結(jié)構(gòu)力學(xué)(Structural Mechanics)是固體力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律，以及如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的學(xué)科。結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的組成規(guī)則，結(jié)構(gòu)在各種效應(yīng)（外力，溫度效應(yīng)，施工誤差及支座變形等）作用下的響應(yīng)，包括內(nèi)力（軸力，剪力，彎矩，扭矩）的計(jì)算，位移（線(xiàn)位移，角位移）計(jì)算，以及結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)（自振周期，振型）的計(jì)算等。結(jié)構(gòu)力學(xué)通常有三種分析的方法：能量法，力法，位移法，由位移法衍生出的矩陣位移法后來(lái)發(fā)展出有限元法，成為利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算的理論基礎(chǔ)。
簡(jiǎn)介
結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門(mén)古老的學(xué)科，又是一門(mén)迅速發(fā)展的學(xué)科。新型工程材料和新型工程結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn)，向結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了新的研究?jī)?nèi)容并提出新的要求。計(jì)算機(jī)的發(fā)展，又為結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了有力的計(jì)算工具。另一方面，結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)及其他學(xué)科的發(fā)展也起了推動(dòng)作用。有限元法這一數(shù)學(xué)方法的出現(xiàn)和發(fā)展就和結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究有密切關(guān)系。在固體力學(xué)領(lǐng)域中，材料力學(xué)給結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了必要的基本知識(shí)，彈性力學(xué)和塑性力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。另外，結(jié)構(gòu)力學(xué)與流體力學(xué)相結(jié)合形成邊緣學(xué)科——結(jié)構(gòu)流體彈性力學(xué)。
評(píng)定結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，從力學(xué)角度看，主要是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要保證結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，又要保證它有足夠的剛度。強(qiáng)度不夠，結(jié)構(gòu)容易破壞；剛度不夠，結(jié)構(gòu)容易皺損，或出現(xiàn)較大的振動(dòng)，或產(chǎn)生較大的變形。皺損能夠?qū)е陆Y(jié)構(gòu)的變形破壞，振動(dòng)能夠縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命，皺損、振動(dòng)、變形都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用性能，例如，降低機(jī)床的加工精度或減低控制系統(tǒng)的效率等。
很多工程結(jié)構(gòu)是受到天然結(jié)構(gòu)的啟發(fā)而創(chuàng)制出來(lái)的。人們?cè)诮Y(jié)構(gòu)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)造出新的結(jié)構(gòu)造型。加勁結(jié)構(gòu)(見(jiàn)加勁板殼)、夾層結(jié)構(gòu)(見(jiàn)夾層板殼)等都是強(qiáng)度和剛度比較高的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，還要做到用料省、重量輕。減輕重量對(duì)某些工程尤為重要，如減輕飛機(jī)的重量就可以使飛機(jī)航程遠(yuǎn)、上升快、速度大、能耗低。
發(fā)展簡(jiǎn)史
人類(lèi)在遠(yuǎn)古時(shí)代就開(kāi)始制造各種器物，如弓箭、房屋、舟以及樂(lè)器等，這些都是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)律以及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度逐漸有了認(rèn)識(shí)，并且積累了經(jīng)驗(yàn)，這表古代建筑的輝煌成就中，如埃及的埃及金字塔，中國(guó)的萬(wàn)里長(zhǎng)城、趙州安濟(jì)橋、北京故宮等等。盡管在這些結(jié)構(gòu)中隱含有力學(xué)的知識(shí)，但并沒(méi)有形成一門(mén)學(xué)科。
到19世紀(jì)初，由于工業(yè)的發(fā)展，人們開(kāi)始設(shè)計(jì)各種大規(guī)模的工程結(jié)構(gòu)，對(duì)于這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要作較精確的分析和計(jì)算。因此，工程結(jié)構(gòu)的分析理論和分析方法開(kāi)始獨(dú)立出來(lái)，到19世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)力學(xué)開(kāi)始成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。
19世紀(jì)30年代后，由于大量修建鐵路，相繼出現(xiàn)連續(xù)梁和各種桁架等結(jié)構(gòu)形式，促進(jìn)了連續(xù)梁和桁架的計(jì)算理論的發(fā)展。美國(guó)的S.惠普爾在1847年首先提出了桁架的計(jì)算理論，19世紀(jì)中出現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算理論和方法。法國(guó)的納維于1826年提出了求解靜不定結(jié)構(gòu)問(wèn)題的一般方法。這些理論形成了結(jié)構(gòu)力學(xué)的初步基礎(chǔ)。從19世紀(jì)30年代起，由于要在橋梁上通過(guò)火車(chē)，不僅需要考慮橋梁承受靜載荷的問(wèn)題，還必須考慮承受動(dòng)載荷的問(wèn)題，又由于橋梁跨度的增長(zhǎng)，出現(xiàn)了金屬桁架結(jié)構(gòu)。
從1847年開(kāi)始的數(shù)十年間，學(xué)者們應(yīng)用圖解法、解析法等來(lái)研究靜定桁架結(jié)構(gòu)的受力分析，這奠定了桁架理論的基礎(chǔ)。1864年，英國(guó)的詹姆斯·麥克斯韋創(chuàng)立單位載荷法和位移互等定理，并用單位載荷法求出桁架的位移，由此學(xué)者們終于得到了解靜不定問(wèn)題的方法。基本理論建立后，在解決原有結(jié)構(gòu)問(wèn)題的同時(shí)，還不斷發(fā)展新型結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的理論。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，學(xué)者們對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的力學(xué)研究，并研究了可動(dòng)載荷下的粱的動(dòng)力學(xué)理論以及自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)方面的問(wèn)題。
19世紀(jì)后半期，鋼結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)計(jì)算成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要步驟，計(jì)算理論也取得了很大進(jìn)展。1864年J.C.詹姆斯·麥克斯韋提出了超靜定結(jié)構(gòu)的力法方程(見(jiàn)力法)。1879年A.卡斯蒂利亞諾在他的著作中論述了利用變形勢(shì)能求結(jié)構(gòu)位移和計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)的理論。年間，O·莫爾發(fā)展了利用虛位移原理求位移的一般理論，至此分析結(jié)構(gòu)位移及超靜定結(jié)構(gòu)的一般理論日臻完善。
20世紀(jì)初，航空工程的發(fā)展促進(jìn)了對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)和加勁板殼的應(yīng)力和變形分析，以及對(duì)穩(wěn)定性問(wèn)題的研究。同時(shí)橋梁和建筑開(kāi)始大量使用鋼筋混凝土材料，這就要求科學(xué)家們對(duì)鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，在1914年德國(guó)的本迪克森創(chuàng)立了轉(zhuǎn)角位移法，用以解決剛架和連續(xù)粱等問(wèn)題。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)逐漸被用于工程結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)了剛架結(jié)構(gòu)。于是以位移為基本未知數(shù)的計(jì)算剛架的方法逐漸發(fā)展。A.本迪克森在1914年最先提出了轉(zhuǎn)角位移法。1932年H.克羅斯首創(chuàng)力矩分配法。年代期間，各國(guó)學(xué)者發(fā)展了各種形式的漸近法，其中中國(guó)學(xué)者蔡方蔭在變截面剛構(gòu)分析方面也作出了貢獻(xiàn)。后來(lái)，在年代，對(duì)復(fù)雜的靜不定桿系結(jié)構(gòu)提出了一些簡(jiǎn)易計(jì)算方法，使一般的設(shè)計(jì)人員都可以掌握和使用了。
到了20世紀(jì)20年代，人們又提出了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)想。根據(jù)結(jié)構(gòu)的“極限狀態(tài)”這一概念，學(xué)者們得出了彈性地基上粱、板及剛架的設(shè)計(jì)計(jì)算新理論。對(duì)承受各種動(dòng)載荷(特別是地震作用)的結(jié)構(gòu)的力學(xué)問(wèn)題，也在實(shí)驗(yàn)和理論方面做了許多研究工作。隨著結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展，疲勞問(wèn)題、斷裂問(wèn)題和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)問(wèn)題先后進(jìn)入結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究領(lǐng)域。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)后，結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展開(kāi)始進(jìn)入嶄新的階段。結(jié)構(gòu)分析的矩陣法等數(shù)值方法因此獲得了迅速的發(fā)展，并編制了各種結(jié)構(gòu)分析程序。隨后，在非線(xiàn)性分析、非彈性分析、結(jié)構(gòu)抗震分析、結(jié)構(gòu)抗環(huán)境作用分析等方面都取得了進(jìn)展。更由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)分析方法也取得了進(jìn)展。 20世紀(jì)中葉，電子計(jì)算機(jī)和有限元法的問(wèn)世使得大型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜計(jì)算成為可能，從而將結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究和應(yīng)用水平提到了一個(gè)新的高度。
研究?jī)?nèi)容
結(jié)構(gòu)力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律，以及如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的學(xué)科。所謂工程結(jié)構(gòu)是指能夠承受和傳遞外載荷的系統(tǒng)，包括桿、板、殼以及它們的組合體，如飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼、橋梁、屋架和承力墻等。就基本原理和方法而言，結(jié)構(gòu)力學(xué)是與理論力學(xué)、材料力學(xué)同時(shí)發(fā)展起來(lái)的。所以結(jié)構(gòu)力學(xué)在發(fā)展的初期是與理論力學(xué)和材料力學(xué)融合在一起的。結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)是：研究在工程結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等的規(guī)律；分析不同形式和不同材料的工程結(jié)構(gòu)，為工程設(shè)計(jì)提供分析方法和計(jì)算公式；確定工程結(jié)構(gòu)承受和傳遞外力的能力；研究和發(fā)展新型工程結(jié)構(gòu)。
觀(guān)察自然界中的天然結(jié)構(gòu)，如植物的根、莖和葉，動(dòng)物的骨骼，蛋類(lèi)的外殼，可以發(fā)現(xiàn)它們的強(qiáng)度和剛度不僅與材料有關(guān)，而且和它們的造型有密切的關(guān)，很多工程結(jié)構(gòu)就是受到天然結(jié)構(gòu)的啟發(fā)而創(chuàng)制出來(lái)的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，還要做到用料省、重量輕．減輕重量對(duì)某些工程尤為重要，如減輕飛機(jī)的重量就可以使飛機(jī)航程遠(yuǎn)、上升快、速度大、能耗低。
同樣材料力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等也研究桿件，但主要以各部分的應(yīng)力為對(duì)象。由于計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，處理問(wèn)題的方法更加通用，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的對(duì)象應(yīng)該包括桿系、板、殼和連續(xù)體。過(guò)去，結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)偏重于結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為主，研究如何選擇合理的截面，以達(dá)到結(jié)構(gòu)的重量輕、造價(jià)低的目的。
計(jì)算簡(jiǎn)圖
在結(jié)構(gòu)分析中，通常用簡(jiǎn)化的圖形代替實(shí)際結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為計(jì)算簡(jiǎn)圖。結(jié)構(gòu)可按計(jì)算簡(jiǎn)圖的幾何特性及受力特性分成平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，它們又可分為梁結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)（見(jiàn)拱）、剛架結(jié)構(gòu)等，以及上述各種結(jié)構(gòu)相互組合而成的組合體系。
分析方法
主要有圖解法、解析法及能量法等。
①圖解法通過(guò)圖形表示作為矢量的力，并基于矢量的圖解原理求解靜定結(jié)構(gòu)的反力和內(nèi)力。
②解析法可分為力法、位移法和混合法。力法基于靜力平衡方程解靜定結(jié)構(gòu)，并在補(bǔ)充變形協(xié)調(diào)方程后解超靜定結(jié)構(gòu)。位移法以位移為基本未知數(shù)，基于轉(zhuǎn)角位移法及靜力平衡方程求解，然后再由位移求反力和內(nèi)力。混合法是同時(shí)應(yīng)用力法和位移法兩種概念求解的方法。
③能量法基于虛功原理、能量守恒定律、最小功原理等求解各種復(fù)雜問(wèn)題（見(jiàn)能量原理）。此外，還應(yīng)用各種數(shù)值分析方法(見(jiàn)有限元法)。
學(xué)科
靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、分析力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、固體力學(xué)、材料力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、流變學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、爆炸力學(xué)、磁流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、理性力學(xué)、物理力學(xué)、天體力學(xué)、生物力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、核物理學(xué)、固體物理學(xué)。
學(xué)科體系
一般對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)可根據(jù)其研究性質(zhì)和對(duì)象的不同分為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、結(jié)構(gòu)斷裂、疲勞理論和桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論等。
結(jié)構(gòu)靜力學(xué)
結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)中首先發(fā)展起來(lái)的分支，它主要研究工程結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的彈塑性變形和應(yīng)力狀態(tài)，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。靜載荷是指不隨時(shí)間變化的外加載荷，變化較慢的載荷，也可近似地看作靜載荷。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)其他分支學(xué)科的基礎(chǔ)。
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是研究工程結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下的響應(yīng)和性能的分支學(xué)科。動(dòng)載荷是指隨時(shí)間而改變的載荷。在動(dòng)載荷作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及位移也必然是時(shí)間的函數(shù)。由于涉及時(shí)間因素，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容一般比結(jié)構(gòu)靜力學(xué)復(fù)雜的多。
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論是研究工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分支。現(xiàn)代工程中大量使用細(xì)長(zhǎng)型和薄型結(jié)構(gòu)，如細(xì)桿、薄板和薄殼。它們受壓時(shí)，會(huì)在內(nèi)部應(yīng)力小于屈服極限的情況下發(fā)生失穩(wěn)(皺損或曲屈)，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的變形，從而降低以至完全喪失承載能力。大變形還會(huì)影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其他要求，例如影響飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論中最重要的內(nèi)容是確定結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷。
結(jié)構(gòu)斷裂疲勞理論
結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞理論是研究因工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部不可避免地存在裂紋，裂紋會(huì)在外載荷作用下擴(kuò)展而引起斷裂破壞，也會(huì)在幅值較小的交變載荷作用下擴(kuò)展而引起疲勞破壞的學(xué)科。我們對(duì)斷裂和疲勞的研究歷史還不長(zhǎng)，還不完善，但斷裂和疲勞理論發(fā)展很快。
在結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)于各種工程結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究中，針對(duì)研究對(duì)象還形成了一些研究領(lǐng)域，這方面主要有桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論三大類(lèi)。整體結(jié)構(gòu)是用整體原材料，經(jīng)機(jī)械銑切或經(jīng)化學(xué)腐蝕加工而成的結(jié)構(gòu)，它對(duì)某些邊界條件問(wèn)題特別適用，常用作變厚度結(jié)構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)展，又涌現(xiàn)出許多新型結(jié)構(gòu)，比如20世紀(jì)中期出現(xiàn)的夾層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
研究方法
結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法主要有工程結(jié)構(gòu)的使用分析、實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和計(jì)算三種。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究中，這三方面往往是交替進(jìn)行并且是相輔相成的進(jìn)行的。
使用分析就是在結(jié)構(gòu)的使用過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析比較和總結(jié)，這是易行而又可靠的一種研究手段。使用分析對(duì)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)和改進(jìn)起著重要作用。新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也需要通過(guò)使用來(lái)檢驗(yàn)性能。
實(shí)驗(yàn)研究能為鑒定結(jié)構(gòu)提供重要依據(jù)，這也是檢驗(yàn)和發(fā)展結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和計(jì)算方法的主要手段。實(shí)驗(yàn)研究分為三類(lèi)：模型實(shí)驗(yàn)、真實(shí)結(jié)構(gòu)部件實(shí)驗(yàn)、真實(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。例如，飛機(jī)地面破壞實(shí)驗(yàn)、飛行實(shí)驗(yàn)和汽車(chē)的碰撞實(shí)驗(yàn)等。
結(jié)構(gòu)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)通常要耗費(fèi)較多的人力、物力和財(cái)力，因此只能有限度地進(jìn)行，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期階段，一般多依靠對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行理論分析和計(jì)算。
在固體力學(xué)領(lǐng)域中，材料力學(xué)為結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展提供了必要的基本知識(shí)，彈性力學(xué)和塑性力學(xué)又是結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，另外結(jié)構(gòu)力學(xué)還與其它物理學(xué)科結(jié)合形成許多邊緣學(xué)科，比如流體彈性力學(xué)等。
分支學(xué)科
靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、分析力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、固體力學(xué)、材料力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、流變學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、爆炸力學(xué)、磁流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、理論力學(xué)、物理力學(xué)、天體力學(xué)、生物力學(xué)、計(jì)算力學(xué)
物理學(xué)概覽、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、核物理學(xué)、固體物理學(xué)
能量法
結(jié)構(gòu)力學(xué)中的能量原理以?xún)?nèi)部和外部力量的能量或作業(yè)的形式表達(dá)應(yīng)力，應(yīng)變或變形，位移，材料特性和外部影響之間的關(guān)系。 由于能量是一個(gè)標(biāo)量，這些關(guān)系為固體力學(xué)中可變形體的控制方程提供了方便和可選的方法。 它們也可以用于獲得相當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)的近似解，繞過(guò)了解一組控制偏微分方程的困難任務(wù)。
參考資料 >