工程力學EngineeringMechanics華中科技大學力學系

“創新”的思維能力受益于力學的思維方式，

“創新”的實踐能力依賴于深厚的力學基礎。

科技工作者不能“有術（專業）無力（力學）”TELuhp@南一樓東北角E422主講：胡洪平工程力學學習交流QQ群：282798637

歡迎同學們加入！華中科技大學力學系推薦教材陳傳堯，工程力學，高等教育出版社2006，十一五國家規劃教材。王杏根，胡鵬，李譽，工程力學實驗，華中科技大學出版社，2008。3考核考試（閉卷）成績70%；平時成績30%（平時作業的平均）。考勤：點名未到者扣1分/次，點名3次未到者取消考試資格。學習任務1、掌握工程力學解決工程問題的基本理論和方法2、培養研究思維能力一、為畢業為學分學習40學時/2.5學分以此為目的，被動學習，毫無意義。二、掌握工程力學的基本理論和方法√×61.1

什么是力學1.2力學與工程1.3現代力學的發展及其特點1.8工程靜力學研究主線1.6最基本概念--力和運動1.5學科分類1.7一般研究方法第一章緒論返回主目錄1.4力學課程與研究型思維7是各技術工程學科的重要理論基礎，是溝通自然科學基礎理論與工程實踐的橋梁。所闡述的規律帶有普遍性，是一門基礎科學。直接服務于工程,又是一門技術科學。力學是研究物質機械運動規律的科學。墨子：“力，形之所以奮也”。（公元前4世紀）

力是物體為什么改變其狀態的原因。

1.1什么是力學？8機械、結構等受力如何？如何運動？如何變形？破壞？如何控制設計？其目的是：

了解工程系統的性態并為其設計提供合理的規則。工程力學（或者應用力學）是:將力學原理應用實際工程系統的科學。性態規則返回主目錄9以力學與航空航天工程為例1.2力學與工程10實驗探索：風箏、火箭、模擬鳥類滑翔等。問題一、如何飛起來？11到19世紀末，經典流體力學基礎已經形成。1783年6月，法蒙高兄弟布袋式熱氣球飛行。1875年，氫氣球載人飛行到萬米高空。19世紀后，出現了飛艇。充填氫、氦、熱空氣等產生升力，用動力裝置輔助控制,可以向任意方向飛行。空氣靜力飛行：（氣球、飛艇）

到20世紀，人們從理論和實踐二方面研究飛行器與空氣相對運動時作用力(升力，阻力)的產生及其規律。空氣動力學

發展并形成新分枝。空氣動力飛行：121949年，第一架噴氣式客機“彗星號”,可載客80名，最大起飛重量達70噸，跨音速。1903年，萊特兄弟（美國）的木制機身、雙層帆布機翼螺旋槳飛機第一次飛行。13空氣動力試驗---風洞實驗14材料力學性能、結構應力分析、失效判據、設計規范研究內容問題二如何飛？作為剛體，研究運動規律和控制。飛行力學

材料力學、結構力學、彈性力學、計算力學等。

屬于靜強度設計。相應學科問題三如何保證結構的安全？

無缺陷均勻材料，變形體。研究對象15飛機整機結構強度實驗機翼破壞實驗16機身結構強度實驗17材料缺陷的影響如何？載荷變化的影響如何？60年代末，美國空軍F-111飛機連續發生災難性事故，是由含裂紋構件的脆性斷裂引起的，斷裂力學方法也從此引入飛機設計中。斷裂力學--考慮材料缺陷和裂紋近代，復合材料，智能結構的研究。目標：更輕、更快、更安全（自監測、自診斷）1952年，“Comet”試飛300多小時后投入使用。1954年元月突然發生空中爆炸，墜落于地中海。殘骸研究后表明，起源于機身開口拐角處的裂紋，在擾動載荷作用下擴展導致破壞。疲勞力學--考慮載荷變化和重復作用的影響18

振動、噪聲控制；穩定性和可操縱性力學與工程緊密結合。是一門既古老又年輕的學科，它對于近、現代科學技術的進步，有重要的影響。問題四、如何更加舒適？飛起來?跨、超音速空氣動力學噴氣機、后掠翼、復合材料快速理論力學飛行力學如何飛？安全振動噪聲；穩定性舒適材料力學結構力學彈性力學計算力學疲勞力學斷裂力學空氣動力學雙、單翼機氣球、飛艇流體力學實驗力學19大飛機

所謂大型飛機，是指起飛總重量超過100噸的運輸類飛機，也包括150座以上的干線客機。它是民航使用最廣泛的主力機型。

100座以下的叫做“支線飛機”；而國際航運體系習慣上把300個座位以上的客機稱作“大型客機”。

生產大飛機的過程涉及多個學科。大飛機能夠體現一個國家總體的實力，在當今世界上，只有美國、俄羅斯、歐盟和中國能夠制造大飛機。

大飛機代表了“一個國家競爭力的制高點”。●2006年1月，立項將大型飛機項目列為國家中長期科技規劃的16個重大專項之一。●2007年8月，批準胡錦濤主持政治局常委會，同意成立大型客機項目籌備組。●2008年3月，成立國務院通過了組建方案，批準組建中國商用飛機有限責任公司。●2008年5月揭牌中國商飛在上海揭牌成立，總部設在上海。公司注冊資本190億元。●2010年設計完成初步設計，目前已進入詳細設計階段。●2014年首飛預計2014年首飛。●2016年入市完成適航取證并投放市場。2013年1月26日，中國運-20首次試飛成功最大載重量66噸，機身長47米，翼展45米，高15米，最大起飛重量220噸。最大飛行速度為830千米/小時，在最大載荷時的航程為4400千米，實用升限13000米。發動機：俄羅斯老式的D30-KP-U22大型汽輪機轉子結構的破壞例子：23

軸葉輪

疲勞斷裂破壞24

轉子軸疲勞開裂

疲勞斷裂破壞25臺南高屏大橋斷裂2000年8月27日下午3時20分，臺灣南部高屏大橋斷裂，大橋中間下陷部分長達100米。17輛車墜河，22人受傷。采沙過度，河面沉降10余米，橋墩先斷裂。262000年７月25日，法航協和式客機墜毀，113人死亡。地面鐵條使輪胎爆裂，碎片侵入發動機。27汽車碰撞試驗28上海東方電視塔高300m球徑45m29抗震模型試驗（破壞部位、破壞形式、抗震能力）返回主目錄30

2008年雪災（電線變形、高壓線塔倒塌）31ITER:InternationalThermonuclearExperimentalReactorITERisbasedonthe‘tokamak’conceptofmagneticconfinement,inwhichtheplasmaiscontainedinadoughnut-shapedvacuumvessel.Thefuel-amixtureofDeuteriumandTritium,twoisotopesofHydrogen-isheatedtotemperaturesinexcessof150millionoC,formingahotplasma(等離子體).Strongmagneticfieldsareusedtokeeptheplasmaawayfromthewalls;theseareproducedbysuperconductingcoilssurroundingthevessel,andbyanelectricalcurrentdriventhroughtheplasma.32強磁場中的線圈設計目標：100特斯拉華中科大校友捐造雅安希望小學地震中屹立不倒34建筑物控制爆破35材料與對象：金屬、土木石等

新型復合材料、高分子材料、結構陶瓷、功能材料。尺度：宏觀、連續體

含缺陷體，細、微觀、納米尺度。1力學研究的發展：應用領域：

航空、土木、機械、材料

生命、微電子技術等實驗技術：

電、光測實驗技術

全息、超聲、光纖測量，及實驗裝置的大型化。1.3現代力學發展及其特點36靜強度、斷裂控制設計、抗疲勞設計、剛度設計

損傷容限設計、結構優化設計、耐久性設計和可靠性設計等。保證結構與構件的安全和功能

設計-制造-使用-維護的綜合分析與控制，功能—安全—經濟的綜合性評價，自感知、自激勵、自適應（甚至自診斷、自修復）的智能結構。設計目標：設計準則：372現代力學的特點應用現代計算機、信息技術，

與其他基礎或技術學科相互結合與滲透。材料設計：按所要求的性能設計材料。(90年代)計算機應用：計算力學+計算機應用

(60年代)解決復雜、困難的工程實際問題。使工程結構分析技術；（結合CAD技術）監測、控制技術（如振動監測、故障診斷）；工程系統動態過程的計算機數值仿真技術；廣泛應用至各工程領域。3890年代開始，力學與材料、控制（包括傳感與作動）、計算機相結合，研究發展面向21世紀的、具有“活”的功能的智能結構。智能結構：生物材料力學性能、微循環、定量生理學、心血管系統臨床問題和生物醫學工程等。“沒有生物力學，就不能很好地了解生理學。”生物力學：(70年代馮元禎博士)依托新興產業發展力學。

航空航天、信息、生命、功能材料等返回主目錄1.4力學課程與研究型思維研究型思維—創新之端力學課程--啟迪研究型思維之最佳載體(之一)“傳道、授業、解惑”，傳道為首。道—修身之道、治學之道、濟世之道。治學之道-----培養研究型思維，其重要性絕不亞于傳授知識本身。求道、修業、質疑

力學是培養研究型思維的最佳載體力學悠久的歷史，豐富的成果，永恒的活力,為人類社會的科技進步作出了重要的貢獻。2000年，美國三十幾個專業工程協會評出20世紀對人類影響最大的20項技術：電力系統技術：葉輪機效率1/3，省電費$3000億。2.汽車制造技術：發動機效率1/3，省燃料$2000億。力學的進步3.航空技術11.航天技術每一重大進展都與力學的新突破密切相關。力學有一大批偉大科學家，這些大家的實踐與成就，是啟迪我們的科學研究思維的無盡源泉。阿基米德、伽利略、牛頓、達朗貝爾、拉格朗日、拉普拉斯、歐拉、愛因斯坦周培源、郭永懷、錢學森、錢偉長、錢令希“善于從錯綜復雜的自然現象、科學實驗結果和工程技術實踐中抓住事物的本質，提煉成力學模型，采用合理的數學工具，分析掌握自然現象的規律，進而提出解決工程技術問題的方案，最后再和觀察或實驗結果反復校核直到接近為止的科學研究方法”。實踐中形成了最適于啟迪研究型思維課程任務基本概念、基本理論、基本方法研究型思維培養研究型思維，要注意什么？基礎與技術科學雙重屬性物理、幾何意義清晰走向技術領域的先導力學注重物理、幾何意義的探究？力學分析問題完成任務答案背景？提法合理否？一般性/特殊性？物理意義？幾何意義？結論隨問題參數的變化？結論的正確性條件？假設、模型、方法的適用性及限制？441.5學科分類靜力學：研究力系或物體的平衡問題，不涉及物體運動狀態改變；如飛機停在地面或巡航。運動學：研究物體如何運動，不討論運動與受力的關系；如飛行軌跡、速度、加速度。動力學：研究力與運動的關系。如何提供加速度？按運動與否分：45按研究對象分：一般力學：對象是剛體。研究力及其與運動的關系。有理論力學，分析力學等。流體力學：對象是氣體和液體。有水力學、空氣動力學等。固體力學：對象是可變形固體。研究強度、變形、破壞等。有材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學、斷裂、疲勞等。

(理論分析、實驗和數值計算)有實驗力學、計算力學二個方面的分支。按研究手段分：

有飛行力學、船舶結構力學、巖土力學等。按應用領域分：46力學既要研究力，又要研究運動，還要將力和運動二者聯系起來。力是物體間的相互作用。1.力：直接接觸的物體，通過接觸表面的相互作用。如物體間壓力等。表面力分布作用在接觸面上。表面力非直接接觸物體間的相互作用。如物體重力、慣性力、電場力、磁場力等。體積力分布作用在物體整個體積內，與質量有關。體積力1.6最基本概念--力和運動472.運動：是力(力系)作用的結果。有二種效應：物體空間位置隨時間的變化。如飛機在空中飛行，復雜的運動。運動—（外效應）物體自身形狀的局部畸變。如機翼、機身結構的變形。變形—（內效應）483.力與運動之關系的研究，屬于動力學。是動力學基本方程。注意F、a是矢量。牛頓第二定律:物體運動狀態的改變(dv/dt=a)與作用于其上的力成正比，并發生于該力的作用線上。力與變形之關系，是與材料有關的物理行為。4.力與固體的變形之關系的研究,屬固體力學。特別地，若物體的運動狀態不發生改變（a=0）,則稱物體處于平衡。返回主目錄49提出問題，選擇有關的研究系統。對系統進行抽象與簡化，建立力學模型。利用力學原理進行分析、推理，得出結論與已知結論相比較，或由實驗進行驗證。確認或進一步改善模型，深化認識工程力學解決問題的一般方法，類似于一般科學研究的普遍方法，可歸納為：建立力學模型是最關鍵的。(需要知識和經驗)模型包括材料性能、載荷、約束、幾何形狀等真實情況的理想化和簡化。1.7一般研究方法50材料模型變形體模型剛體模型51汽車通過輪胎作用在橋面上的集中力模型載荷模型橋面板作用在鋼梁的分布力模型52例如，研究工程構件（如桿、梁、軸等）時，先將其理想化為剛體，研究其上的受力和運動；建立力學模型是最關鍵的。(需要知識和經驗)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，又能使結果基本符合實際情況，滿足精度。若進一步考慮材料的塑性，可研究其彈-塑性行為。就會得到更進一步的啟發。再將其視為變形體，并假定變形是彈性的，研究在載荷作用下構件的彈性變形；返回主目錄531.8工程靜力學研究主線工程力學問