工程力學(xué)的應(yīng)用背景與研究現(xiàn)狀

高溟鍶

工程力學(xué)作為一門(mén)基本的應(yīng)用學(xué)科，具有涉及范圍大、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。工程力學(xué)在現(xiàn)代化建設(shè)中研究物體結(jié)構(gòu)、流動(dòng)特性和作用機(jī)理關(guān)系，在城市的大規(guī)模建設(shè)、交通道路規(guī)劃、交通工具受力設(shè)計(jì)及分析應(yīng)用以及在國(guó)家常規(guī)武器的研發(fā)設(shè)計(jì)、原子武器的設(shè)計(jì)、衛(wèi)星的運(yùn)行方式、深海鉆油等方面都有著極為重要的意義。隨著城市的發(fā)展和高技術(shù)精度的不斷提升，要求工程力學(xué)在常規(guī)應(yīng)用以及極端環(huán)境下的應(yīng)用中都要有較高的準(zhǔn)確性和效率，如何合理應(yīng)用工程力學(xué)來(lái)滿足社會(huì)的發(fā)展需求是亟待解決的問(wèn)題。

工程力學(xué)是一門(mén)結(jié)合了物理、數(shù)學(xué)和工程學(xué)的綜合學(xué)科，其主要包括了力學(xué)、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，從而在大量的建筑構(gòu)造、交通建設(shè)、高端武器研發(fā)、飛機(jī)制造、新型資源開(kāi)采等方面具有重要的實(shí)際意義。工程力學(xué)更是一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，要講求對(duì)理論的深入推導(dǎo)和研究。同時(shí)其又作為一門(mén)技術(shù)應(yīng)用型學(xué)科，更要求理論與實(shí)踐的有機(jī)融合?，F(xiàn)代化進(jìn)程的加快，促使其不斷完善，又催生出更多的社會(huì)需求。隨著城市的擴(kuò)張和人們生活質(zhì)量的提高，工程力學(xué)被要求在有限的空間中合理規(guī)劃，建構(gòu)生活住宅，使資源得以充分利用。在交通網(wǎng)絡(luò)逐漸完善的今天，工程力學(xué)被要求對(duì)列車(chē)、輪船精確設(shè)計(jì)，提高運(yùn)輸效率，使用新型材料建造橋梁。這些無(wú)不是工程力學(xué)實(shí)用性和廣泛性的體現(xiàn)，但如何合理運(yùn)用來(lái)滿足時(shí)代的高要求是當(dāng)下工程力學(xué)所面臨的主要問(wèn)題。

1 工程力學(xué)在交通方式中的應(yīng)用

汽車(chē)作為人們生活中最常用的交通工具，其設(shè)計(jì)、制造、維修等過(guò)程與工程力學(xué)知識(shí)息息相關(guān)。車(chē)輛在行駛過(guò)程中與地面接觸產(chǎn)生的震動(dòng)往往會(huì)使汽車(chē)零件松動(dòng)或是部分裝置裂損，這便要求汽車(chē)制造商在汽車(chē)部件焊接過(guò)程中利用新型剛性材料在高溫高壓條件下對(duì)汽車(chē)進(jìn)行嚴(yán)密焊接，該過(guò)程需要在振動(dòng)力學(xué)的知識(shí)框架下來(lái)解決。在對(duì)汽車(chē)的碰撞參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，若沒(méi)有精確計(jì)算或是對(duì)實(shí)際情況模擬不到位，在發(fā)生事故時(shí)，安全設(shè)施的工況誤差會(huì)對(duì)車(chē)內(nèi)乘客的生命造成極大威脅。同時(shí)保養(yǎng)汽車(chē)時(shí)，也應(yīng)了解相關(guān)的工程力學(xué)知識(shí)，需要知道氣缸的受熱冷卻過(guò)的物理過(guò)程，來(lái)合理地保養(yǎng)汽車(chē)以免造成人為損傷。

列車(chē)與橋梁之間的工程力學(xué)問(wèn)題也受到重視。例如，在列車(chē)高速行駛過(guò)程中，車(chē)輪對(duì)車(chē)軌、橋梁產(chǎn)生沖擊作用，橋梁及軌道的開(kāi)裂，零件的脫落將直接影響其有效安全的工作狀態(tài)和設(shè)施的使用壽命；同時(shí)橋梁與列車(chē)車(chē)身構(gòu)成整體，易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響列車(chē)的正常行駛和危害乘客安全，需要盡力避免。如何模擬實(shí)際狀況來(lái)科學(xué)合理設(shè)計(jì)以及精準(zhǔn)計(jì)算相關(guān)參數(shù)是當(dāng)前工程力學(xué)在鐵路方面的一大難點(diǎn)。

同時(shí)，工程力學(xué)在飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造中發(fā)揮著不可替代的作用。飛機(jī)在飛行過(guò)程中易遭受流體的迎面阻力、雨水侵蝕而導(dǎo)致機(jī)身開(kāi)裂甚至脫落。研究具有較高的結(jié)構(gòu)耐久性的機(jī)身材料與構(gòu)造來(lái)抵抗機(jī)身疲勞、開(kāi)裂、腐蝕是工程力學(xué)在機(jī)身研究上的重點(diǎn)，而飛機(jī)降落時(shí)受到極大的沖擊力可能會(huì)使起落架斷裂導(dǎo)致機(jī)毀人亡，而工程力學(xué)對(duì)飛機(jī)起落架的抗震等的分析起著關(guān)鍵作用。

2 城市建設(shè)中的工程力學(xué)問(wèn)題

工程力學(xué)在建筑中的貢獻(xiàn)也十分突出，合理運(yùn)用工程力學(xué)知識(shí)指導(dǎo)城市建設(shè)、規(guī)劃的方向和策略，可以有效地避免重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。日本作為一個(gè)多地震的國(guó)家，相關(guān)的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失卻控制在較低水平。原因就是日本相關(guān)設(shè)計(jì)方合理利用抗震分析原理，重視建筑的耐震性，建筑抗震性能大幅上升。

工程力學(xué)在城市建設(shè)最重要的應(yīng)用方向之一便是如何有效的提升各類(lèi)建筑的抗震性能。在不同地區(qū)需要采用不同的材料構(gòu)型，并利用儀器模擬相關(guān)地震情況，計(jì)算相關(guān)的彈性阻尼、結(jié)構(gòu)退化指數(shù)等來(lái)修建滿足相應(yīng)需求的建筑，使得震中的經(jīng)濟(jì)損失和傷亡減小到最低。建筑的承重柱等結(jié)構(gòu)中常用腹式型鋼混凝土進(jìn)行支撐，而型鋼與混凝土間的粘合強(qiáng)度直接決定其受力抗震性能，這也是一些大型城市建筑能長(zhǎng)期使用的重要原因。鋼絲網(wǎng)架水泥聚苯乙烯夾芯板具有剛度大、強(qiáng)度大、不易老化的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于新型墻體的建造，極大增強(qiáng)了建筑的穩(wěn)定性以及鋼絲網(wǎng)架水泥聚苯乙烯夾芯板的應(yīng)用。正有賴(lài)于工程力學(xué)的科學(xué)運(yùn)用，建筑物才能夠以各種奇穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)屹立在城市之中。建造者們要以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，精確計(jì)算每個(gè)參數(shù)，優(yōu)化每個(gè)部件，近一步提升房屋抗震、抗老化的性能。

3 目前工程力學(xué)的主要難點(diǎn)和發(fā)展方向

隨著社會(huì)規(guī)模的擴(kuò)大，工程力學(xué)逐漸向大型精密項(xiàng)目和多學(xué)科交叉的形態(tài)發(fā)展。海上鉆油、海底可燃冰的大量開(kāi)采、新型航母的研發(fā)、載人航天飛機(jī)的改良等等，研發(fā)設(shè)計(jì)極為復(fù)雜，需要適應(yīng)種種極端工況，這需要對(duì)每個(gè)機(jī)械部件進(jìn)行精密的加工、計(jì)算，要求其極高的精準(zhǔn)作業(yè)度，這需要設(shè)計(jì)者改進(jìn)甚至提出新的更加具有創(chuàng)新性的方案，以積極開(kāi)拓和追求極致的精神對(duì)待每個(gè)工程細(xì)節(jié)。

與此同時(shí)，在新的領(lǐng)域和交叉學(xué)科上，工程力學(xué)也扮演著不可忽視的地位。生物力學(xué)上需要運(yùn)用流體力學(xué)、固體力學(xué)等知識(shí)制造出相應(yīng)的器械來(lái)精確測(cè)量病人的血流速度、血壓大小等。將應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程力學(xué)結(jié)合，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的物理模型預(yù)測(cè)未來(lái)實(shí)際建筑將受到的力的情況等等。如缺乏將復(fù)雜理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作的能力，無(wú)法將各個(gè)體系的理論有機(jī)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮其最大的組合效益，導(dǎo)致各行業(yè)間許多學(xué)科阻塞，眾多項(xiàng)目無(wú)法開(kāi)展，使得這種多學(xué)科交叉的發(fā)展趨勢(shì)在現(xiàn)在看來(lái)雖然還不是特別明顯，但是隨著從業(yè)人員素質(zhì)的提升以及交叉學(xué)科的逐漸發(fā)展，這種結(jié)合效應(yīng)將會(huì)帶來(lái)無(wú)限的發(fā)展空間。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)形態(tài)的工程力學(xué)在城市建設(shè)、交通方式優(yōu)化、資源開(kāi)采上都有著很大貢獻(xiàn)，并在這些基礎(chǔ)應(yīng)用方面逐漸完善。隨著大型精密工業(yè)的逐漸發(fā)展和多學(xué)科交叉的應(yīng)用，工程力學(xué)在新形態(tài)下的發(fā)展需要更多的創(chuàng)新與智慧來(lái)穩(wěn)步推進(jìn)，需要以更加務(wù)實(shí)創(chuàng)新的精神積極進(jìn)取，努力實(shí)現(xiàn)工程力學(xué)的更大應(yīng)用。