具体描述
本书是普通高等教育机电类规划教材，按60-72学时的教学要求编写。
全书共有十二章和附录，内容包括绪论、杆件的内力分析、杆件横截面上的应力应变分析、杆件的变形计算、应力状态和应变状态分析、材料力学性能及实验应力分析基础、压杆稳定、杆类构件静力学设计、能量法初步、简单静不定问题、动载荷、交变应力、平面图表的几何性质。每章后面均附有思考题和习题。
本书可作为普通高校机电类各专业用教材，也可作为非机电类专业的教材，同时也可供有关工程技术人员参考。
《结构工程中的先进材料与制造技术》 本书旨在为结构工程领域的专业人士、研究人员及高年级学生提供一个全面、深入的视角，探讨在现代土木、航空航天及机械工程结构中，那些超越传统钢筋混凝土与普通钢材的“先进材料”及其前沿制造技术的应用与挑战。 --- 第一部分：超高性能与功能化结构材料的革新 本部分聚焦于那些在力学性能、耐久性或特定功能性上实现质的飞跃的新型结构材料。我们不仅回顾基础理论，更侧重于工程应用层面的突破。 第一章：超高性能混凝土（UHPC）的精细化设计与长期性能评估 本章深入剖析UHPC（Ultra-High Performance Concrete）的微观结构，重点探讨其高韧性、极佳的抗压强度（可达150-200 MPa）及其对传统配筋概念的颠覆。内容涵盖： 1. 基体改良技术： 从纤维类型（钢纤维、聚合物纤维）的选择、表面处理到超细粉料（如纳米二氧化硅、活性矿物掺合料）的最佳配比。 2. 自密实与可施工性： 如何通过高性能减水剂和流变学控制，确保UHPC在复杂模具中的完全填充，并避免离析。 3. 长期服役性能： 详细分析UHPC在极端环境下的耐久性，包括抗氯离子渗透性、冻融循环下的微裂缝演化、以及在海洋环境下的腐蚀抵抗力。特别关注其在预应力结构中的应用潜力。 4. 本构关系与建模： 介绍适用的非线性本构模型，用于精确预测UHPC构件在极限荷载下的应力-应变响应，及其与有限元分析软件的耦合方法。 第二章：新型轻质与高比强度金属合金的应用 本章探讨航空航天和高端装备制造业中对轻量化结构提出的严苛要求，以及传统铝合金和钢材的局限性。 1. 镁合金与铝锂合金： 深入分析这些轻质合金的晶体结构特点、焊接性（特别是激光焊接和搅拌摩擦焊）的改进策略，以及在提高抗疲劳性能方面的最新进展。讨论其在桥梁或高层建筑外围护结构中的应用可行性。 2. 高熵合金（HEA）的结构稳定性： 尽管目前主要应用于极端温度环境，但本章会探讨HEA在室温下展现出的高屈服强度和多相结构的潜力，如何通过精确控制合金成分，实现结构材料性能的“全能化”。 3. 金属基复合材料（MMC）： 重点介绍以碳化硅（SiC）或氧化铝（Al2O3）颗粒增强的铝基复合材料，及其在提高刚度和耐磨性方面的优势，以及在制造工艺中如何控制界面反应以确保力学性能的有效传递。 第三章：先进聚合物与纤维增强复合材料（FRC） 复合材料是实现结构复杂几何形状和轻量化的关键技术。本章侧重于结构级复合材料的设计与失效分析。 1. 碳纤维增强聚合物（CFRP）的结构化应用： 不仅是外部加固，更深入研究预制CFRP筋材在预应力构件中的应用，分析其与传统钢绞线的力学差异。讨论CFRP的长期蠕变行为和温度敏感性。 2. 玻璃纤维增强聚合物（GFRP）的成本效益分析： 对比GFRP在特定腐蚀环境（如化工厂或海水接触区）下的长期耐久性优势，以及在成本控制下的规模化应用策略。 3. 夹层结构与层合板的失效机制： 详细解析层间剪切失效（特别是脱层）的机理，介绍内嵌传感技术用于实时监测层间损伤。探讨不同基体树脂（环氧树脂、乙烯基酯树脂）的选择对材料韧性的影响。 --- 第二部分：结构制造、成型与数字化集成技术 先进材料往往需要先进的制造工艺才能充分发挥其潜力。本部分关注如何将材料转化为可用的结构单元。 第四章：增材制造（3D打印）在结构工程中的角色转变 从原型制造到承载构件制造的跨越，是本章的核心议题。 1. 金属增材制造（DMLS/SLM）的应力控制： 深入探讨激光熔池中的残余应力形成机理，以及如何通过优化扫描路径、预热策略和后处理（热等静压HIP）来消除微裂纹和提高构件的疲劳寿命。 2. UHPC与水泥基材料的挤压式增材制造： 研究浆体流变性对打印层间粘结强度的影响。重点分析多层堆叠界面处的有效固化和强度恢复机制。 3. 复合材料的定向沉积制造（DMD）： 探讨如何通过精确控制纤维的方向和铺层，制造出具有各向异性力学性能的结构件，实现性能的局部优化（Topology Optimization的制造实现）。 第五章：连接技术与结构节点的演化 先进材料的连接往往是结构完整性的瓶颈。 1. 摩擦搅拌焊（FSW）在异种材料连接中的应用： 针对铝合金与钢材或复合材料的连接，解析FSW如何通过固态混合实现高强度连接，避免传统熔焊带来的脆性相生成。 2. 结构胶粘接技术与界面力学： 介绍高性能环氧树脂和聚氨酯结构胶的力学性能，重点分析胶层在动态荷载下的疲劳性能及老化效应。研究界面表面预处理技术（如等离子激活）对粘接强度的提升作用。 3. 模块化与预制化节点设计： 针对UHPC与钢结构的连接，探讨使用高强度螺栓连接盒或内嵌锚固件的设计方法，以确保节点处的应力平顺过渡，避免局部应力集中。 --- 第三部分：多尺度模拟与智能结构响应 本部分将先进材料的本构理解与数字化工具相结合，实现更可靠的结构设计。 第六章：材料多尺度建模与损伤演化模拟 从微米级到米级的尺度跨越，是理解复杂材料行为的关键。 1. 随机介质模型与晶格模型： 利用随机模型模拟纤维在UHPC中的随机分布对宏观韧性的贡献；利用晶格模型模拟金属材料中位错滑移与裂纹萌生。 2. 损伤力学与内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）： 详细介绍CZM在模拟复合材料脱层、混凝土微裂纹扩展中的应用，及其参数如何从纳米压痕或拉伸试验中反演确定。 3. 热-力-电耦合分析： 针对具有特定功能的结构材料（如形状记忆合金或压电材料在结构健康监测中的应用），建立描述其多物理场耦合行为的有限元模型。 第七章：结构健康监测（SHM）与材料的集成化 探讨如何将先进材料的固有特性与传感技术相结合，实现结构的自我认知。 1. 内置传感网络与自感知结构： 研究将导电纤维或压电颗粒直接集成到UHPC或复合材料基体中，实现应变、温度和早期损伤（如微裂纹）的实时、原位监测。 2. 基于材料响应的预测性维护： 结合机器学习算法，分析大量来自内置传感器的材料本构数据（如电导率变化、声发射信号），建立材料退化与剩余使用寿命（RUL）之间的概率模型。 本书内容前沿且面向工程实践，致力于弥合基础材料科学研究与复杂结构工程应用之间的鸿沟，是结构工程师向“下一代高性能结构”迈进的必备参考书。
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