结构力学发展简史
力学发展简史
经典力学发展简史姓名：周玉全力学是物理学中最早发展的分支，它和人类的生活与生产关系最为密切。
经典力学是力学的一个分支。
经典力学是以牛顿运动定律为基础，研究宏观、低速状态下物体运动的一门学科。
力学的发展可谓与人类生活与生产息息相关。
早在遥远的古代，人们就在劳动生产中应用杠杆、螺旋、滑轮、斜面等简单机械，促进了静力学的发展。
公元前二百多年，古希腊的阿基米德提出了杠杆原理以及浮力定律。
而我国古代的春秋战国时期，以《墨经》为代表作的墨家，总结了大量力学知识。
虽然这些知识尚属于力学的萌芽，但不妨它在力学发展史中占有一席之地。
在古代，由于人们缺乏经验以及生产水平低下，没有适当科学仪器，导致力学的发展受到抑制。
古希腊时代的亚里士多德主张物体速度与外力成正比、重物下落比轻物快、自然界惧怕真空等，看起来的确与经验没有明显矛盾，因此这些理论长期没人怀疑。
当然力学长期得不到较大发展还与西方教会利用所谓“科学”奴役人们思想有关。
这点最为人所熟知便属“地心说”了。
托勒密的“地心说”因与《圣经》内容相符，再加上按地心说预报的行星位置在当时目测精度下与实际位置相差不多，故被人广泛接受。
首先揭开科学革命序幕、反对一直被奉若圭臬的“地心说”的是天文学领域。
公元1543年，哥白尼发表了《天体运行理论》来具体论述日心体系。
但这一新思想一开始并未能得到世人的广泛认识，因为当时教会仍然占有统治地位，而日心说与《圣经》内容相悖。
科学发展越快，教会越趋极端，凡是不符合教会思想而另有主张的人，都会遭到迫害。
意大利思想家布鲁诺就是一位信仰和宣扬哥白尼体系而英勇献身的科学殉道士。
他认为宇宙是无限的，在太阳系之外还有无数的世界，这比日心说更为有力的冲击了教会的教义，因此被处以火刑。
但科学并不会因惧怕火刑而驻足不前。
德国天文学家开普勒在基于天文学家第谷毕生积累的天文观测资料的基础上，经过计算，得出了开普勒第一和第二定律，并在1609年出版的《新天文学》一书中，公布了这两条行星运动定律。
结构力学
杆端位移 结点位移 变形协调条件
●
单元集成法求整体刚度矩阵的步骤：
第一步，由单元刚度矩阵[k]e ，求单元贡献矩阵[K] e 。 第二步，叠加各单元贡献矩阵，得到整体刚度矩阵[K] 。
结点力 杆端力 平衡条件
§13.4.2 单元定位向量
（2）杆端位移、杆端力的正负号规定 与坐标轴正方向一致 或 顺时针为正
（单元杆端位移列阵 与 单元杆端力列阵）
§13.2 单元分析(一)
——局部坐标系中的单元刚度矩阵 单元杆端力和杆端位移之间的
转换关系称为单元刚度方程，它表示单元在
杆端有任意给定位移时所产生的杆端力。而 单元刚度矩阵 的转换矩阵。 是杆端力与杆端位移之间
50年代由航空结构工程师发展，逐渐波及土木工程；
20世纪60年代，1960年由R. H. Clough命名 为“有限单元法”（FEM)以来，有限元法蓬勃 发展。不仅结构分析必不可少，而且成为“现 象分析”的一种手段（场问题、时间维问题等 ）。1967年首次出版专著，监凯维奇（O. C.
Zienkiewicz）与其学生张佑启（Y. K. Cheung ) 合写《结构与连续力学的有限元法》( 张后来成 为“有限条法”创始人）, 该书成为世界名著， 第三版中译本名为《有限元法》。
手算怕繁、电算怕乱
§13.1.1 矩阵位移法的基本思路
◆ 基本原理与传统的位移法相同：
1. 以结点位移为基本未知量；
2. 基本环节： （1）离散化：整个结构分解为若干个单元（在杆件结 构中，通常取一根杆件为一个单元）； （2）单元分析：分析单元的杆端力和杆端位移及荷载 之间的关系； （3）整体分析：利用结构的变形协调条件和平衡条件 将各单元集合成整体结构，得到求解基本未知量的矩 阵位移法的基本方程 。
中国力学学科的发展简史
8月中国科学院成立负责拟定发展人造地球卫星规划的‘581任务组’。随后，中科院力学所成立负责卫星总体设计和运载火箭研制的‘上天’设计院。10月其总体部、结构部和发动机部迁至上海，对外称机电设计院，1959年研制工作中止。
中国科学院与清华大学联合在清华园内组建动力研究室，室主任吴仲华。1960年该室并入中科院力学所，1984年单独建所。
公元1957年
第一次全国力学学术报告会在北京召开。钱学森、钱伟长分别作“论技术科学”和“我国力学工作者的任务”的报告。于1952年2月10日成立中国力学学会，首届理事长钱学森，选举理事35人。会后相继成立了固体力学、流体力学、一般力学、岩土力学4个专业委员会；以及哈尔滨、西安、北京、天津、上海、南京、大连7个地方分会。
郭永怀回国，后任中科院力学所副所长。
10月国防部第五研究院成立，第一任院长钱学森。12月，五院下属空气动力学研究室成立，该室1959年发展为研究所（701所）。
钱学森起草《建立我国国防航空工业的意见书》，为我国火箭与导弹技术提供重要实施方案。
国家制定《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要》，其中第37项“喷气与火箭技术的建立”与力学关系密切。同时还制定了我国第一份力学学科规划，确认力学为一级学科。钱学森、周培源、钱伟长、郭永怀及一批知名的力学家参与了力学专业的规划的调研、制定。钱学森任综合组组长。
中国在上海建成摇曳水池。
胡海昌提出弹性力学中三类变量变分原理，鹫津九一郎于1955年提出同一原理。
钱学森发表《工程控制论》（英文版），由美国McGraw Hill出版社出版。
公元1955年
钱学森回国。20世纪40—50年代，我国大批留学西方、苏联和东欧的理学专家回国。
力学的发展历程
力学的发展历程力学是研究物体运动和受力规律的学科，它是自然科学中最基础、最重要的学科之一。
力学的发展历程可以追溯到古代，经过了漫长的历史演变和不断的发展，逐渐形成了现代力学的基本原理和理论体系。
下面将详细介绍力学的发展历程。
古代力学的起源可以追溯到古希腊时期，著名的古希腊哲学家亚里士多德对力学的研究起到了重要的推动作用。
他提出了自然物体分为四种元素（地、水、火、气）的理论，并认为物体的运动是由于与其自然元素的相互作用。
亚里士多德的力学理论在古代长期占主导地位，直到近代才被推翻。
古代中国力学的发展也有着独特的贡献。
中国古代的力学理论主要体现在工程技术和军事战略方面。
例如，中国古代的工程师和军事家在建筑和兵器设计中运用了许多力学原理，如杠杆、滑轮等。
这些实践经验积累为后来力学的发展奠定了基础。
随着科学方法的不断发展，力学在近代经历了重要的革命。
17世纪，英国科学家伽利略·伽利莱和英国物理学家艾萨克·牛顿的工作为力学的发展奠定了基石。
伽利略提出了惯性原理和斜面运动等基本概念，牛顿则通过研究物体的运动和力的关系，提出了经典力学的三大定律，即牛顿定律。
这些理论为力学奠定了坚实的数学基础，并在科学界产生了深远的影响。
19世纪，法国科学家拉格朗日和哈密顿等人对力学进行了重要的发展。
拉格朗日提出了以能量为基础的拉格朗日力学，将力学问题转化为能量和约束的问题，极大地简化了力学的计算。
哈密顿则提出了哈密顿力学，通过引入广义坐标和广义动量的概念，为力学问题的求解提供了新的方法。
20世纪，爱因斯坦的相对论对力学产生了重大影响。
相对论扩展了牛顿力学的范围，提出了质量和能量之间的等价关系，揭示了高速运动物体的特殊性质。
相对论的发展使力学理论更加完善，并为后来的量子力学和场论的发展奠定了基础。
现代力学已经发展成为一个庞大而复杂的学科体系，包括经典力学、量子力学、统计力学等多个分支。
力学的应用广泛涉及到物理学、工程学、天文学、生物学等领域。
工程力学的发展与展望
工程力学的发展与展望工程力学是一门研究物体在力的作用下的运动和变形规律的学科，也是工程学的基础知识之一。
随着科学技术的快速发展和工程领域的日益复杂化，工程力学在过去的几十年里取得了显著的进展。
本文将对工程力学的发展历程进行回顾，并展望未来的发展方向。
工程力学概念最初见诸于古希腊时期，但是直到近代以前，工程力学一直处于实证阶段。
17世纪，伽利略、牛顿等科学家的力学研究奠定了工程力学的基础。
18世纪和19世纪，随着工业革命的推进，工程力学开始应用于实际工程问题的解决中。
20世纪初，结构力学、流体力学等分支学科逐渐形成，工程力学开始多元化发展。
在过去的几十年里，工程力学的发展有以下几个显著特点：工程力学的理论模型和计算方法得到了极大的改进。
随着计算机技术的发展，有限元法、有限差分法等数值方法在工程力学分析中的应用广泛化，大大提高了分析的准确性和效率。
工程力学在多学科交叉领域的应用得到了拓展。
随着材料科学、电子技术、光学等学科的发展，工程力学开始与其他学科相互融合，形成新的研究领域。
力学与材料科学的结合，推动了复合材料等新材料的研发；力学与电子技术的结合，推动了微电子器件的发展等。
工程力学在应对新兴问题和挑战方面做出了重要贡献。
地震工程的发展帮助人们更好地理解地震力对建筑物和结构的影响，为抗震建筑设计提供了理论依据；风力发电和太阳能等可再生能源的开发也离不开工程力学的支持。
在未来的发展中，工程力学面临着新的机遇和挑战。
随着大数据和人工智能技术的发展，工程力学在数据分析和预测方面将发挥更大的作用。
通过对大量结构数据的分析，可以实现结构健康监测和故障诊断，提高结构的安全性和可靠性。
新兴领域的发展也将推动工程力学的进一步发展。
生物力学、纳米力学等新兴领域的研究将为工程力学带来新的理论和应用。
生物力学研究将为医疗器械和人体工程学等领域提供理论指导；纳米力学研究将为纳米材料及其应用提供理论支持。
工程力学的跨学科研究合作将得到进一步加强。
大学结构力学课件
目 录
• 结构力学概述 • 静力学基础 • 动力学基础 • 弹性力学基础 • 塑性力学基础 • 结构分析方法与技能
CHAPTER 01
结构力学概述
结构力学定义与重要性
结构力学定义
结构力学是研究结构在各种荷载作用 下的响应和行为的学科。它主要研究 结构的内力、变形、稳定性以及振动 等方面。
静力分析方法
通过平衡条件求解结构内力，适用于静荷载作用下的结构分析。
动力分析方法
考虑结构动力学特性，适用于动力荷载作用下的结构分析。
弹性分析方法
考虑材料弹塑性性质，适用于复杂结构分析。
结构分析技能与策略
简化模型技能
根据实际情况对结构进行公道简化，降低计 算难度。
有限元法策略
利用有限元法进行结构离散化，提高计算精 度和效率。
圆筒受内压分析
02
通过圆筒受内压分析实例，介绍弹性力学在压力容器设计中的
应用。
弹性地基上梁的分析
03
通过弹性地基上梁的分析实例，介绍弹性力学在土木工程中的
应用。
CHAPTER 05
塑性力学基础
塑性力学基本概念
塑性力学定义
塑性力学是研究材料在到达屈服极限后，产生 不可逆的塑性变形时力学行为的学科。
现代结构力学
20世纪以来，随着计算机技术和数值分析方法的发展，现代结构力学得到了迅速发展 。它不仅广泛应用于传统工程领域，还扩大到了生物、医学、材料等其他领域。
结构力学基本原理
荷载与反力
平衡方程
变形与内力
稳定性
弹性与塑性
荷载是施加在结构上的 外力，反力是结构内部 产生的抵抗荷载的力。
根据牛顿第三定律，结 构在荷载作用下的平衡 方程为∑F=0，其中∑F为 所有荷载向量之和。
力学的起源解读
力学的起源力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。
人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。
古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。
古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。
但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。
伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念。
牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出物体运动三定律。
伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。
牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。
此后，力学的研究对象由单个的自由质点，转向受约束的质点和受约束的质点系。
这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理，和拉格朗日建立的分析力学。
其后，欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程，这看作是连续介质力学的开端。
运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世，在这方面作出贡献的是纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人。
弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。
从牛顿到汉密尔顿的理论体系组成了物理学中的经典力学。
在弹性和流体基本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问题还须依靠经验或半经验的方法解决。
这使得19世纪后半叶，在材料力学、结构力学同弹性力学之间，水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著差别。
20世纪初，随着新的数学理论和方法的出现，力学研究又蓬勃发展起来，创立了许多新的理论，同时也解决了工程技术中大量的关键性问题，如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问题等。
这时的先导者是普朗特和卡门，他们在力学研究工作中善于从复杂的现象中洞察事物本质，又能寻找合适的解决问题的数学途径，逐渐形成一套特有的方法。
结构力学的发展简史
元计算秉承中国科学院数学ห้องสมุดไป่ตู้系统科学研究院有限元自动生成核心技术（曾获中科院科技进 步二等奖、国家科技进步二等奖），通过自身不懈的努力与完善，形成一系列具有高度前瞻性和 创造性的产品。
元计算产品适用范围广泛，目前有国内外专业客户300余家，涉及美、加、日、韩、澳、德、 新等国，遍布石油化工、土木建筑、电磁电子、国防军工、装备制造、航空航天……等多个领域。
有限元语言及编译器（Finite Element Language And it’s Compiler，以下简称FELAC） 是中国科学院数学与系统科学研究院梁国平研究院于1983年开始研发的通用有限元软件平 台，是具有国际独创性的有限元计算软件，是PFEPG系列软件三十年成果（1983年—2013 年）的总结与提升，有限元语言语法比PFEPG更加简练，更加灵活，功能更加强大。目前 已发展到2.0版本。其核心采用元件化思想来实现有限元计算的基本工序，采用有限元语 言来书写程序的代码，为各领域，各类型的有限元问题求解提供了一个极其有力的工具。 FELAC可以在数天甚至数小时内完成通常需要一个月甚至数月才能完成的编程劳动。
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。 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19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19世纪中叶，结构力学开始成为一门独立的学科。 19世纪中期出现了许多结构力学的计算理论和方法。法国的纳维于1826年提出了求解静不定结构 问题的一般方法。从19世纪30年代起，由于要在桥梁上通过火车，不仅需要考虑桥梁承受静载荷的问 题，还必须考虑承受动载荷的问题，又由于桥梁跨度的增长，出现了金属桁架结构。
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后来，在20～30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。 到了20世纪20年代，人们又提出了蜂窝夹层 结构的设想。根据结构的“极限状态”这一 概念，学者们得出了弹性地基上粱、板及刚 架的设计计算新理论。对承受各种动载荷 (特别是地震作用)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 构力学的发展，疲劳问题、断裂问题和复合 材料结构问题中的天然结构，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。
19世纪中出现了许多结构力学的计算理论和方 法。法国的纳维于1826年提出了求解静不定结构 问题的一般方法。从19世纪30年代起，由于要在 桥梁上通过火车，不仅需要考虑桥梁承受静载荷 的问题，还必须考虑承受动载荷的问题，又由于 桥梁跨度的增长，出现了金属桁架结构。
从1847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。1864年，英国的麦克斯韦 创立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，由此学者们终于得到了解静 不定问题的方法。
结构静力学 结构静力学是结构力学中首先发展起来的分支，它 主要研究工程结构在静载荷作用下的弹塑性变形和应 力状态，以及结构优化问题。静载荷是指不随时间变 化的外加载荷，变化较慢的载荷，也可近似地看作静 载荷。结构静力学是结构力学其他分支学科的基础。 结构动力学 结构动力学是研究工程结构在动载荷作用下的响应 和性能的分支学科。动载荷是指随时间而改变的载荷。 在动载荷作用下，结构内部的应力、应变及位移也必 然是时间的函数。由于涉及时间因素，结构动力学的 研究内容一般比结构静力学复杂的多。
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。
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、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。
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。 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。
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，还不完善，但断裂 和疲劳理论目前得发展很快。
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20世纪中期出现的夹层结 构和复合材料结构。
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、屋架和承力墙 等。 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。
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，从而将结构力学的研 究和应用水平提到了一个新的高度。 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、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。
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。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。
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。19世纪末 到20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粱的动力学理论 以及自由振动和受迫振动方面的问题。 20世纪初，航空工程的发展促进了对薄壁结构和 加劲板壳的应力和变形分析，以及对稳定性问题 的研究。同时桥梁和建筑开始大量使用钢筋混凝 土材料，这就要求科学家们对钢架结构进行系统 的研究，在1914年德国的本迪克森创立了转角位 移法，用以解决刚架和连续粱等问题。
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。
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(皱 损或曲屈)，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。