開始，人類對于力學(xué)的研究與相關(guān)應(yīng)用開始活躍起來，首先是土力學(xué)的提出，在土力學(xué)研究發(fā)展上，一大批專家學(xué)者做出大量貢獻(xiàn)，致力于理論層面的探索研究，對于解決社會(huì)發(fā)展當(dāng)中的相關(guān)實(shí)踐問題都起到非常好的作用。當(dāng)前，巖體力學(xué)的應(yīng)用發(fā)展正在進(jìn)入到高潮期，具體的探索領(lǐng)域也已經(jīng)從具有不連續(xù)面的硬巖性質(zhì)的研究擴(kuò)展到對軟巖性質(zhì)的研究。巖體力學(xué)的提出，與人類社會(huì)對資源能源及地表開發(fā)等是緊密聯(lián)系在一起的，也是將工程力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)兩者相結(jié)合下的學(xué)科產(chǎn)物。從十九世紀(jì)開始，連續(xù)體力學(xué)致力于從性質(zhì)上對物體進(jìn)行研究，例如柱體的穩(wěn)定性，梁體的剛度與強(qiáng)度，彈性模量以及變形與力之間的關(guān)系等，這些研究的深化，極大豐富了人們對于力學(xué)學(xué)科的基本認(rèn)識。在連續(xù)體力學(xué)研究當(dāng)中，一開始更加傾向于從宏觀層面進(jìn)行分析，注重將理論分析與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合，以此來實(shí)現(xiàn)對物體性質(zhì)的更好把握。依托于對質(zhì)點(diǎn)力學(xué)定律的推廣逐步發(fā)展到對連續(xù)體力學(xué)定律進(jìn)行更好的研究，這對于力學(xué)學(xué)科的豐富發(fā)展都起到非常好的保障作用。在第二次工業(yè)革命的推動(dòng)下，上世紀(jì)前期，物理學(xué)迎來發(fā)展的黃金期，得益于現(xiàn)代數(shù)學(xué)的快速發(fā)展，這些都為力學(xué)研究深化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，由此推動(dòng)理性力學(xué)的出現(xiàn)，在這方面的研究當(dāng)中，實(shí)際取得的成果也非常多，主要代表有賴納提出的關(guān)于粘性流體分析的論文，里夫林提出的關(guān)于彈性固體分析的論文，這些代表性成果的提出，對于后續(xù)理性連續(xù)體力學(xué)新體系的構(gòu)建與發(fā)展夯實(shí)了根基。

對于工程力學(xué)而言，基本的研究對象非常豐富，重點(diǎn)是圍繞質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系和剛體力學(xué)展開。所謂的剛體，主要是指一種理想層面的固體物，這種物體在基本形狀和大小上表現(xiàn)出了固定的特點(diǎn)，外界的作用力不會(huì)對其構(gòu)成影響，也就是說質(zhì)點(diǎn)系當(dāng)中各點(diǎn)之間的距離絕對不變。理論力學(xué)發(fā)展當(dāng)中，牛頓定律發(fā)揮著基礎(chǔ)性的影響，依托于牛頓定律可以對工程技術(shù)學(xué)科進(jìn)行非常好的研究。固體力學(xué)在應(yīng)用上涵蓋的范圍更加廣泛，涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)等。在當(dāng)前復(fù)雜的現(xiàn)代建筑工程當(dāng)中，結(jié)構(gòu)力學(xué)及塑性力學(xué)、彈性力學(xué)等都得到非常廣泛的應(yīng)用，這些都已經(jīng)成為當(dāng)前建筑力學(xué)的基本組成部分。從上世紀(jì)60年代開始，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)有了快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，這些都為計(jì)算力學(xué)的發(fā)展提供了條件，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下，概率統(tǒng)計(jì)理論等在工程力學(xué)上的影響也日漸體現(xiàn)出來，這對于工程力學(xué)的發(fā)展完善都起到非常好的作用。進(jìn)入新世紀(jì)，在傳統(tǒng)力學(xué)研究基礎(chǔ)及社會(huì)發(fā)展推動(dòng)下，近場動(dòng)力學(xué)走上力學(xué)舞臺(tái)，其具有明顯的無網(wǎng)格方法和分子動(dòng)力學(xué)等優(yōu)點(diǎn)，而且還在很大程度上對經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法在實(shí)際計(jì)算等當(dāng)中的局限性進(jìn)行了突破，可以廣泛應(yīng)用到各種不連續(xù)力學(xué)研究當(dāng)中，實(shí)際覆蓋范圍相當(dāng)廣泛，包括對金屬材料、大分子混凝土、多種復(fù)合材料等，在理論研究上也更加深化，例如，在經(jīng)典的鍵型近場動(dòng)力學(xué)模型中，近場動(dòng)力學(xué)模型的參考構(gòu)型和當(dāng)前構(gòu)型下圖所示。構(gòu)型中的某個(gè)物質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)方程如下所示：

3 新時(shí)期工程力學(xué)的應(yīng)用探索

3.1 材料力學(xué)

在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展建設(shè)當(dāng)中，材料力學(xué)的應(yīng)用越來越廣泛，常見的有不同機(jī)械產(chǎn)品的零部件，復(fù)雜建筑工程組成結(jié)構(gòu)甚至包括生活當(dāng)中最為常見的各種塑造產(chǎn)品等。不論是何種類型的物品，都對穩(wěn)定性、剛性等提出非常高的要求，這樣才能滿足相關(guān)物品應(yīng)用的基本需要。例如，常見的鉚釘?shù)炔牧希谧冃紊蠈傩詫儆诘湫偷募羟凶冃?，基于這種物品應(yīng)用的廣泛性，需要對其剪切應(yīng)力進(jìn)行慎重考慮。對于機(jī)械設(shè)備基本組成的轉(zhuǎn)動(dòng)軸等，變形以扭曲變形為主，而梁體結(jié)構(gòu)則是彎曲變形，這些都需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用來對變形進(jìn)行合理性的設(shè)計(jì)，才能確保在實(shí)際應(yīng)用上既安全又能夠滿足實(shí)際需要。在當(dāng)前工程建設(shè)當(dāng)中，必須要對材料的特點(diǎn)進(jìn)行深入分析，才能確保材料實(shí)際承載力得到充分體現(xiàn)，例如現(xiàn)代建筑工程，受到冷作硬化的影響，會(huì)導(dǎo)致鋼筋等其他材料變得更加堅(jiān)硬，這不僅影響了施工建設(shè)的正常進(jìn)行，還容易導(dǎo)致各種裂縫等翁提的發(fā)生，增加了質(zhì)量安全問題發(fā)生的可能性，但是在材料力學(xué)知識的指導(dǎo)下，可以使用退火處理技術(shù)來部分或全部抵消材料的不利變化。

3.2 固體力學(xué)

固體力學(xué)的影響非常深刻，不論是參天的高樓大廈還是細(xì)微的顆粒，都離不開固體力學(xué)的支撐。在現(xiàn)代社會(huì)當(dāng)中，不斷增多的復(fù)雜建筑工程，越來越先進(jìn)的戰(zhàn)斗艦艇以及用于人們生產(chǎn)生活的房屋橋梁等，都與固體力學(xué)有著直接性的聯(lián)系，在任何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，都需要從固體力學(xué)基本原理及基礎(chǔ)理論知識上切入進(jìn)行研究。固體力學(xué)主要是對彈性以及塑性、線性以及非線性問題進(jìn)行研究。受到以往知識掌握等的影響，在傳統(tǒng)的固體力學(xué)研究上，都是將研究對象放到均勻連續(xù)介質(zhì)的位置上，在知識不斷開闊及社會(huì)發(fā)展支撐下，當(dāng)前針對固體力學(xué)的研究得到全面深化，尤其是得益于復(fù)合材料的大量出現(xiàn)及應(yīng)用，使得復(fù)合材料力學(xué)和斷裂力學(xué)不得不將其研究的領(lǐng)域范圍擴(kuò)大，對非線性連續(xù)物體和帶有裂紋裂縫的物體進(jìn)行研究工作。

4 結(jié)語

綜上所述，本篇文章主要是對力學(xué)從不同層面進(jìn)行分析，明確力學(xué)研究的復(fù)雜性及應(yīng)用的廣泛性，同時(shí)，對新時(shí)期工程力學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行更為廣泛的探索，這對于加快新時(shí)期力學(xué)學(xué)科的發(fā)展建設(shè)都起到非常好的作用。