工程力学概论_1-精品文档.docx

工程力学概论第一部分课堂笔记一力学与二十一世纪科学与财富-力学与当代科技?大学生的理想与现实-和谐与矛盾？时机与困惑？?科学、技术与工程-研究型大学的责任是什么？?科学发展与产业革命-科学的气力在那里？?前苏联解体的科技背景-旧船票能否远行？?力学发展的里程碑-牛顿时代到何时？?力学与当代科技-重塑辉煌？?“比尔-盖茨的机遇何处寻？?“男怕入错行：方向在哪里？?志愿与专业：何为热门专业？力学的进程第一次产业革命:蒸汽机时代?强度学萌芽?亚历士多得/哥白尼/牛顿/爱因斯坦第二次产业革命:电器时代,大型机械?力学/强度/寿命/计算科学?设计/分析/制造工艺?全生命周期设计-依靠于虚拟技术?第三次产业革命:微电子技术?新领域,新问题,新机遇?材料科学工程力学工程力学是力学与当代工程科学技术穿插发展的一门力学分支学科，已成为航空与航天、机械、自动化技术、材料与加工、电子与信息、土木等国防与国民经济建设工程科学的基础；具有广泛性、复杂性和多样性，体现学科穿插发展和互相促进，以及力学在解决重大工程技术问题中的基础性和必不可少的作用。工程力学学科始终瞄准国际上工程力学和高新技术的发展前沿，以力学理论为基础，以航空宇航科技为依托，以创新成果推动我国国防事业的发展为宗旨，不断吸收其他力学学科和相关学科的最新研究成果来充实本人，更好地解决工程技术问题，并提炼出新思想、新原理和新方法，具有理论研究和应用研究并重及多学科穿插等特色。?已由对自然的探索转向为人类发展服务?工科的基础，如数学对AA自然科学?力学怎样与21世纪各优先发展领域结合为人类生存与发展服务，同时本身发展？?强度从实验室到实际构造?环境服役寿命问题?智能检测技术和控制技术?可靠性全寿命安全保障需求?微电机小卫星/微型飞行器?空间科学研究科学、技术与工程-研究型大学的责任?培养优秀人才?积聚知识，储备技术?前瞻性研究，酝酿技术?科学-将来的生产力?创新精神;创新知识;创新人才;创造事业?实现人类共同发展的理想纳米知识纳米：1nm=10-3m=10-9m=10?=10个氢原子直纳米科学技术是什么?80年代末诞生、正在迅速发展的以0.1100纳米尺度物质为对象的一种高新科技。纳米科学技术干什么？在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过机械、物理、化学方法或直接操纵原子、分子而创造具有崭新性质和性能的新材料、新器件。纳米科技的重要性Armstrong:正像70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为21世纪信息时代的核心钱学森：纳米和纳米下面的构造是下一阶段科技发展的重点，会是一次革命，进而将是21世纪又一次产业革命二十一世纪科学的前沿和主导科学分子物理力学概念?分子物理力学将传统力学与量子力学结合起来，在分子层次和纳尺度下研究物质的物理力学问题。?以牛顿力学和量子力学(QM)以及能量原理为基础,?采取自下而上为主,并与从上到下相结合的研究方式,?探索纳米/分子器件和系统的新规律和新原理,着重研究其力学与物理、生化耦合行为,?为发展纳/分子机电系统、纳/分子电子学、纳智能系统和分子仿生技术提供科学基础。?科技关键词-尺度?信息、生命与国防科技发展趋势?分子物理力学-科技发展的新基础二智能材料概述智能材料构造的诞生的主要原因：1.复合材料在构造中的普遍使用，使得驱动元件和传感元件很容易融合进入材料，组成整体；2.对机械、电子、动作等材料的多方面性能的耦合进行研究；3.微电子技术、总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息处理和快速控制方面的难题。什么是智能材料：将形状记忆合金与薄壁圆管相耦合，构成具有双向驱动能力的扭力驱动器，实现了翼面模型的上下偏转。初步建立了形状记忆合金扭力驱动器的力学模型，研制成功了由计算机控制的自适应机翼模型实验系统。构造建模与仿真建立强非线性(物理非线性和几何非线性)、多场耦合(电、磁、热弹性)的各种变分原理及相应的数值分析方法；集成器件与构造材料本体间的互相作用与耦合机理及宏细观力学行为控制方法针对分布式、非线性、强耦合、多变量及时变性复杂机械构系统，建立智能构造控制的数学模型，研究系统中控制与构造互相作用、系统辩识与状态估计。智能材料构造研究面很宽的，难度大，涉及多学科包括工程力学学科的穿插和融合。作为方兴未艾的高新技术，智能材料构造的潜在发展有着广阔的天地。能够肯定的讲，工程力学在智能材料构造研究中也是大有用武之地。构造强度研究所三数值计算与仿真任务举例：1.构造设计时进行总体应力分析数值计算，根据应力分布情况看构造设计能否合理。2.对构造的重要细节如：连接部位进行局部应力分析数值计算，决定构造能否有足够的强度。3.对构造的机构进行动态分析，包括考虑和不考虑变形两种情况数值计算和仿真。有限元建模需要遵循的原则有几何近似和物理近似。几何近似：离散构造的形状应与原来的相近。例如：曲线曲面的模拟；物理近似:离散构造的模型应能正确反映出构造在外载荷作用下的变形情况。例如：构造中应力分布不均匀；不同材料性能，十分是毁坏经过中材料性能的模拟。无单元法或无网格法(Mesh-lessmethod)该方法是目前研究的热门之一，是正在发展中的方法。优点：与有限元相比，由于不需要网格，故不存在网格畸变问题例如：金属成形中塑性大变形问题；流体气体、液体力学问题应用可能会更广些。缺点：目前，计算量大。还不能方便地用于任何复杂构造分析和仿真。还没有商用软件。四动力学经典动力学的萌芽以通信、著作方式公布研究结果：如Galileo的（两门新科学的谈话和数学证实）,Huygens的（摆动时钟）和（论物体的碰撞运动）。有心力(引力)场中质点动力学(Newton1685,Kepler1609)刚体动力学Euler1758运动稳定性理论Lyapunov1892线性振动理论Euler,Lagrange,Duhamel,Fourier经典动力学的构成成果：从书信、著作=）论文，1665年诞生了科学期刊：PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon。19世纪的工业革命汽轮机、内燃机=）机械动力学造船=）船舶动力学机械振动的近似计算轴系的扭转振动：1901年，Frith和Lamb建立了多盘轴系的基本理论；1902年，Frahm进行实验研究并着重考虑共振计算问题；其方法经太多人改良，到1945年成为Myklestad-Prohl方法。工程动力学的构成研究方式及特点多学科如计算机、控制论融合，互相促进。基本方法：采用理论和实验联合建模，用先进的计算技术、图形技术模拟系统动力学，借助人工智能进行动力学设计，用控制技术获得期望的动力学品质。数值模拟和图形软件成为新的成果形式。工程动力学在当代工程中的地位几乎所有的工程领域都存在振动问题；工程系统的振动特性是衡量系统性能的重要指标之一；如国标、军标等；Noise,VibrationandHarshness，NVH愈是先进、复杂的工程系统，对振动特性的要求愈严格；工程动力学学科是一门应用广泛、不可或缺的工程应用学科；大多数领域需要专职工程动力学科技人员来解决本领域的振动问题；现代动力学面临的挑战动载荷问题昂贵确实定性：军舰遭到的水下爆炸载荷普遍的不确定性：海洋平台遭到的波浪载荷，建筑物遭到的随机地震载荷与系统互相作用：飞机气动载荷、建筑构造风雨载荷五振动工程力学振动现象自然界中的振动现象工程构造与机械系统中的振动问题振动的危害导致构造系统的物理毁坏导致设备的性能降低或丧失导致环境污染振动的控制振动是有害的，必须加以控制事后措施被动控制；主动控制事前措施动力学设计阻尼能够有效地降低振动幅度被动控制的本质-转移振动机械能动力吸振器措施；阻尼材料措施；不需要额外能量，设置简单，可靠性高。动力吸振器阻尼材料减振措施主动控制的原理-以其人之道还治其人之身效果好，指那打那；需要外加能量，高电压信号；系统复杂昂贵，可靠性低；事前振动控制目的：在给定的条件下设计出不振动或振动很小的构造与机械设备策略：在构造或机械系统的设计阶段采取措施，预防在工作状态中有害振动的出现。方法：对设计模型进行振动分析，改变设计参数使得设计模型的振动水平到达控制的要求。振动的利用应用于机械设备来产生往复运动或周期性的冲击力振动筛；气动工具；送料带粉碎机；筑路机械电动推拿器、减肥器；振动试验激振器应用于工程系统的健康监测与故障诊断原始的敲击法检测器皿和部件的裂纹就是最早的振动信号用于检测目的：在线监测构造或机械系统的健康状态策略：根据构造的振动特性由构造的物理参数分布唯一决定的原理，通过监测系统的振动特性的变化来监控其健康状态；方法：对工作状态中的振动信号进行信号处理；提取反映系统振动特性的特征参数，监测这些特征参数来到达监控系统的健康状况。利用人工发射的或者自然的振动信号来探测目的、监测对象的某种状态，如声纳-发射振动信号，接受、分析回波，确定目的舰船的位置；对接遭到的舰艇振动信号进行振动特征声学指纹分析，以确定目的的属性；探矿-分析地震波的能量和频率成分，确定矿藏的成分、规模以及埋藏深度；地震预报-分析微小地震波的特征，预测大地震的发生地域和时间。