固体力学研究前沿与趋势[行业特制]
固体力学的发展及其在航空航天工程中的应用研究
固体力学的发展及其在航空航天工程中的应用研究
杨泽天
【期刊名称】《中国设备工程》
【年(卷),期】2022()13
【摘要】固体力学作为力学的一个重要分支,是研究固体材料受力时内部应力应变规律以及变形破坏规律的学科。
随着有限元理论的发展以及计算机在固体力学领域的广泛应用,计算固体力学在现代得到了迅速的发展。
在20世纪50年代左右,固体力学又衍生出断裂力学以及复合材料力学这两个分支。
20世纪70年代,细观力学逐步发展,在材料的强度和韧性方面的研究取得了重大进展。
近年来,随着中国宇航产业的蓬勃发展,为适应各种苛刻环境条件而开发新型航空材料的计算模拟需求也在不断提升。
本文着眼于固体力学的发展,分析了计算固体力学在中国航空技术中的应用。
【总页数】3页(P116-118)
【作者】杨泽天
【作者单位】重庆大学
【正文语种】中文
【中图分类】V214
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1.固体力学的发展及其在航空航天工程中的运用解析
2.航空航天综合多学科交叉与技术是力学发展的源动力--"记首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会"
3.
无网格迦辽金法在固体力学中的应用研究4.力学支撑先进复材设计与制造助力航空航天轻量化结构发展——走进同济大学航空航天与力学学院先进复合材料结构设计与制造团队5.《固体火箭技术》航空航天结构与力学专栏征稿启事
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一般力学与力学基础的前沿研究与发展趋势
一般力学与力学基础的前沿研究与发展趋势力学是研究物体运动和受力情况的一门科学。
作为自然科学的基础学科之一，力学在科学研究和工程应用中起着重要的作用。
本文将介绍一般力学与力学基础的前沿研究与发展趋势。
1. 自旋力学自旋力学是近年来力学领域的一个前沿研究方向。
传统的力学理论主要研究物体的平动和转动，而自旋力学则研究物体的自旋运动。
自旋是微观粒子特有的性质，具有重要的量子力学特征。
自旋力学的发展对于深化对微观世界的认识具有重要意义。
2. 多体力学多体力学是研究多个物体相互作用的力学学科。
随着科学技术的发展和研究对象的复杂化，多体力学成为力学研究的一个重要方向。
多体力学涉及多种物理现象和学科交叉，如天体力学、固体力学等。
通过对多体系统的研究，可以揭示物体间的相互作用规律和宏观现象的基本原理。
3. 复杂系统力学复杂系统力学是研究非线性、不确定性和随机性等复杂系统的力学学科。
复杂系统广泛存在于自然界和社会系统中，具有自组织、自相似、非平衡态等特征。
复杂系统力学的研究可以提供对复杂系统行为的解释和预测，对于社会、生物和工程等领域具有重要的应用价值。
4. 弹塑性力学弹塑性力学是研究物体在受力作用下的弹性变形和塑性变形的力学学科。
弹性变形是指物体受力后能够完全恢复原状的变形，而塑性变形则是物体受力后无法完全恢复原状的变形。
弹塑性力学的研究对于材料力学和工程结构设计具有重要的理论和实践价值。
5. 生物力学生物力学是研究生物体运动和受力情况的力学学科。
生物体是活动的物体，其运动和受力涉及到生物组织的力学特性和机制。
生物力学的研究对于解释生物运动原理、优化运动方式和改善生物工程等领域具有重要的意义。
6. 粒子力学粒子力学是研究物体微观粒子的运动和相互作用力的力学学科。
粒子力学是量子力学和相对论力学的基础，对于解释微观世界的规律和预测微观现象具有重要的意义。
粒子力学的发展在加速器物理学、核物理学和高能物理学等领域发挥着重要的作用。
固体力学就业方向
固体力学就业方向固体力学是一门研究物体内部受力和变形的学科，广泛应用于工程、建筑、航天、汽车、机械等领域。
随着社会的发展和科技的进步，固体力学越来越受到人们的关注，成为一个热门的就业方向。
本文将从固体力学的定义、应用领域、就业前景等方面进行探讨。
一、固体力学的定义固体力学是研究物体内部受力和变形的学科，它主要研究物体在外界作用下的应力、应变和变形等力学性质。
它是力学的一个分支，主要包括弹性力学、塑性力学、断裂力学、疲劳力学、复合材料力学等方向。
固体力学的研究对象包括各种材料，如金属、陶瓷、塑料、复合材料等。
二、固体力学的应用领域固体力学是一门广泛应用于工程、建筑、航天、汽车、机械等领域的学科。
下面我们来看一下固体力学的主要应用领域：1.机械工程固体力学是机械工程中不可或缺的一门学科。
机械工程师需要掌握固体力学的基本理论和方法，以便在设计和制造机械设备时能够预测和分析材料的性能和受力情况。
2.土木工程土木工程师需要掌握固体力学的原理和方法，以便在设计和建造桥梁、隧道、大坝等工程时能够预测和分析结构的受力情况和变形情况。
3.航天工程航天工程师需要掌握固体力学的基本理论和方法，以便在设计和制造航天器时能够预测和分析航天器在大气层内和太空中的受力情况和变形情况。
4.汽车工程汽车工程师需要掌握固体力学的原理和方法，以便在设计和制造汽车时能够预测和分析汽车的受力情况和变形情况，从而提高汽车的安全性和性能。
5.材料科学材料科学家需要掌握固体力学的基本理论和方法，以便在研究材料的性能和应用时能够预测和分析材料的受力情况和变形情况。
三、固体力学的就业前景随着社会的发展和科技的进步，固体力学在各个领域的应用越来越广泛，因此，固体力学的就业前景也越来越广阔。
下面我们来看一下固体力学的就业前景：1.机械工程师机械工程师是固体力学的主要就业方向之一。
机械工程师可以在制造、设计、研发等领域工作，例如汽车制造、航空航天、机器人制造等。
力学计量的发展现状及未来趋势分析
力学计量的发展现状及未来趋势分析1. 引言力学计量是应用于工程、科学和技术领域的重要学科，旨在研究物体的运动、力的作用和力的测量。
力学计量的发展对于现代科技和工业领域的发展起着至关重要的作用。
本文将探讨力学计量的当前状态及未来的趋势。
2. 发展现状2.1 传统力学计量传统力学计量的发展主要集中在传感器、测量仪器和标准装置的改进和研发上。
传感器的发展从最早的机械测力计、压力传感器发展到现代的电子传感器和纳米力传感器，测量的准确度和灵敏度得到大幅度提高。
此外，标准装置的研发也对力学计量的发展起到了重要作用，如加速度计、测力仪器和测力传递装置的不断改进。
2.2 基于机器学习和人工智能的力学计量近年来，机器学习和人工智能的发展对力学计量的研究产生了积极影响。
通过机器学习算法的应用，可以更好地处理和分析力学计量的数据，提高测量的准确性和效率。
此外，人工智能的应用也带来了更精准的测量结果，使得力学计量的技术得以进一步发展。
3. 未来趋势3.1 高精度和高稳定性未来的力学计量技术将更加关注高精度和高稳定性。
随着社会的发展和对测量结果精确度要求的提高，对高精度和高稳定性的需求将不断增加。
因此，力学计量的研究将继续改进传感器、仪器和标准装置，以提供更精确的测量结果。
3.2 纳米力测量随着纳米科技的进步，纳米力测量将成为未来力学计量研究的一个重要方向。
由于纳米材料具有特殊的物理和力学特性，纳米力测量可以实现对微观和纳米级物体的力学性质的准确测量。
纳米力测量的发展有望在纳米技术和纳米器件研究领域发挥重要作用。
3.3 跨学科融合未来力学计量的发展将不再局限于传统的物理学和工程学领域，而是借鉴其他学科的理论和技术，实现跨学科的融合。
例如，生物学、化学和医学等领域的研究成果可以应用于力学计量的研究中，从而拓宽力学计量的应用领域。
3.4 多元化的应用未来的力学计量技术将面临多元化的应用需求。
随着科技的不断进步，力学计量的应用领域也将不断扩展。
计算固体力学中的重要研究领域
结构优化. 结构优化是应用中的重大课题。近年来已从结构尺寸优 化发展到结构形状和拓扑的优化。与优化相关联的反问题是许多应 用课题中的基础，应大力予以研究。在优化与反问题中，可应用序 列线性规划与序列二次规划法。
结构优化分析反过来对于力学基础理论也作出了重要推动。在板的 优化研究深入之际，已发现传统的连续体并不是最优的，真实的优 化解应当是由无限密肋组成的板结构形式。这个结构影响深远，由 此启发出微结构材料设计这一尖端领域。一般的结构优化问题中未 知量是连续变化的，而拓扑优化则是离散的，而且改变着区域的拓 扑性质，所以拓扑优化的非线性性质更高出一个层次; 至于设计方 案、总体布局等问题，甚至都无法找到恰当的数学模型来进行表达， 这一类非线性只能用人工智能、专家系统的手段来处理。
结构动力学问题（如抗震动力分析与控制）是不能松懈的课题。时程积分是结构动力学的基本问 题。对于结构在冲击荷载、突加荷载、控制力、热冲击、传质传热等过程中的响应都要进行时程积分 的计算。当前熟知的Newmark法、Wilson-θ法、中央差分法等差分类的算法，易于带入误差，应发 展高精细程度的积分类算法。
在这一研究趋势下，计算固体力学算法研究的若干重 要问题可列举如下:
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计算细观力学. 为深入研究材料的本构和破坏行为，提出了多种细观的离散模型， 例如分子动力学模拟、缺陷和裂纹的损伤演化模拟等。
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解析法与数值法的结合. 采用数值法并不排斥解析法，巧妙地采用解析法可能带来 有价值的结果。边界元法就是这种结合的产物。对于旋转体或多种对称的结构可 用群论方法求解。这类有效算法应当集成到通用有限元程序中。
求解各类大变形固体力学问题是当今数值计算的一个重要发展方向，它们涉 及到材料粘塑性、流变、热传导与相变等效应，需要发展相应的有效算法。
21世纪力学发展趋势
21世纪初的力学发展趋势力学是力与运动的科学，它研究的对象主要是物质的宏观机械运动，它既是基础科学，又是众多应用科学特别是工程技术的基础。
它过去建立在牛顿定律和经典热力学的基础上，现在则扩大到量子力学描述的微观层次。
力学和天文学、微积分学几乎同时诞生，曾在经典物理的发展中起关键作用。
20世纪力学在推动地球科学，如大气物理、海洋科学等的定量化方面，作出了重大贡献。
近年来还在材料科学、生物学、医学等科学分支中起着越来越重要的作用。
由研究弦、杆、板振动而形成的数学物理方法中的谱理论，很自然地被移用到量子力学。
由力学现象中首先发现的分叉(可追溯到200多年前Euler对压杆稳定性的研究)、孤立波(约100年前)、混沌(30年前)等现象以及相应的理论方法，是被称为20世纪自然科学最重要发展之一的非线性科学的核心部分。
由于力学本质上是研究物体宏观运动的，而宏观运动是人类唯一可以直接感知，因而更易理解的运动，所以由力学中首先发现的带有规律性的现象，后来被发现具有超出宏观运动意义的这种人类认识自然的无穷尽的过程，今后仍将继续不断。
力学又是为数极多的工程技术的基础学科。
在20世纪，出于工程技术发展的需要(顺便提一句，工程可以说无一例外地是宏观的)，应用力学有空前的发展。
在力学理论的指导或支持下取得的工程技术成就不胜枚举。
最突出的有：以人类登月、建立空间站、航天飞机等为代表的航天技术；以速度超过5倍声速的军用飞机、起飞重量超过300t、尺寸达大半个足球场的民航机为代表的航空技术；以单机功率达百万千瓦的汽轮机组为代表的机械工业，可以在大风浪下安全作业的单台价值超过10亿美元的海上采油平台；以排水量达5×105t的超大型运输船和航速可达30多节、深潜达几百米的潜艇为代表的船舶工业；可以安全运行的原子能反应堆；在地震多发区建造高层建筑；正在陆上运输中起着越来越重要作用的高速列车，等等，甚至如两弹引爆的核心技术，也都是典型的力学问题。
前沿材料学领域的研究进展与趋势
前沿材料学领域的研究进展与趋势随着人工智能、互联网、生物技术等领域的发展，科学技术的蓬勃发展已成为当今社会的重要标志。
在这样一个背景下，前沿材料学领域的研究也在不断推进。
本文将介绍前沿材料学领域的研究进展与趋势，包括先进合金、功能纳米材料和智能材料。
一、先进合金先进合金是一种新型材料，具有优异的性能和广泛的应用前景。
合金是指由两种或两种以上的金属或非金属元素在一定比例下按照一定的物理化学方法制备的材料。
通过对合金内元素、结构和组织等方面的调控，可以获得更加优异的性能。
先进合金的主要应用领域是航空航天、汽车、能源和生命科学等领域。
其中，镍基合金是一种常见的先进合金，广泛应用于高温高压和腐蚀环境下的部件。
这些材料在这些应用领域中具有重要的作用。
二、功能纳米材料功能纳米材料是指具有特殊功能的纳米级别材料，这些材料是由一系列纳米结构构成的。
与传统的材料相比，功能纳米材料具有更高的比表面积、更强的量子化效应、更强的光学、电学和磁学性能。
这些优异的性能赋予纳米材料许多新的应用领域，包括纳米电子学、纳米药学、纳米传感器和纳米光学器件等。
以碳纳米管为例，它们在电子输运、力学特性、光学特性和热学特性方面具有优异的性能。
碳纳米管材料是近年来相对成熟的纳米材料之一，已经得到了广泛的研究和应用。
三、智能材料智能材料是一种具有响应能力的新型材料，这些材料可以像生物体一样“感知”外部信号并以特定的方式响应。
智能材料可以通过控制温度、电场、磁场等外部因素，以特定的性能响应，如形状记忆、感应变色、感应变形等。
这些材料的应用领域包括机器人学、医学等领域。
以形状记忆合金为例，它具有快速的形状记忆、良好的耐腐蚀性和耐高温性等优点，在产品设计、医学器械、防盗系统等领域得到了广泛应用。
总之，先进合金、功能纳米材料和智能材料在材料学领域中呈现出高度活力和增长潜力。
未来，这些材料将成为推动科学技术进步和人类社会发展的驱动力。
固体力学
固体力学作业学院材料科学与工程学院专业名称材料工程班级 Y110301 姓名成炼学号 S2*******固体力学概述摘要：固体力学是整个力学学科中研究规模最大的分支学科。
该学科的研究是材料、水利、土木工程等学科的发展有很大的推动作用。
本文对固体力学的概念、发展历程、学科特点及其中的分支材料力学进行了简介。
并对本学科发展面临的问题进行了讨论。
关键词：固体力学；材料力学；学科特点Overview of solid mechanicsAbstract: Solid mechanics is the largest branch of mechanics. The study of this subject promotes the development of other disciplines, such as materials and civil engineering. The concept and characteristics of the subject will be introduced, as well as its problems.Keywords: Solid mechanics；Material mechanics；Subject characteristics一、固体力学的发展1.概念固体力学是研究可变形固体在外界因素作用下所产生的应力、应变、位移和破坏等的力学分支。
固体力学在力学中形固体力学成较早，应用也较广。
应用学科包括水利科技工程力学、工程结构、建筑材料、工程力学等。
固体力学是力学中形成较早、理论性较强、应用较广的一个分支，它主要研究可变形固体在外界因素(如载荷、温度、湿度等)作用下，其内部各个质点所产生的位移、运动、应力、应变以及破坏等的规律。
固体力学研究的内容既有弹性问题，又有塑性问题；既有线性问题，又有非线性问题。
在固体力学的早期研究中，一般多假设物体是均匀连续介质，但近年来发展起来的复合材料力学和断裂力学扩大了研究范围，它们分别研究非均匀连续体和含有裂纹的非连续体。
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1
➢ 力学及固体力学概况
➢ 固体力学研究前沿与趋势
➢ 年轻学者发展建议
一类荟萃
2
力学既是基础学科，又属于技术科学
近代科学的兴起及第二次革命都起始于力学：
牛顿（1643－1727）
爱因斯坦（1879－1955）
一类荟萃
3
力学既是基础学科，又属于技术科学
力学植根于国民经济的各个产业门类：
哪里有技术难题，几乎哪里就有力学难题
（9）岩体力学和土力学；（10）冲击动力学；（11）结构力学；
（12）结构振动与噪声；（13）结构优化和可靠性分析；
（14）制造工艺力学；（15）实验固体力学；
（16）计算固体力学；（17）流固耦合作用。
固体力学历经数百年的发展，已对科学技术的发展起到了巨大的 推动作用，成为很多工程学科的重要基石。
历史的发展表明，固体力学是一个生命力强、新学科生长点 不断出现的力学学科分支。
一类荟萃
9
（1）固体力学与其它学科交叉
固体力学的发展更多地与物理学、材料科学、化学等密切结 合，产生了一些新的学科生长点，例如，力-电-磁-热-声-光 等多场耦合问题，极端环境下的材料和结构力学）多尺度力学与微纳米力学
一类荟萃
7
➢ 力学及固体力学概况
➢ 固体力学研究前沿与趋势
➢ 年轻学者发展建议
一类荟萃
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固体力学研究前沿与趋势
固体力学的发展一直紧密地结合国家重大需求，服务于国民 经济发展。进入21世纪以来，固体力学的发展出现以下热点 领域：
（1）固体力学与其它学科交叉； （2）多尺度力学与微纳米力学； （3）生命物质的力学行为及其优化； （4）复杂力学现象的科学计算。
多尺度力学和微纳米力学是当前力学发展的一个主流，随着 尺寸的减小，材料表现出大量异于宏观情形的独特性质，也 给力学研究带来了许多机遇和挑战。
一类荟萃
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（3）生命物质的力学行为及其优化
生物力学与仿生力学在力学学科中占据越来越重要的地位。 生物材料和软材料力学也是当前力学学科的一个热点领域。
一类荟萃
2. 在当今大科学时代，必须开展合作研究。 3. 在固体力学界内部，从事计算、实验和理论研究的学
者之间必须密切配合。 4. 青年学者必须踏踏实实、持之以恒，才能取得具有原
创性和推动性的成果。
一类荟萃
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一类荟萃
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（4）复杂力学现象的科学计算
前面几个热点领域的科学问题往往具有多场耦合、跨时间 与空间尺度、强非线性、高度不确定性等特征，给计算固 体力学研究提出了挑战。
一类荟萃
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➢ 力学及固体力学概况
➢ 固体力学研究前沿与趋势
➢ 年轻学者发展建议
一类荟萃
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年轻学者发展建议
1. 固体力学青年学者必须结合自己的特长逐步融入具有 创新性的前沿基础研究，要加强与其它学科的交叉与 融合，形成固体力学新的学科生长点，进一步丰富固 体力学的研究内容与方法。
一类荟萃
6
固体力学学科分类
按自然科学基金委的划分，力学是一级学科，固体力学是二级 学科，其下有17个分支学科：
（1）弹性力学与塑性力学； （2）疲劳与断裂力学；
（3）损伤、破坏机理和微结构演化； （4）本构关系；
（5）复合材料力学；（6）新型材料的力学问题；
（7）极端条件下的材料和结构；（8）微机电系统中的固体力学问题；
一类荟萃
4
力学之前途无量——历史名人
牛顿
爱因斯坦 拉格朗日
哈密顿
钱学森
周培源
钱伟长 郭永怀
一类荟萃
下一个？
5
固体力学的定义
固体力学旨在认识与固体受力、变形、流动、断裂有关的全部 自然现象，并包括利用这些知识来改善人类生存条件、实现人 类目标的全部努力。
与整个力学学科一样，固体力学兼具技术科学与基础科学的属性， 既为工程设计和发展生产力服务，也为发展自然科学服务。