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文苑漫步:结构力学的发展简史

2015-03-06 15:58  来自网络  【  【打印】【我要纠错】

  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。

  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。

  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梁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年美国人乔治曼尼(George A. Maney)首先使用转角位移法,用以解决刚架和连续梁等问题。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梁、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先后进入结构力学的研究领域。

  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。

责任编辑:Seazy
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