工程力學(xué)的發(fā)展與展望

底千賀

摘要：工程力學(xué)是物理中力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，中國(guó)物理學(xué)家錢(qián)學(xué)森先生提出這一命名并為該學(xué)科建設(shè)做了開(kāi)創(chuàng)性與推動(dòng)型貢獻(xiàn)。工程力學(xué)在工科學(xué)校屬于一門(mén)主干學(xué)科，一是其研究可以直接用于解決工程建設(shè)中的力學(xué)問(wèn)題，二是工程力學(xué)也是其他學(xué)科與研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科，同時(shí)也培養(yǎng)了大量的與力學(xué)工程相關(guān)的專(zhuān)業(yè)人才。對(duì)于理工科學(xué)生而言，了解工程力學(xué)的內(nèi)涵、發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)于其專(zhuān)業(yè)選擇、專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)與就業(yè)選擇等會(huì)有較大的幫助，因此，本文將對(duì)此展開(kāi)研究。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué);理論研究;應(yīng)用技術(shù)

工程力學(xué)是物理中力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，是各種工程與力學(xué)的融合形成的交叉性綜合學(xué)科，涉及到土木建設(shè)、材料學(xué)、機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)科、能源、化工以及航空、傳播、水利等專(zhuān)業(yè)與學(xué)科。力學(xué)工程分為六個(gè)研究方向，分別為：非線性力學(xué)及工程、工程穩(wěn)定性，分析與控制技術(shù)、應(yīng)力變形測(cè)量理論與破壞檢測(cè)技術(shù)、數(shù)值分析與工程應(yīng)用、工程材料的物理力性質(zhì)、工程動(dòng)力學(xué)及工程爆破。工程力學(xué)是研究物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的學(xué)科，通過(guò)工程力學(xué)的研究成果與應(yīng)用研究去改進(jìn)工程設(shè)計(jì)思想。

現(xiàn)代工程技術(shù)與尖端科學(xué)技術(shù)發(fā)展非常迅速，需要對(duì)物體本身的宏觀運(yùn)動(dòng)與物體內(nèi)部的原子、分子的微觀運(yùn)動(dòng)以及相互作用的過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。可以說(shuō)，過(guò)程力學(xué)的發(fā)展不僅直接為工程技術(shù)發(fā)展提供材料、介質(zhì)等物性資料，為其提供技術(shù)支撐，還為其他學(xué)科的發(fā)展創(chuàng)造條件。

一、力學(xué)工程的發(fā)展

（一）工程力學(xué)的誕生

20世紀(jì)50年代末，工程力學(xué)在中國(guó)物理學(xué)家錢(qián)學(xué)森的努力與創(chuàng)下，得以誕生。當(dāng)時(shí)，在生產(chǎn)中出現(xiàn)了一些條件比較極端的過(guò)程技術(shù)類(lèi)問(wèn)題，比如，過(guò)程中涉及到的溫度高達(dá)幾百萬(wàn)度，涉及到的氣壓達(dá)到幾百萬(wàn)大氣壓，著這樣極端的條件下，很難直接測(cè)試介質(zhì)和材料的性質(zhì)。即使可以直接測(cè)試，也需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金，需要消耗大量的成本，阻礙了相關(guān)研究與應(yīng)用的發(fā)展。為了避免在如此極端的情況下進(jìn)行檢測(cè)，可以考慮從給微觀分析入手，即通過(guò)對(duì)分子與原子的研究去分析和檢測(cè)介質(zhì)與材料的性質(zhì)。在實(shí)際工程中，類(lèi)似這樣的問(wèn)題還有很多，為了推動(dòng)工程研究與技術(shù)的發(fā)展、也為了解決實(shí)際生產(chǎn)中面臨的難題，工程力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

（二）工程力學(xué)發(fā)展到自成體系

隨著工程力學(xué)的發(fā)展，一些問(wèn)題也迎刃而解。一方面，產(chǎn)生了一種新的方法，可以預(yù)知介質(zhì)和材料在極端情況下的性質(zhì)和狀態(tài)變化規(guī)律;另一方面，在現(xiàn)代科學(xué)的推動(dòng)下，尤其是分子原子力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)的建設(shè)與發(fā)展，使得研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)規(guī)律變得可行而準(zhǔn)確，也就是說(shuō)，通過(guò)圍觀分子原子運(yùn)動(dòng)研究去推斷物體宏觀運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和特性是可能的，也為其提供的研究基礎(chǔ)。

目前，力學(xué)工程的發(fā)展還處于初級(jí)階段，對(duì)于基礎(chǔ)學(xué)科與老學(xué)科的依賴性比較強(qiáng)，但是工程力學(xué)自身也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，形成了自身的發(fā)展特點(diǎn)：

1）重視通過(guò)分析問(wèn)題的機(jī)理、借助理論模型來(lái)分析和解決問(wèn)題;

2）重視計(jì)算方式與運(yùn)算手段，不是定性地解決問(wèn)題或者解決原則性的問(wèn)題，而是求得準(zhǔn)確的數(shù)值結(jié)果，因此也不難理解工程力學(xué)必須以數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科為基礎(chǔ)學(xué)科;

3）重視從微觀到宏觀的分析與檢測(cè)，這是工程力學(xué)的核心思想與根本目標(biāo)，以上分析過(guò)，對(duì)某些宏觀問(wèn)題進(jìn)行直接研究存在一定困難，但是如果從圍觀入手去，這些宏觀問(wèn)題可能就迎刃而解;

4）包容性與綜合性。一方面，工程力學(xué)是在多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科之上發(fā)展起來(lái)的，它可以容納大量的其他學(xué)科的知識(shí)并將其加以運(yùn)用;另一方面，工程力學(xué)也被廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域，比如隧道、橋梁、建筑基礎(chǔ)、水利、礦山等。吸納更多學(xué)科的知識(shí)，對(duì)于工程力學(xué)自身的完善與發(fā)展起著推動(dòng)作用，同時(shí)也將更好地發(fā)揮“橋梁”的作用。

（三）工程力學(xué)的現(xiàn)代化發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、概率統(tǒng)計(jì)與有限元法的的發(fā)展，工程力學(xué)也有了新的突破。比如，計(jì)算力學(xué)得以誕生和發(fā)展，突破了以往某些指標(biāo)無(wú)法量化測(cè)算的困難，通過(guò)將概率論與計(jì)算機(jī)技術(shù)融合到工程力學(xué)中，使得所有測(cè)量結(jié)果都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并且可以通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的機(jī)械化計(jì)算，大大提高了工程力學(xué)的研究進(jìn)程與應(yīng)用效率。同時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，工程力學(xué)也逐漸實(shí)現(xiàn)了智能化、機(jī)械化、全球化，使得工程力學(xué)能夠解決的問(wèn)題越來(lái)越多，也促進(jìn)了工程力學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)一步完善與形成強(qiáng)大的應(yīng)用能力。

二、力學(xué)工程的應(yīng)用展望

工程力學(xué)的應(yīng)用范圍較為廣泛，本文選取兩個(gè)方面進(jìn)行討論與分析。

（一）材料力學(xué)

材料力學(xué)被廣泛用于日常生活中的各類(lèi)產(chǎn)品，比如機(jī)械設(shè)備中的各類(lèi)機(jī)械零部件、建筑設(shè)計(jì)中的各種工程結(jié)構(gòu)，還有比較常見(jiàn)各類(lèi)生活包裝袋與日常生活用品。因?yàn)檫@些物品都會(huì)涉及到材料應(yīng)用，材料就會(huì)涉及到硬度、強(qiáng)度、彈性與穩(wěn)定性等方面的測(cè)試，而測(cè)試就要用到材料力學(xué)（材料是工程力學(xué)的一種應(yīng)用），只有通過(guò)檢測(cè)才能保證物品的正常使用與安全使用。

力學(xué)工程往往會(huì)通過(guò)識(shí)別材料的特點(diǎn)，借以提高材料的承載力。比如，建筑領(lǐng)域離不開(kāi)的鋼筋，鋼筋通常在冷作硬化的情況下會(huì)變得更加硬和脆，就容易破裂，是加工變得更加困難，其承重或抗壓的強(qiáng)度也會(huì)降低，這是通過(guò)工程力學(xué)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，比如退火處理技術(shù)就可以應(yīng)對(duì)鋼筋困難產(chǎn)生的這種不利變化。

（二）固體力學(xué)

固體力學(xué)主要研究和測(cè)試物體或者物品的堅(jiān)固性、線性與非線性、彈性、塑性等問(wèn)題，比如橋梁、飛行器、船舶、水壩甚至是各種日用家具等的建造，無(wú)不與固體力學(xué)緊密相關(guān)。

無(wú)論是體積龐大的天體還是視覺(jué)無(wú)法察覺(jué)的微粒，都離不開(kāi)固體力學(xué)。以前，學(xué)術(shù)界都認(rèn)為固體是由均勻連續(xù)的介質(zhì)組成的，但是今年復(fù)合材料的出現(xiàn)改變了這一判斷，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的固體力學(xué)知識(shí)無(wú)法解決復(fù)合材料需要的檢測(cè)、加固等需求，使得固體力學(xué)不得不擴(kuò)大自身的研究范圍，比如對(duì)非線性物體與帶有裂紋或者裂縫的物體展開(kāi)研究。

三、總結(jié)

本王對(duì)工程力學(xué)的發(fā)展與展望進(jìn)行了研究，工程力學(xué)是一門(mén)集土木建設(shè)、材料學(xué)、機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)科、能源、化工以及航空、傳播等眾多學(xué)科于一體的綜合性學(xué)科，同時(shí)也被廣泛用于隧道、橋梁、建筑基礎(chǔ)、水利、礦山等多個(gè)領(lǐng)域，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文將工程力學(xué)的發(fā)展分為三個(gè)階段，分別誕生階段、形成自我發(fā)展體系的階段、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展的階段。最后，還對(duì)工程力學(xué)在材料力學(xué)與固體力學(xué)的應(yīng)用展望進(jìn)行了探討。

參考文獻(xiàn)：

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