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嘉峪檢測網(wǎng) 2018-07-13 11:59
提到力學模型,往往會陷入工程結構模型的簡化分析中。這或許和力學專業(yè)基礎課程以理論力學、材料力學、結構力學為主有關。在一些學校舉辦的類似“大學生力學模型大賽”中,實際上是結構模型大賽;在工程應用中,由于不同的結構對于力的傳遞路徑和方式有較大的區(qū)別,因此工程人員也較多將結構模型等同于力學模型。在這些常見的描述中容易給人造成一種誤解:力學模型即結構模型。力學模型的相關研究也多局限在結構、約束、載荷的簡化分析上。
然而,在力學后續(xù)課程的學習中,如彈性力學、塑性力學、流體力學、斷裂力學、有限元分析等,結構的具體形式并不是重點。近年來力學在生物、信息、交通、經濟等領域中的應用,并建立的交叉學科力學模型也難以僅用結構模型進行解釋。那么力學模型應該怎樣理解呢?
開爾文勛爵將力學模型置于認識論的高度,他說:“我的目標就是要證明,如何建造一個力學模型。如果我能夠成功地建立起一個模型,我就能理解它(指一般事物),否則我就不能理解。”由此可見,理解力學模型,應該將其看作是認識事物的一種方式,也只有這樣做才把握了正確理解力學模型的方向。
說到這里,先避開力學模型的準確定義,簡單回顧一下認識事物的一種基本方式。通常我們會對新事物通過“捏一捏”“拉一拉”“擰一擰”的方式感知事物特性。“捏一捏”“拉一拉”“擰一擰”在力學上被稱為物體的外載荷,物體在外載荷下的變形特征、軟硬程度便是對事物的感知認識,對事物本質的理解和認識是我們的終極目的。現(xiàn)在我們這一過程建立這樣一個模型:
外載荷--事物--響應
如果利用力學的術語,事物被稱為研究對象;每種事物都有其內在特性,不妨稱其為導致事物產生響應的內因,外載荷是導致事物產生響應的外因,要區(qū)分內因、外因則必須恰當?shù)慕缍ㄑ芯繉ο螅芯繉ο蟮脑O定又必須以研究目標為導向;響應是指在一定的外部條件下,力學指標的一種外在表征。由此可見,力學模型的建立需要包含三個步驟:
1)依據(jù)研究目的設定力學特征量,明確研究對象;
2)分析內、外因素,并進行主要性篩選;
3)建立“外部因素-事物內在特性-響應”三者之間的數(shù)學表達。
唯物辯證法的觀點認為,促使事物的發(fā)展變化由內因和外因兩部分組成,其中內因是事物發(fā)展、變化的源泉和動力,是事物發(fā)展的根本原因;外因是事物發(fā)展、變化的外在條件和誘發(fā)原因。利用這一哲學原理,并結合力學解釋材料或結構的運動、變形規(guī)律方法,力學模型的建立可以這樣理解:
首先,依據(jù)研究目的明確研究對象。繼而,劃清影響研究對象發(fā)生運動、變形的內部因素和外部因素(這里內部因素即結構、材料等事物的基本屬性,外部因素包括外部載荷、溫度、約束、以及環(huán)境等因素,對內部因素和外部因素進行主要性篩選,抓住影響研究對象運動、變形的主要因素);最后依賴于分析目的選取主要控制量,如位移、變形、力等相關參量,利用力學原理建立“外因-內因-運動、變形”的定量規(guī)律。

水面上的曲別針可以幫助了解水的表面張力,曲別針的重力就是外因(施加的載荷),內因就是水面性質,水面變形就是輸出。
根據(jù)研究對象和研究目的的不同,力學模型可以從以下幾個方面進行分類:
1)按結構類型可分為:簡支梁模型,懸臂梁模型,桁架結構,框架結構等等;
2)按材料特性分類:線彈性力學模型,塑性力學模型,粘性力學模型,流體力學模型,巖土力學模型等等;
3)按運動特征分類:質點運動模型,剛體運動模型,剛體系統(tǒng)運動模型,變形體運動模型等;
4)按物體動、靜態(tài)分類:靜力學分析模型,振動分析模型,波動力學模型,爆炸力學模型等;
5)按求解方法分類:有限元分析模型,差分模型,邊界元模型,無網(wǎng)格模型等。
適合于描述力學模型的語言也依據(jù)模型特點有所不同,如圖形描述結構模型,矢量描述受力圖,數(shù)學公式描述本構模型、振動模型,程序語言來描述有限元模型、差分模型等,也有多種語言一起描述同一力學模型的時候。
隨著學科內的發(fā)展,以及學科之間的交叉,“力學模型”的內容仍在不斷的豐富中,如考慮材料微觀結構影響宏觀力學特性的微觀力學模型,流體力學原理應用于城市道路設計中的交通流模型,利用力學模型模擬和研究經濟發(fā)展規(guī)律的經濟動力學模型等等。力學模型不僅是力學課程的重要內容,同時也為其它學科提供了有效的理論模型。在認識論中,力學模型突破了自然科學的局限,在社會科學中也發(fā)出了耀眼的亮光。

來源:AnyTesting