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出版者:北京航空航天大学出版社

作者:朱自强等

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1998-1

价格:20.0

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isbn号码:9787810127479

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• 计算流体力学
• 计算数学
• 计算力学5
• 计算流体力学
• CFD
• 流体动力学
• 数值方法
• 工程应用
• 传热
• 多相流
• 湍流
• 有限体积法
• MATLAB
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《力学模型与工程模拟：从理论到实践》 内容概述 本书旨在为读者提供一个全面而深入的力学模型构建与工程模拟方法论体系。在当今工程领域，精确的力学分析和高效的数值模拟是产品设计、性能优化以及故障诊断的关键。本书不拘泥于单一学科的限制，而是从更宏观的视角出发，系统地阐述如何理解、构建和应用各类力学模型，并通过先进的工程模拟技术将其转化为可执行的解决方案。我们将涵盖从基础的连续介质力学概念，到复杂的多物理场耦合问题的建模策略，再到面向工程应用的数值求解器与后处理技术的应用。 第一章：力学模型的基础构建 本章将带领读者回顾并深化对力学基本概念的理解。我们将从牛顿运动定律和能量守恒原理出发，引出连续介质力学的核心思想：将宏观的物质视为连续的介质，并通过应力、应变、位移等基本物理量来描述其力学行为。 连续介质假设与基本方程：深入探讨连续介质假设的意义、适用范围，以及由此推导出的纳维-斯托克斯方程、能量方程等在流体动力学和固体力学中的基础地位。我们会分析这些方程的物理内涵，以及它们在不同工程场景下的简化和演化。 本构关系：介绍各类重要的本构模型，这是连接应力与应变的关键。我们将详细讲解线弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性等模型，并讨论如何在不同材料性质下选择和构建合适的本构关系。例如，对于金属材料，我们会深入探讨屈服准则、强化模型；对于聚合物材料，则会涉及复杂的流变学模型。 边界条件与初始条件：强调模型完整性对求解的重要性。读者将学习如何根据实际工程问题，正确地设定力和位移的边界条件，以及如何引入初始状态参数，确保模型的唯一性和物理合理性。我们将通过具体案例，阐释不同类型边界条件的物理意义和数学表达。 第二章：数值模拟方法论 本章将聚焦于将抽象的力学模型转化为可执行的数值计算过程。我们将重点介绍当前主流的数值离散方法，以及它们在解决不同类型力学问题时的优劣势。 有限差分法（FDM）：回顾FDM的基本思想，以及它在网格划分简单、计算效率高方面的优势，特别是在处理规则几何和简单物理问题时。我们将讨论FDM在求解偏微分方程时的精度与稳定性问题。 有限元法（FEM）：系统阐述FEM的离散化过程，包括单元划分、形函数选择、弱形式推导以及组装全局刚度矩阵和载荷向量。本书将重点关注FEM在处理复杂几何形状、多材料耦合以及非线性问题方面的强大能力。我们会探讨不同阶数的形函数对精度的影响，以及如何通过网格细化来提高计算精度。 有限体积法（FVM）：介绍FVM的核心思想，即通过积分形式的守恒律来求解问题，这使得FVM在处理流体流动、传热等守恒性要求极高的物理过程时具有天然的优势。我们将详细讲解通量计算、界面重构等关键技术，并分析FVM在处理激波、接触间断等问题时的鲁棒性。 数值方法的选择与评估：指导读者如何根据问题的物理特性、几何复杂度、精度要求和计算资源，选择最合适的数值方法。我们将提供一个评估框架，帮助读者权衡不同方法的效率、准确性、稳定性和易用性。 第三章：多物理场耦合模拟 现代工程问题往往涉及多种物理现象的相互作用，例如热-结构耦合、流-固耦合、电-磁-力耦合等。本章将系统地探讨这些多物理场问题的建模与模拟策略。 耦合问题的类型与分类：介绍强耦合、弱耦合、单向耦合和双向耦合等不同耦合方式，并分析它们对数值求解策略的影响。 耦合模型构建：讲解如何分别建立各个物理场的控制方程，并在此基础上进行耦合。我们将深入讨论如何在不同物理场之间传递信息，例如温度对材料刚度的影响，流体压力对结构的载荷作用等。 数值求解策略：针对不同的耦合类型，介绍相应的求解策略，包括迭代法、分解法等。我们将详细讨论如何保证耦合计算的稳定性和收敛性，并提供实际算例来展示耦合模拟的强大功能。例如，在进行流-固耦合时，我们将讨论如何在流体和固体网格之间进行数据映射和插值。 第四章：高级建模技术与模型验证 本章将进一步提升读者在复杂力学建模方面的能力，并强调模型验证的重要性。 非线性问题的处理：深入探讨几何非线性（大变形、大转动）、材料非线性（塑性、屈服、断裂）和接触非线性（接触、摩擦）等问题的建模与求解方法。我们将介绍增量法的基本原理，以及Newton-Raphson等迭代求解器的应用。 高级本构模型：介绍更复杂的材料本构模型，如损伤模型、疲劳模型、各向异性模型等，以应对更精细化的材料行为模拟需求。 模型验证与标定：强调模型验证在工程模拟中的核心地位。我们将介绍与实验数据对比、解析解验证、网格独立性分析等多种验证方法。读者将学会如何系统地评估模型的准确性和可靠性，并进行必要的模型参数标定。 多尺度建模：简要介绍多尺度建模的思想，即在不同尺度上描述材料和结构的力学行为，并进行信息传递，以解决宏观模型难以捕捉的微观细节问题。 第五章：工程应用与模拟流程 本章将通过具体的工程案例，展示如何将前述的建模理论和数值方法应用于实际工程问题。 案例研究：选取航空航天、汽车、生物医学、土木工程等领域的典型工程问题，例如： 航空发动机叶片的热-结构耦合分析：模拟高温气流对叶片产生的温度分布和热应力，以及由此引起的结构变形和疲劳损伤。 汽车碰撞安全性分析：模拟汽车在碰撞过程中产生的剧烈形变，评估乘员舱的保护性能，以及关键部件的失效模式。 血管支架的生物力学性能评估：模拟支架在血流压力下的变形与应力分布，分析其与血管组织的相互作用，评估其长期稳定性和生物相容性。 高层建筑的风荷载与结构响应分析：模拟不同风速下的风压分布，计算结构的位移、应力及振动响应。 模拟流程管理：系统介绍完整的工程模拟流程，包括问题定义、模型构建、网格生成、求解器设置、计算执行、结果后处理与分析、模型验证与优化等环节。 工程模拟软件的应用：虽然本书不侧重于特定软件的使用，但我们将讨论主流工程模拟软件中实现的建模技术和求解器原理，帮助读者更好地理解和使用这些工具。 第六章：高性能计算与并行模拟 随着工程问题的日益复杂和计算资源的飞速发展，高性能计算（HPC）和并行模拟已成为解决大规模、高精度问题的关键。 高性能计算的基本概念：介绍CPU、GPU、内存、存储等硬件基础，以及HPC集群的架构。 并行计算模型：讲解共享内存模型（如OpenMP）和分布式内存模型（如MPI），以及它们的适用场景。 并行求解器：介绍在求解器层面实现的并行化技术，例如域分解、矩阵并行等。 并行模拟的挑战与优化：讨论并行计算中的通信开销、负载均衡、数据一致性等问题，以及相应的优化策略。 结论 《力学模型与工程模拟：从理论到实践》旨在为读者构建一个坚实的力学建模与工程模拟的理论基础和实践框架。本书强调理论的严谨性与应用的灵活性相结合，通过深入浅出的讲解和丰富的案例分析，帮助读者掌握从提出力学问题，到构建精确的模型，再到运用先进的数值技术求解，最终将计算结果转化为工程洞察的全过程。掌握本书内容，读者将能更自信地应对复杂的工程挑战，并有效地利用工程模拟技术推动技术创新与产品升级。

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这本书的叙事风格非常独特，它有一种老派学者的沉稳，却又不失现代工程问题的敏锐度。它最成功的地方在于构建了一个完整的“问题解决框架”。作者没有预设读者已经完全掌握了所有高等数学知识，而是以一种“循循善诱”的姿态，将复杂的数学推导拆解成一系列可消化的小步骤。我特别喜欢其中关于求解器稳定性的那几章。在传统教材中，稳定性往往被简化为一个“CFL条件”了事，但这本书则深入探讨了时间步长选择背后的物理意义，比如如何权衡计算成本与解的瞬态精度。作者在介绍有限体积法的离散化时，花了大量的篇幅去解释通量守恒的内在要求，以及如何在界面上处理非正交网格带来的误差源。这不仅仅是教你“怎么做”，更是在告诉你“为什么必须这么做”。这种对基础理论的深度挖掘，使得我对数值模拟的“黑箱”操作有了更深的敬畏之心。读这本书就像是跟着一位睿智的导师进行学术漫步，每走一步都能踏实地感受到知识的坚实地基。它提供的不仅仅是工具，更是使用工具的哲学。

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这本书的排版和印刷质量绝对是业界一流，拿在手里沉甸甸的，那种厚重的质感就预示着内容的充实。我尤其欣赏作者在**求解器选择**和**误差分析**部分所展现出的那种近乎偏执的严谨性。他没有回避有限元方法和有限体积法之间的经典争论，而是用清晰的数学论证和实际算例展示了它们各自的优势和局限性，这对我这种需要在不同场合选择最佳数值方案的研究者来说，提供了宝贵的决策依据。全书的语言风格在保持学术准确性的同时，保持了一种恰到好处的克制与优雅，很少有浮夸的修辞，每一个句子似乎都经过了千锤百炼，直击要害。我读到关于动网格技术的部分时，那种对网格重构算法细节的描述，让我对那些在复杂几何体周围进行流场模拟的挑战有了更深层次的理解。这本书不只是关于“如何解方程”，更是关于“如何像一位真正的流体力学专家一样思考问题”。它不仅仅是一本工具书，更是一部值得反复研读的学术思想指南，强烈推荐给所有希望从“CFD使用者”蜕变为“CFD设计者”的专业人士。

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作为一名在航空航天领域摸爬滚打多年的研究人员，我对市面上充斥的各类计算流体动力学的书籍都有所涉猎，但真正能让我眼前一亮的，实在不多。这本书的价值在于其对**多相流耦合**和**化学反应流**等前沿交叉领域的覆盖深度，远超出了一个“基础应用”的范畴。例如，书中对欧拉-欧拉模型在颗粒相处理上的优化算法进行了详细的对比分析，并给出了在不同雷诺数区间内不同模型的适用性建议，这种精细化的指导对于从事复杂燃烧和喷雾模拟的同行来说，简直是雪中送炭。更值得称赞的是，作者敢于直面现代CFD中的“痛点”，比如**模型依赖性强**和**计算资源消耗大**的问题，并提出了一系列基于模型简化和高效并行计算的策略。这本书的章节结构布局非常新颖，它没有完全按照传统的“理论-方法-应用”的线性结构，而是巧妙地穿插了多个**“案例研究回顾”**，这些回顾部分往往能将前几章学到的理论知识瞬间串联起来，形成一个完整的知识闭环。这使得学习过程充满了“啊哈！”的顿悟时刻，而不是机械的记忆堆砌。

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老实说，我这本书已经放了好几个月了，原本以为又是那种读起来让人昏昏欲睡的专业书籍，没想到一上手就放不下了。最让我印象深刻的是作者在处理仿真结果可视化和后处理方面的独到见解。他并没有把这部分内容简单地归结为软件操作指南，而是上升到了“如何通过可视化来验证物理假设”的高度。他强调的“批判性看图”理念，对我这个长期与CFD软件打交道的工程师来说，简直是醍醐灌顶。我们太习惯于软件跑出来的结果，却很少停下来反思这些颜色和矢量图背后隐藏的物理意义是否合理。书中对网格无关性验证的讨论极其深入，不是简单地告诉你“要加密网格”，而是剖析了不同加密策略对压力梯度、涡量等关键物理量带来的细微偏差，甚至还探讨了在特定工程问题中，应该优先保证哪些区域的网格质量。这种对细节的执着和对结果准确性的不妥协精神，是这本书最宝贵的财富。我甚至带着书中的思考去重新审视了我手头的一个项目，发现以前有些不合理的收敛标准原来是站不住脚的。这本书，与其说是一本技术手册，不如说是一位经验丰富的大师在耳边进行的“思想纠偏”，非常实用，且富有启发性。

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这本书简直是一场视觉与知识的盛宴！从翻开扉页的那一刻起，我就被作者那行云流水的文字功底深深吸引住了。他对复杂物理现象的描述，不是那种枯燥乏味的教科书腔调，而是充满了画面感和洞察力。举个例子，书中对湍流模型的解析，简直是神来之笔，他没有堆砌晦涩的公式，而是用日常的例子和生动的比喻，将那些原本高不可攀的数学模型变得平易近人。我记得有一章专门讲了边界层分离的现象，作者没有直接给出结论，而是带领我们一步步“观察”气流如何在物体的表面“挣扎”和“逃逸”，这种沉浸式的讲解方式，让我仿佛置身于风洞之中，亲手触摸到了那些看不见的气体运动。而且，书中的插图和图表质量极高，每一张都经过精心设计，不仅仅是数据的罗列，更是对现象的深度诠释。这种用艺术的手法去解析科学的严谨性，是很多专业书籍所欠缺的。读完这一部分，我感觉自己对流体力学不再是“知其然而不知其所以然”，而是真正理解了其背后的逻辑和美感。这本书的编排逻辑也十分出色，知识的递进非常自然，从基础的Navier-Stokes方程讲起，到复杂的数值方法求解，每一步都衔接得天衣不缝，让人在不知不觉中完成了知识的阶梯攀登。

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