基于机械强度学的发展研究

摘 要 机械强度学在机械学科的发展中起着重要的作用，它是研究机械系统和材料结构在机械载荷、热载荷以及各种力学、物理、化学等广义驱动力的作用下产生变形、功能和性能的变化和损坏过程。从早期传统的疲劳强度理论的研究，到如今结合智能材料和结构等领域的发展，强度学在随着科学进步的同时，仍在存在着一些问题。本文基于一般强度理论，结合工程实际，介绍了强度学的主要研究方法，并对强度学在实际工程领域中存在的关键问题进行探讨，最后介绍了强度学未来研究趋势。

关 键 词 机械强度；研究方法；趋势展望

中图分类号：TH114 文献标识码：A 文章编号：1671―7597（2013）031-010-02

1 机械强度学研究的主要方法

试验研究是机械强度学中主要的研究方法。试验研究包括验证试验、建立材料数据库和设计所需的各个层次的实验数据积累，它可分为新的试验方法研究和新的破坏规律研究两大类。目前，强度学主要的研究方向有以下几方面。

1.1 复杂应力状态下机械的破坏

在复杂化学、物理环境中结构的破坏规律的研究必须依靠试验研究和试验数据的累积。由于机械零部件间的连接等因素对机械失效影响很大，因此也必须依据试验来研究和揭示其影响。

1.2 材料破坏的几何效应尺寸

材料的机械性能和许多力学参数在从标准试件，小尺寸模拟件到全尺寸结构时会发生很大变化，将试验研究与三维破坏理论研究相结合对解决材料破坏的几何尺寸效应具有重要意义。

1.3 新型材料的破坏规律的试验研究

随着陶瓷、金属间氧化物、复合材料陶瓷，复合材料涂层等新材料的不断涌现，研究新型材料在结构服役载荷，以及制造过程中存在的内应力作用下的破坏规律的成为热题。在疲劳载荷作用下，这些新型材料具有与金属材料完全不同的破坏机理，因此成为强度学研究的一个重要领域。

1.4 智能材料在微机电系统中使用的试验研究

随着智能材料的涌现，在电、磁、光、热等多物理和力学场中大量采用智能器件。在机械载荷、热、电、磁强交互作用时，对这类材料和系统使用的功能，寿命等指标来说是面临着巨大的挑战。因此又提出了一类新的强度学问题，同样需要通过试验方法来研究新的规律。另外，这类结构系统不断的向微型化方向发展，尺寸效应强烈，创新试验研究迫在眉睫，因此应结合物理、化学等多学科交叉研究。

1.5 先进材料工艺微结构―性能关系试验研究

微机电系统，纳米材料结构和纳米机光电系统的研究涉及到一系列微结构―性能关系。例如纳米多层膜的性能试验研究。

2 工程技术中的关键强度问题

2.1 航空宇航领域中飞机结构的关键强度问题

飞机结构的腐蚀――疲劳――断裂联合交互作用下的疲劳寿命和日历寿命问题，三维疲劳断裂统一理论和复杂环境全寿命问题，结构材料三维破坏的客观参量和数据库，腐蚀，复合材料结构的强度和耐久性，操纵控制系统的可靠性问题，智能材料和结构材料系统的耐用性、可靠性，关键部位的焊接结构强度问题等都是需要进一步研究的重要问题。

2.2 先进制造

超常物理环境中的材料制造、材料焊接、精密电铸和模铸、结构和设备的再制造工程、材料和结构的特殊加工等过程的物理和数学建模，力学模拟、优化设计、断裂失效准则、随机理论和可靠性等不仅具有重大的工程实际意义，而且涉及广泛的学科前沿领域。金属基、陶瓷基等复合材料、单晶叶片等各向异性材料和结构化材料在结构设计、制造中的力学分析、制造工艺优化设计问题，强度性能、质量控制，微器件的自组织生长制造以及设计、制造一体化等都是重要的研究方向。

2.3 交通运输

车辆的冲压成型设计和虚拟需要力学和强度理论做基础，车体结构的腐蚀疲劳，冲击破坏与抗冲撞设计、车体的制造和装配质量控制等都是强度学研究的重要课题。桥梁结构的强度、寿命设计、腐蚀防护和预测、损伤监测与维护、损伤容限评定等都是需要先进的强度理论指导。

2.4 卫生健康领域

卫生健康领域的关键强度问题有：骨的疲劳强度、损伤与生长恢复、力场作用下细胞的生长和变异、植入体和人造器官的体液腐蚀和疲劳强度与寿命、微型医学仪器的设计等。更深入的问题与生化，纳米材料和分子生物等相关。

2.5 新材料

新材料的研制与材料的结构和性能的关系认识密切相关。在过去，机械性能评定与机械设计，结构强度评定需要的参量有很大距离。如何评定次材料几何尺寸无关的客观参数体系，更好的评价、设计、使用材料是急需开展的重要工作。

3 发展展望

机械强度学是一个发展了上百年的学科，在第一次工业革命和第二次工业革命期间，尤其是在航空科技的发展初中期，传统的以机械载荷下材料和破坏为主的强度学曾对国民经济发展和技术的进步产生过重大的作用。但随着以微电子技术为核心的第三次工业革命的到来和信息产业在全球经济中地位的上升，传统的强度学问题不再是制约经济发展的重大问题。随着计算机科学的发展，各学科间的交叉融合和纳米技术的发展，强度学研究的内容和方向必须更新才会有生命力。因此结合实际，材料强度学有以下的发展趋势。

1）复杂环境问题：包括温度场、物理场、化学场多场作用下的材料和结构破坏理论、强度准则、寿命的预测。这里试验研究和方法研究必须结合，分析方法和先进材料技术必须结合。

2）材料和结构的三维破坏理论：从三维力学描述、材料破坏机理和微裂纹演化规律出发建立疲劳断裂的统一理论，为全寿命预测提供科学依据，为提高疲劳寿命预测能力和可靠性提供更有效的设计理论和方法。

3）先进制造：先进制造过程和工艺的虚拟和优化设计。

4）微机电系统和纳米科技中的创新研究：包括微型制造技术模拟分析、自组织生长机理分析和虚拟分析理论，纳米器件间以纳米器件和固着基体间的力、电、磁相互作用，纳米器件间的物质、能量、信息等的交换，纳米多层膜结构的分析和设计，芯片上的系统的纳米力学分析和设计等。

5）全寿命安全保障和控制系统：将智能监测和控制、微机电系统、先进的信号提取和处理、故障诊断、三维损伤容限和耐久性等技术相融合，建立机械系统的全寿命安全保障和控制体系，实现寿命、可靠性、经济型的指标的全面提高。

6）先进的计算方法和大规模高效计算虚拟软件的研制开发：多层次、多尺度、多场耦合、多过程一体化计算机模拟平台和全生命周期计算机辅助设计和数字虚拟技术。

参考文献

[1]张祖明.机械零件强度的现代设计方法[M].北京：航空工业出版社，1990.

[2]李培宁.机械与动力工程[M].科学出版社，2008.