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材料力学

材料力学发展大事记

 

    材料力学的发展是和人类社会发展密切相关的,材料力学发展史是人类文明史的一部分,其内容极其丰富,目前已出版了若干部专著。我们参考有关书籍、资料,针对材料力学发展具有重要影响的人物和研究工作,汇编了如下大事记,以期使读者对本学科的发展有一个初步的了解。

 

    1独立学科的标志及杆件的拉伸问题

    通常认为,意大利科学家伽利略(Galileo)《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》—书的发表(1638年)是材料力学开始形成一门独立学科的标志。在该书中这位科学巨匠尝试用科学的解析方法确定构件的尺寸,讨论的第—问题是直杆轴向拉伸问题,得到承载能力与横截面积成正比而与长度无关的正确结论。

 

    2梁的弯曲问题

    在《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》一书中,伽利略讨论的第二个问题是梁的弯曲强度问题。按今天的科学结论,当时作者所得的弯曲正应力公式并不完全正确,但该公式已反映了矩形截面梁的承载能力和bh2(b、h分别为截面的宽度和高度)成正比,圆截面梁承载能力和d3(d为横截面直径)成正比的正确结论。对于空心梁承载能力的叙述则更为精彩,他说,空心梁“能大大提高强度而无需增加重量,所以在技术上得到广泛的应用。在自然界就更为普遍了。这样的例子在鸟类的骨骼和各种芦苇中可以看到,它们既轻巧,而又对弯曲和断裂具有相当高的抵抗能力”。

    梁在弯曲变形时,沿长度方向的纤维中有一层既不伸长也不缩短者,称为中性层。早在1620年荷兰物理学家和力学家比克门(BeeckmanI)发现,梁弯曲时一侧纤维伸长、另一侧纤维缩短,必然存在既不伸长也不缩短的中性层。英国科学家胡克(HookeR)于1678年也阐述了同样的现象,但他们都没有述及中性层位置问题。首先论及中性层位置的是法国科学家马略特(MariotteE,1680年)。其后莱布尼兹(LeibnizGW)、雅科布·伯努利(JakobBernoulli,1694)、伐里农(VarignonD,1702年)等人及其他学者的研究工作尽管都涉及了这一问题,但都没有得出正确的结论。18世纪初,法国学者帕伦(ParentA)对这一问题的研究取得了突破性的进展。直到1826年纳维(Navier,C.-L.-M.-H)才在他的材料力学讲义中给出正确的结论:中性层过横截面的形心。平截面假设是材料力学计算理论的重要基础之一。雅科布·伯努利于1695年提出了梁弯曲的平截面假设,由此可以证明梁(中性层)的曲率和弯矩成正比。此外他还得到了梁的挠曲线微分方程。但由于没有采用曲率的简化式,且当时尚无弹性模量的定量结果,致使该理论并没有得到广泛的应用。

    梁的变形计算问题,早在13世纪纳莫尔(NemoreJde)已经提出,此后雅科布·伯努利、丹尼尔·伯努利(DanielBernoulli)、欧拉(EulerL)等人都曾经研究过这一问题。1826年纳维在他材料力学讲义中得出了正确的挠曲线微分方程式及梁的弯曲强度的正确公式,为梁的变形与强度计算问题奠定了正确的理论基础。

    俄罗斯铁路工程师儒拉夫斯基(ЖуравскийДИ)于1855年得到横力弯曲时的切应力公式。30年后,他的同胞别斯帕罗夫(ВеспаловД)开始使用弯矩图,被认为是历史上第一个使用弯矩图的人。

 

    3关于杆件扭转问题

    对于圆轴扭转问题,可以认为法国科学家库仑(CoulombCAde)分别于1777年和1784年发表的两篇论文是具有开创意义的工作。其后英国科学家杨(YoungT)在1807年得到了横截面上切应力与到轴心距离成正比的正确结论。此后,法国力学家圣维南(Saint-VenantBde)于19世纪中叶运用弹性力学方法奠定了柱体扭转理论研究的基础,因而学术界习惯将柱体扭转问题称为圣维南问题。闭口薄壁杆件的切应力公式是布莱特(BredtR)于1896年得到的;而铁摩辛柯(TimoshenkoSP,1922)、符拉索夫(ВласовВЗ,1939)和乌曼斯基(Уманский А А,1940)则对求解开口薄壁杆件扭转问题做出了杰出的贡献。

 

    4关于压杆稳定问题

    压杆在工程实际中到处可见,第11章已经述及压杆的失稳现象。早在文艺复兴时期,伟大的艺术家、科学家和工程师达·芬奇对压杆做了一些开拓性的研究工作。荷兰物理学教授穆申布罗克(MusschenbroekPvan)于1729年通过对于木杆的受压实验,得出“压曲载荷与杆长的平方成反比的重要结论”。众所周知,细长杆压曲载荷公式是数学家欧拉首先导出的。他在1744年出版的变分法专著中,曾得到细长压杆失稳后弹性曲线的精确描述及压曲载荷的计算公式。1757年他又出版了《关于柱的承载能力》的论著(工程中习惯将压杆称为柱),纠正了在1744年专著中关于矩形截面抗弯刚度计算中的错误。而大家熟知的两端铰支压杆压曲载荷公式是拉格朗日(LagrangeJL)在欧拉近似微分方程的基础上于1770年左右得到的。1807年英国自然哲学教授杨(YoungT)、1826年纳维先后指出欧拉公式只适用于细长压杆。1846年拉马尔(LamarleE)具体讨论了欧拉公式的适用范围,并提出超出此范围的压杆要依靠实验研究方可解决问题的正确见解。关于大家熟知的非细长杆压曲载荷经验公式的提出者,则众说纷云,难于考证。一种说法是瑞士的台特迈尔(TetmajerL)和俄罗斯的雅辛斯基(ЯсинскийΦС)都曾提出过有关压杆临界力与柔度关系的经验公式,雅辛斯基还用过许可应力折减系数计算稳定许可应力。

 

    5疲劳强度问题

    随时间作周期性变化的应力,称为交变应力。构件在交变应力作用下,经一定循环次数发生的破坏,称为疲劳破坏。1839年巴黎大学教授庞赛洛特(PanceletJU)在讲课中首先使用了金属疲劳的概念。19世纪中期,随着铁路运输的发展,断轴的事故常有发生,引起人们对疲劳破坏现象的研究兴趣。当时沃勒(WohlerA)首先在旋转弯曲疲劳试验机上进行开创性的试验研究,提出了应力一寿命图和疲劳极限的概念。为纪念他对疲劳强度研究工作所做的杰出贡献,人们将应力与疲劳破坏循环次数的关系曲线(即s—N曲线)称为沃勒曲线,尽管在他当时的研究工作中并没有使用这种曲线。

其后,盖帕尔(Gerber)和古德曼(Goodman)分别研究了平均应力对寿命的影响,后者还提出了考虑平均应力影响的简单理论。此后,高夫(Cough)对多轴应力状态疲劳现象进行研究,将静应力强度理论引入多轴应力疲劳问题,并和波拉德(Pollard)共同提出解决多轴应力疲劳设计的Gough-Pollard公式,出版了第一本关于金属材料疲劳的专著。