Structural Mechanics and Failure Mechanisms in Sandwich Composites (Solid Mechanics and Its Applicat pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Leif Carlsson

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:2006-12

价格:USD 145.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781402034589

丛书系列:

图书标签:

• 11
• Sandwich composites
• Structural mechanics
• Failure mechanisms
• Composite materials
• Solid mechanics
• Engineering mechanics
• Aerospace structures
• Mechanical engineering
• Materials science
• Finite element analysis

材料科学前沿：高性能结构设计与先进复合材料力学 书籍简介 本书深入探讨了现代工程领域中高性能结构设计的核心挑战与前沿解决方案，特别关注结构完整性、失效预防以及先进材料在极端载荷条件下的行为。全书旨在为结构工程师、材料科学家以及高级研究人员提供一个全面、深入且具有高度实用价值的理论框架与分析工具。 第一部分：现代结构设计理论基础 本书首先奠定了现代结构力学与优化设计的基础。它超越了传统的经典梁、板理论，重点介绍了适用于复杂几何形状和非线性材料行为的连续介质力学框架。 1.1 结构分析的演进与挑战 本章回顾了结构分析方法的发展历程，从解析解到数值模拟的转变。重点分析了在超大型结构（如航空航天器或深海设施）设计中，传统假设的局限性，并引入了基于能量原理和变分方法的现代分析范式。讨论了如何处理材料的各向异性和梯度特性在宏观尺度上的影响。 1.2 几何非线性与稳定性分析 结构在承受大变形或屈曲载荷时，几何刚度与材料刚度的耦合作用至关重要。本章详细阐述了从欧拉-伯努利理论到更精确的Kármán或Donnell板理论的过渡，并介绍了弧长法、牛顿-Raphson法等在求解结构大变形和后屈曲行为中的应用。特别关注了复杂边界条件下结构的临界载荷预测与稳定性裕度的确定。 1.3 概率与不确定性量化 (UQ) 在实际工程应用中，材料性能、载荷分布和制造公差均存在不确定性。本章系统介绍了不确定性量化（UQ）方法，包括随机有限元法（S-FEM）和基于Polynomial Chaos Expansion (PCE)的快速代理模型构建。目标是使工程师能够从确定性设计转向基于可靠性指标的性能评估，确保结构在整个寿命周期内的服役安全。 第二部分：先进功能材料的本构关系 本部分聚焦于新型功能材料的复杂本构建模，这些材料是实现下一代高性能结构的关键。 2.1 智能材料与耦合场效应 重点分析了压电材料、磁弹性材料和形状记忆合金（SMA）等智能材料的本构关系。详细推导了电-机械耦合、热-机械耦合以及磁-机械耦合的本征方程组。讨论了如何利用这些耦合效应实现主动控制和损伤自适应修复的结构设计思路。例如，如何精确模拟压电致动器在复杂应力场下的响应。 2.2 粘弹性与蠕变行为的长期预测 对于承受高温或长时间静载的结构（如核电站部件或燃气轮机叶片），粘弹性（Viscoelasticity）和蠕变（Creep）是决定其长期可靠性的关键因素。本章介绍了广义Maxwell模型、Kelvin-Voigt模型在描述时间依赖性变形中的应用，并探讨了Prony级数和时间-温度等效原理（TTSP）在加速寿命试验和长期性能预测中的实际操作。 2.3 增材制造（AM）材料的微观结构与性能关联 增材制造技术引入了新的材料组织形态和内在缺陷。本章分析了选区激光熔化（SLM）和定向能量沉积（DED）工艺对金属和陶瓷材料微观晶粒结构、残余应力和表面粗糙度的影响。建立了从冶金过程参数到宏观力学性能（如疲劳寿命）的桥梁模型，指导优化制造工艺以获得各向同性或定向增强的力学性能。 第三部分：结构完整性与疲劳寿命评估 结构失效是工程实践中必须严格控制的风险。本部分专注于损伤演化、断裂力学以及复杂载荷下的疲劳寿命预测。 3.1 弹塑性断裂力学的高级应用 超越了线弹性断裂力学的Griffith和Irwin理论，本章深入探讨了在材料发生显著塑性变形时的断裂行为。重点介绍J积分理论、裂纹尖端张开位移（CTOD）的概念及其在评估厚大结构断裂韧性中的应用。对于高韧性材料，讨论了裂纹钝化与纤维韧化（Toughness Bridging）现象的建模。 3.2 疲劳损伤模型与多轴应力状态 疲劳是导致结构失效的最主要原因之一。本章系统梳理了从应力-寿命法（S-N曲线）到应变-寿命法（Basquin和Coffin-Manson关系）的发展。核心内容在于处理复杂的多轴疲劳问题，介绍基于等效应力或等效应变概念的参数化模型，如Smith-Watson-Topper (SWT) 参数和Findley准则在旋转弯曲和扭转复合载荷下的适用性与修正。 3.3 损伤容限设计与安全评估 本章将失效分析与维修策略相结合，提出了损伤容限（Damage Tolerance）设计理念。详细阐述了损伤容限评估流程，包括初始缺陷的检测、裂纹扩展速率（da/dN）的确定，以及基于剩余寿命预测的退役决策。讨论了使用无损检测（NDT）数据校准裂纹扩展模型的实际案例。 第四部分：先进结构概念与动态响应 本部分展望了未来结构设计的发展方向，关注复合材料在动态环境下的性能以及新型轻量化技术的应用。 4.1 振动、冲击与碰撞动力学 结构在瞬态载荷（如爆炸、冲击或高速撞击）下的响应是保障人员和设备安全的关键。本章分析了非线性动力学问题，如冲击波传播、能量耗散机制，并介绍了显式有限元法（Explicit FEM）在模拟高应变率材料行为中的优势。讨论了主动和被动吸能结构的设计原理。 4.2 结构阻尼与主动控制策略 为了抑制振动和提高结构稳定性，引入了结构阻尼的概念。本章区分了固有阻尼、粘滞阻尼和粘弹性阻尼。重点介绍了调谐质量阻尼器（TMD）和分布式阻尼材料在抑制结构共振方面的应用，并探讨了基于传感器和执行器的主动振动控制（AVC）系统。 4.3 拓扑优化与轻量化结构设计 本书最后探讨了如何利用计算方法实现结构的极致性能与重量比。拓扑优化方法（Topology Optimization）是实现轻量化的核心工具。本章介绍了密度法、水平集法在解决固定载荷和边界条件下材料最优分布问题中的应用，并讨论了优化结果向实际制造（如增材制造）的可行性转化问题。 面向读者 本书内容深度适中，理论推导严谨，同时结合了大量的工程实例和数值模拟技巧。它不仅适用于航空航天、土木工程、汽车制造等领域的专业工程师，也为研究生和博士生在结构可靠性、材料本构关系和先进力学领域的研究提供了坚实的参考资料。

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