Compliant Structures in Nature and Engineering pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Computational Mechanics

作者:Jenkins, C. H. M.

出品人:

页数:400

译者:

出版时间:

价格:2318.00元

装帧:HRD

isbn号码:9781853129414

丛书系列:

图书标签:

• Compliant mechanisms
• Bio-inspired design
• Structural mechanics
• Materials science
• Engineering design
• Biomechanics
• Robotics
• Flexure
• Topology optimization
• Nature-inspired engineering

结构力学与材料科学的深度探索：从微观到宏观的工程挑战 导言：现代工程的基石 本书旨在深入剖析当代结构力学与材料科学领域的核心概念、前沿研究以及实际工程应用中的关键挑战。我们聚焦于如何理解、预测和优化复杂结构在不同载荷条件下的响应，同时强调先进材料在提升结构性能、实现可持续设计中的决定性作用。本书的叙事线索将围绕结构稳定性、疲劳损伤、非线性行为以及多尺度分析这四大支柱展开，为结构工程师、材料科学家以及相关领域的研究人员提供一个全面且严谨的知识框架。 --- 第一部分：经典力学基础的深化与拓展 第一章：连续介质力学的现代诠释 本章首先回顾了线弹性理论的基础，但迅速转向对更复杂本构关系的探讨。我们将详细分析涉及应变梯度理论的非局部模型，这些模型在描述材料在纳米尺度或高应变率下的行为时尤为重要。重点讨论了如何将这些先进的本构关系融入到有限元分析（FEA）框架中，特别是在处理材料断裂和塑性流动等问题时的数值实现挑战。章节的后半部分将深入探讨粘弹性与粘塑性理论，对比了Maxwell、Kelvin-Voigt以及更先进的Prony级数模型在描述聚合物、沥青等时间依赖性材料性能上的优劣。 第二章：结构稳定性的临界分析 结构稳定性是确保结构安全运行的基石。本章超越了欧拉屈曲公式的基础，重点研究了薄壁结构（如航空航天中的蒙皮和梁）在复杂边界条件和温度梯度下的整体稳定性。我们将详尽分析非线性屈曲（Post-buckling）行为，特别是对于那些在屈曲后仍能承受显著载荷的结构，如复合材料壳体。此外，本章引入了动力学失稳的概念，讨论了参数激励下的振动失稳，以及如何利用奇异摄动方法分析载荷路径依赖性失稳。 第三章：动力学响应与随机振动 在现代工程中，结构系统几乎无时无刻不受到环境激励（如风、地震、机械振动）。本章的核心在于建立精确的动力学模型，从集中质量模型到连续体模型，着重于几何非线性和材料非线性对模态振型和固有频率的耦合影响。我们将花费大量篇幅讨论随机振动理论，包括功率谱密度（PSD）函数的构建、均方根响应的计算，以及如何利用蒙特卡洛模拟验证概率安全性评估（PSA）结果。重点案例研究将集中于桥梁在湍流风荷载下的响应预测。 --- 第二部分：材料行为的微观机制与宏观表征 第四章：先进材料的本构关系 本章聚焦于结构工程中日益重要的先进材料，特别是高性能金属合金、纤维增强复合材料（FRC）以及智能材料。对于复合材料，我们将详细剖析层合板理论（Classical Lamination Theory, CLT）的局限性，并引入更精确的层间剪切应力模型（如First-order Shear Deformation Theory, FSDT）。针对高熵合金等新型金属，讨论其在极端温度和高周次载荷下的晶体塑性行为，并阐述如何将微观位错运动与宏观应变硬化曲线联系起来。 第五章：疲劳、断裂与损伤容限设计 疲劳仍是导致结构失效的首要原因。本章系统梳理了疲劳寿命预测的进展，对比了基于应力、应变和能量密度的设计方法（如Miner法则、Coffin-Manson关系）。重点探讨了疲劳裂纹的萌生、扩展和最终断裂的物理过程。在断裂力学部分，本书将深入分析弹塑性断裂的评估工具，如J积分和裂纹尖端张开位移（CTOD），并讨论在存在残余应力和预应力的情况下，这些参数如何被修正。 第六章：多尺度建模与计算材料学 为了准确模拟材料的复杂行为，多尺度方法变得不可或缺。本章将介绍从原子尺度（分子动力学，MD）到介观尺度（晶格模型）再到宏观尺度的信息传递机制。详细阐述如何利用反向工程方法，从微观模拟的结果中提取有效的宏观本构参数。例如，如何通过模拟晶粒边界迁移来校准损伤演化模型。本章强调了计算效率与模型精度的平衡，尤其是在大型结构模拟中的应用挑战。 --- 第三部分：复杂系统的集成与优化 第七章：结构健康监测（SHM）与逆向工程 现代结构系统需要实时评估其完整性。本章深入探讨了结构健康监测（SHM）的技术栈，包括无损检测（NDT）方法的最新进展，如相控阵超声和激光超声。重点放在数据驱动的损伤识别算法上，如基于模态指纹识别（Mode Shape Curvature）和深度学习在识别微小缺陷方面的应用。此外，本章讨论了如何利用传感器数据进行结构参数的反演，以修正原有的有限元模型，实现“数字孪生”的应用。 第八章：拓扑优化与创成式设计 在追求轻量化和高性能的背景下，拓扑优化已成为结构设计不可或缺的工具。本章详细解析了密度法（SIMP）和水平集方法的数学基础，并讨论了如何将制造约束（如最小特征尺寸、拔模方向）有效集成到优化目标函数中。我们将展示如何将功能需求（如导热、电磁屏蔽）与结构刚度需求耦合，进行多物理场下的拓扑优化，为增材制造（3D打印）提供了前瞻性的设计指导。 结语：面向未来的结构挑战 本书的最后部分对当前结构工程领域面临的紧迫问题进行了展望，包括极端气候事件下的韧性设计、超材料的结构应用潜力，以及在人工智能辅助下实现自适应结构系统的路径。强调了跨学科合作在解决未来工程难题中的核心地位。本书旨在激发读者对这些挑战的深入思考，并为他们提供解决问题的坚实理论和工具基础。

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