材料的力学行为 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:高等教育出版社

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页数:0

译者:

出版时间:1900-01-01

价格:21.70元

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isbn号码:9787040064414

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• 材料力学
• 力学行为
• 材料科学
• 固体力学
• 机械工程
• 工程材料
• 应力应变
• 断裂力学
• 材料性能
• 结构力学

动态系统控制理论基础与应用 本书导读 本书深入剖析了现代控制理论的核心原理、分析方法以及在复杂工程系统中的实际应用。面对当今工程领域对系统精确性、稳定性和鲁棒性日益严苛的要求，传统的开环控制或简单的PID调节已逐渐显现其局限性。因此，系统地掌握先进的反馈控制技术和现代系统动力学分析工具变得至关重要。本书旨在为读者构建一个坚实而全面的控制理论知识框架，覆盖从经典到现代控制的跨越，并重点探讨如何将这些理论应用于解决现实世界中的非线性、不确定性和时变系统问题。 第一部分：系统建模与分析基础 本部分奠定了理解任何控制系统的前提——精确的数学描述。我们首先从物理系统的基本运动方程出发，详细阐述了如何将机械、电气、热学等物理过程转化为标准的数学模型，包括常微分方程（ODE）形式。 状态空间表示法： 这是现代控制理论的基石。本书详尽介绍了如何将高阶微分方程转化为标准的一阶状态空间形式 $dot{mathbf{x}} = mathbf{A}mathbf{x} + mathbf{B}mathbf{u}$ 和 $mathbf{y} = mathbf{C}mathbf{x} + mathbf{D}mathbf{u}$。我们不仅关注线性定常系统（LTI），还深入探讨了线性时变系统（LTV）的建模挑战与应对策略。 系统性能指标： 在模型建立之后，系统的“好坏”需要量化。我们详细分析了瞬态响应（超调量、建立时间、峰值时间）和稳态误差的评估标准。此外，引入了李雅普诺夫稳定性判据，作为判断系统长期行为的本质工具，超越了简单的根轨迹或频率响应分析的局限性。 能控性与能观测性分析： 这是设计状态反馈控制器和观测器的先决条件。本书采用卡尔曼秩判据，清晰界定了系统是否能被输入完全驱动到期望状态，以及系统内部状态是否能完全通过输出信号被准确估计。这些概念是设计复杂控制结构的基础，决定了控制设计的可行性。 第二部分：线性系统的经典与现代控制设计 在掌握了系统的基本属性后，本部分聚焦于如何设计控制器以实现期望的性能目标。 经典控制回顾与拓展： 虽然本书侧重现代控制，但仍对根轨迹法、频率响应分析（Bode图、Nyquist图）进行了深入回顾，强调它们在单输入单输出（SISO）系统初步分析中的直观优势。在此基础上，我们引入了补偿器设计，如超前/滞后补偿器，并讨论了它们在频率平面上对相位裕度和增益裕度的影响。 状态反馈极点配置： 这是状态空间设计中最核心的技术之一。我们利用Ackermann公式和矩阵微分方程，系统地展示了如何通过选择反馈增益 $mathbf{K}$ 来任意配置闭环系统的特征值（即极点），从而精确地确定系统的瞬态响应特性。 状态观测器设计： 现实中，系统的所有状态变量通常无法直接测量。本书详细介绍了 Luenberger 观测器和卡尔曼滤波器的原理。前者用于确定性系统的状态估计，后者则是在存在随机噪声干扰下的最优线性估计器，它不仅提供状态估计，还具有噪声抑制和优化性能的优势。 复合控制器设计： 结合极点配置和状态观测器，我们构建了完整的状态反馈与状态观测器组成的补偿系统，确保在不完全测量状态的情况下，依然能实现高性能的反馈控制。 第三部分：鲁棒性、最优控制与非线性系统 现代工程系统往往面临着模型不确定性、外部扰动和环境变化。本部分转向处理这些更复杂的现实问题。 最优控制理论（LQR/LQG）： 当性能指标涉及多个相互冲突的目标（如快速响应与小控制能量）时，最优控制提供了系统化的解决方案。本书详细推导了线性二次型调节器（LQR）的设计过程，它通过求解黎卡提方程（Riccati Equation）来获得最优反馈增益。进一步地，将LQR与卡尔曼滤波器结合，形成了最优的线性-高斯-马尔可夫（LQG）控制器，平衡了控制性能与噪声影响。 H∞ 控制理论导论： 为了应对模型参数的未知摄动和无法量化的外部干扰，H∞ 控制提供了一种“最坏情况”下的鲁棒设计方法。我们侧重于理解 $H_infty$ 范数在衡量系统对外部输入敏感性上的作用，并介绍了如何通过求解特定的保不等式（BMI）来设计具有特定容错能力的控制器。 非线性系统的初步分析： 虽然非线性系统的通用解法极其困难，但本书介绍了两种关键的分析工具： 雅可比线性化： 在工作点附近将非线性系统线性化，以便应用线性控制技术。 李雅普诺夫稳定性分析的推广： 介绍了更通用的李雅普诺夫函数构造方法，用于直接判断非线性系统的全局或局部稳定性，而非依赖于线性化。 反馈线性化（Feedback Linearization）： 针对某些可控的非线性系统，本书介绍了利用巧妙的输入变换，在理论上将系统完全转化为线性系统的技术，从而可以直接应用状态反馈控制器的强大能力。 第四部分：先进控制技术与工程案例 本部分将理论知识与实际工程应用相结合，展示了先进控制策略解决实际问题的能力。 模型预测控制（MPC）： MPC是当前工业界最热门的控制技术之一。本书详细阐述了MPC的核心——基于系统模型，在每个采样周期内滚动优化未来有限时间内的控制序列。重点分析了约束条件的引入与处理，以及其在多变量过程控制中的优势。 自适应控制简介： 针对系统参数随时间变化的场景（如飞机结冰、机器人磨损），本书介绍了参数辨识与控制器在线调整的基本思路，如基于梯度的自适应律和基于模型的参考自适应控制（MRAC）的核心思想。 仿真与验证： 强调了理论设计必须经过严格的仿真验证。通过MATLAB/Simulink等工具，本书提供了多个实际案例（如飞行器姿态控制、精密伺服机构跟踪）的仿真流程，演示了如何对比不同控制器（如PID、LQR、MPC）在特定性能要求下的表现。 目标读者 本书适合于自动化、航空航天、机械工程、电子信息工程等相关专业的高年级本科生、研究生，以及致力于系统控制与优化方向的工程师和研究人员。阅读本书前，读者应具备扎实的线性代数、微积分和经典控制理论（如拉普拉斯变换、反馈概念）基础。

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这本书的阅读过程，对我来说更像是一次“反直觉的认知修正之旅”。很多我过去凭借经验认为理所当然的材料反应，在书中经过严谨的力学论证后，才发现其背后的机制比想象的要复杂得多。举例来说，关于各向异性材料的应力分析，我过去总是依赖于经验公式或者软件计算，但这本书强迫我去理解方向余弦矩阵和主应力方向的物理含义。它在处理各向异性介质的本构关系时，并没有采用过于简化的对称性假设，而是深入探讨了材料坐标系与加载坐标系之间转换的数学操作，这对于处理纤维增强材料或者晶体材料定向加载的问题至关重要。另外，书中关于动态力学行为的介绍也相当有力度，尤其是冲击载荷下材料的应变率敏感性研究，提供了从经典高应变率试验（如分离杆实验）到新型激光诱导超快响应测试的知识链条。虽然这本书的内容密度极高，需要反复研读和消化，但它提供的思维框架是无价的——它训练的不是你记住公式的能力，而是你构建完整力学模型以解释复杂物理现象的能力，是真正意义上的“内功心法”级别的指导用书。

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说实话，我买这本书纯粹是出于职业好奇心，因为我工作的领域更多偏向于材料的制备工艺和表面处理，对内部力学响应的关注度相对较低。拿到手时，我主要关注的是它对先进复合材料和功能梯度材料的处理深度。这部分内容，作者的处理方式可谓是“点到为止，但靶心极准”。他没有花费大量笔墨去推导常见的层合板理论（Laminate Theory），而是着重分析了界面层对整体抗剪性能的影响，这对于理解复合材料在复杂载荷下的脱层风险至关重要。此外，书中对非线性弹塑性本构模型的介绍，也并非泛泛而谈，而是深入剖析了诸如塑性流动规则和硬化律的选择对于有限元模拟结果的决定性作用。我特别欣赏作者在讨论断裂韧性测试方法时，引入了大量的实验数据对比，从传统的夏比冲击试验到更精细的SEVNB试样，每种方法的适用范围和数据解读的陷阱都被描绘得淋漓尽致。这种强调实验验证和工程实际约束的写作风格，让这本书读起来不像一本纯粹的理论教科书，而更像是一本高级工程师的“经验集成与方法论指导”。唯一的遗憾是，对于某些新兴的纳米结构材料，比如二维材料的力学性能分析，似乎着墨稍浅，可能受限于成书时间，这方面的前沿进展更新略显滞后。

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这本教材的语言风格，我个人感觉是偏向于传统的德式工程美学：严谨、精确，且对概念的界定有着近乎偏执的清晰度。如果你习惯了那种非常口语化、试图用生活中的例子来解释一切的科普读物，那么这本书的开篇可能会让你感到有些枯燥和费力。它上来就直接给你定义了“应力张量”和“应变张量”的各个分量，并且立即开始讨论柯西应力原理的几何意义。但是，一旦你熬过了最初的理论铺垫，后面章节的阅读体验就会呈现出指数级的提升。特别是关于本构关系的部分，作者在推导过程中对张量代数的运用极其娴熟，每一个符号的出现都像是经过了深思熟虑的必要存在，几乎找不到冗余的数学步骤。我曾尝试跳过几页，直接去看关于粘弹性松弛的结论，结果发现后续对时间-温度等效原理的理解变得非常困难，这反过来证明了作者循序渐进的逻辑安排是有其深层原因的。对于那些希望系统性地构建固体力学知识体系，并且不惧怕大量数学表达的读者来说，这本书无疑是一座坚实的知识堡垒，它教会你的不仅是“是什么”，更是“为什么必须是这样”。

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我是在读研究生期间接触到这套书的，当时我的导师强烈推荐，说它在处理“损伤力学”和“材料失效”方面，有着极其深刻的洞见。相比于市面上许多侧重于弹性力学基础的书籍，它将更多的篇幅倾注在了材料从“完好”到“失效”的全过程描述上。书中关于微裂纹萌生和扩展的章节，引入了大量的能量判据，比如Griffith理论的扩展和Rice的$J$积分概念，这些内容对于理解高应力集中区域的材料行为至关重要。令人眼前一亮的是，作者并未止步于线弹性断裂力学，而是非常详尽地讨论了弹塑性断裂问题，特别是引入了弹塑性断裂参数（如$ ext{CTOD}$）的实验测量方法和理论意义。阅读这些章节时，我常常需要对照着另一本关于有限元分析的书籍，将书中的理论模型与软件中对应的单元类型和求解器设置进行交叉验证。作者对于不同材料（金属、陶瓷、高分子）在同一力学现象下表现出的差异性，进行了非常细致的归纳和对比，这使得读者能够清晰地认识到，力学行为的描述从来不是一个“一刀切”的普适模型，而是高度依赖于材料的微观本质和外部环境的复杂耦合。

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这本书的封面设计得相当朴实，那种略带磨砂质感的深蓝色调，中央用着简洁的白色衬线字体印着书名，给人的第一印象是严谨且专业，没有丝毫花哨的装饰。我是在备考某项与结构设计相关的资格考试时，经由一位资深工程师推荐购入的。坦白说，初翻开扉页时，我内心是有些忐忑的，毕竟“力学行为”这个范畴听起来就充满了高深的理论公式和抽象的几何模型。然而，出乎意料的是，它并没有一上来就堆砌复杂的微分方程，而是花了大篇幅去描绘不同微观结构，比如晶界、位错甚至是原子尺度的缺陷，是如何在宏观尺度上影响材料的整体响应——拉伸、压缩、弯曲，直至最终的断裂。作者似乎非常注重“连接性”，他花了大量篇幅用图示和类比的方式，将热力学驱动力与弹性形变关联起来，让我这个基础相对薄弱的读者也能大致跟上思路。尤其让我印象深刻的是关于蠕变和疲劳那几章，它没有简单地罗列经典的麦克斯韦模型或粘弹性体方程，而是通过一系列详实的历史案例，比如桥梁的倒塌和航空发动机叶片的失效，来反向推导出所需理论的必要性，这种叙事手法极大地激发了我去深入探究其背后物理机制的兴趣。整本书的排版布局清晰，章节之间的逻辑递进非常自然，很少出现为了展示作者学识而强行引入不相关复杂概念的情况，读起来虽然需要集中精神，但整体体验是流畅且充实的。

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