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In this groundbreaking new text, Jay Brockman helps studentsacquire the engineering mindset, providing them with the core knowledge and skills all engineers need to succeed. Through clear explanations and real-world examples—like how to provide water for rural communities in developing nations— Introduction to Engineering teaches students to see the world through the eyes of an engineer, looking at how engineers apply science and technology to solve problems facing society today.
结构力学：承载世界的基石 本书聚焦于工程设计中最核心、最基础的领域之一：结构力学。 本书旨在为工程专业的学生和初级工程师提供一套严谨、系统且实用的知识体系，帮助他们理解和分析各种工程结构在荷载作用下的响应与稳定性。我们深入探讨了材料的本构关系、应力与应变的概念，并通过详细的数学推导和丰富的工程实例，揭示了静力平衡、变形分析以及结构稳定性的内在规律。 第一部分：基础理论与静力学基础 (Foundations and Statics) 本部分首先回顾并深化了经典力学中的刚体平衡原理，将其作为所有结构分析的起点。我们详细阐述了如何建立和求解二维及三维静定结构的平衡方程。 材料本构关系与本构模型： 理解材料的行为是结构分析的前提。本书摒弃了过于简化的模型，引入了线弹性本构关系的详细描述，包括胡克定律、泊松比以及杨氏模量。随后，我们过渡到更复杂的材料行为，如塑性、蠕变和疲劳的初步概念，为后续的高级分析打下基础。我们用大量图表展示了不同工程材料（钢、混凝土、复合材料）在单轴拉伸和压缩下的典型应力-应变曲线。 应力分析的几何基础： 结构内部的应力状态是一个复杂的张量。本书通过柯西应力张量的定义，系统地介绍了平面应力与平面应变状态的分析方法。我们重点讲解了莫尔圆（Mohr's Circle）在二维应力状态下的应用，教导读者如何通过图形方法快速确定主应力和最大剪应力，这对于安全评估至关重要。 静定结构分析的实践： 传统的桁架、梁和框架结构的分析被放在本章进行系统梳理。对于梁的分析，我们不仅停留在求解反力，更深入探讨了剪力（V）和弯矩（M）图的绘制，并建立了剪力与弯矩的一阶微分关系，这是理解梁内部荷载分布的关键。 第二部分：超静定结构分析 (Analysis of Statically Indeterminate Structures) 现实世界中绝大多数工程结构都是超静定的，仅靠静力平衡方程无法求解。本部分是本书的核心内容之一，专注于解决这些复杂问题。 力的变形法（位移法/刚度法的前身）： 我们采用力的变形法作为引入超静定结构分析的主要工具。通过对变形（位移和转角）的分析，利用结构满足的变形相容性条件，将结构方程转化为以多余力为变量的方程组。我们详细分析了基本结构（Superstructure）的选择与建立，以及如何利用虚功原理或弹性位移方程来建立冗余力方程。 挠度和位移计算： 精确计算结构的位移是判断结构是否满足使用性要求的关键。本书详细介绍了积分法、叠加法，并重点讲解了单位荷载法（或称虚功法）。对于梁和框架结构，我们推导了弯曲变形的微分方程，并展示了如何利用能量法（虚功原理）高效地计算特定点的线位移和角位移。 矩阵结构分析的初步引入： 面对大型复杂结构，手动计算变得不切实际。本章简要介绍了矩阵方法的思想，将结构刚度矩阵、位移向量和载荷向量的关系形式化，为读者后续接触有限元方法（FEM）做好知识储备，但重点仍放在理论推导和小型结构的手算求解上。 第三部分：梁与框架的深入分析 (Advanced Analysis of Beams and Frames) 本部分将结构分析的焦点集中在实际工程中最常见的构件——梁和框架上，引入了更精细的分析工具。 超静定梁的通用解法： 对于多跨梁和连续梁，我们应用三力矩方程（Three-Moment Equation）进行系统分析，该方法是处理连续梁的有力工具，强调了相邻跨之间转角连续性的约束条件。 塑性分析基础： 传统结构分析基于弹性理论，但结构失效往往发生在材料达到屈服强度之后。本书介绍了塑性铰（Plastic Hinge）的概念，并解释了塑性极限载荷理论，用于评估结构在最大承载能力下的性能。这对于设计抗震结构和需要进行极限承载力验算的场合至关重要。 几何非线性效应的考量： 对于细长杆件或在高位移下工作的结构，初始的线性假设可能失效。我们初步探讨了P-Delta效应（纵向力对弯矩的影响），解释了它如何降低结构的有效刚度，并指出了在哪些工程条件下需要进行几何非线性分析。 第四部分：结构稳定性理论 (The Theory of Structural Stability) 结构失稳（如侧向扭转、屈曲）的破坏往往比材料屈服更突然、后果更严重。稳定性分析是保证结构安全的关键环节。 欧拉屈曲理论： 本章详细推导了欧拉屈曲公式，用于分析细长柱在轴向压力下的临界屈曲载荷。我们分析了不同有效长度系数（K值）对屈曲强度的影响，并结合实际的支撑条件（铰接、固结等）进行了工程应用。 修正的屈曲理论： 实际工程中的柱件往往不是理想的细长杆件，欧拉公式的预测会偏高。我们引入了考虑初始弯曲和偏心荷载的修正屈曲公式，如容许应力法（Allowable Stress Design）中对长细比的限制，以及截面突变对屈曲的影响。 侧向扭转屈曲（Lateral-Torsional Buckling）： 对于承受弯矩的细长梁，侧向屈曲是一个常见的破坏模式。本书分析了翼缘约束对侧向扭转的影响，并介绍了用于评估梁抗扭屈曲能力的判据。 总结与展望 本书的编写风格力求严谨而不失直观性，每一章节都配有详细的推导步骤和丰富的例题。我们相信，通过对这些核心概念的扎实掌握，读者将能够自信地进行梁、框架、桁架等基本工程结构的静力、位移以及稳定性分析，为未来深入学习有限元方法、高级抗震设计和疲劳分析打下坚实的基础。本书适合作为土木工程、结构工程、机械工程等专业本科高年级或研究生的教材与参考书。
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