IUTAM Symposium on Mechanical Properties of Cellular Materials pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Zhao, Han (EDT)/ Fleck, N. A. (EDT)

出品人:

页数:216

译者:

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价格:119

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isbn号码:9781402094033

丛书系列:

图书标签:

• Cellular Materials
• Mechanical Properties
• Biomechanics
• Materials Science
• Solid Mechanics
• Porous Materials
• Foam
• Microstructure
• Modeling
• Simulation
• IUTAM Symposium

结构力学与材料科学的前沿探索：非均质与功能梯度材料的本构关系及响应研究 导言： 在现代工程与科学领域，对复杂材料体系性能的精确预测和控制，是实现高性能结构设计、先进功能器件制造的关键。传统意义上的均质、各向同性材料模型，已越来越难以满足航空航天、生物医学、土木工程等前沿应用中对极端性能的要求。本专著聚焦于一类具有显著空间材料性质变化的材料——非均质材料（Inhomogeneous Materials） 和 功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGMs） 的力学行为研究。本书旨在为结构工程师、材料科学家及数值模拟专家提供一套系统、深入、且具有高度实践指导意义的理论框架与分析工具。 本书内容不涉及“IUTAM Symposium on Mechanical Properties of Cellular Materials”中所涵盖的关于蜂窝结构（Cellular Materials）的特定几何构型、孔隙率对宏观力学性能影响，以及微观结构与宏观响应之间的直接关联。相反，我们将焦点完全置于材料性质沿空间连续或阶梯状变化的宏观或介观尺度力学建模。 第一部分：非均质材料的本构理论基础与建模 本部分首先对非均质材料进行严谨的数学定义和分类，区分层状结构、夹层复合材料、随机复合材料以及具有梯度变化的材料体系。重点阐述了适用于描述此类材料的有效介质理论（Effective Medium Theories） 的局限性与适用范围，尤其是在高体积分数或强对比度情况下的修正模型。 1.1 空间变异性描述与微观力学： 详细探讨了描述材料空间异质性的数学工具，包括傅里叶变换、小波分析在材料结构表征中的应用。引入了随机介质力学的基本概念，并着重分析了经典自洽模型（Self-Consistent Scheme） 与 吉布斯-布洛赫理论 在预测复合材料宏观模量时的差异和适用边界。我们深入研究了第二矩量近似法（Second-Moment Approximation）在处理随机波动性问题中的有效性。 1.2 经典层状与夹层结构的分析： 系统回顾了经典层状材料（如 Laminates）的铺层理论（Lamina Theory），从三维弹性理论出发，推导了经典的刚性夹层板理论（Reissner-Mindlin Plate Theory） 在描述界面剪切效应时的改进模型。重点分析了界面粘结强度对整体结构疲劳寿命的影响，并提出了基于内聚力模型（Cohesive Zone Models, CZM） 的界面损伤演化方程，用于模拟层间开裂的起裂和扩展。 第二部分：功能梯度材料（FGMs）的精确理论构建 功能梯度材料是本领域的研究热点，其核心在于材料性能（如弹性模量、热膨胀系数、电导率等）沿特定方向连续变化。本部分致力于构建精确描述FGM力学行为的本构关系和边界值问题求解方法。 2.1 梯度本构关系的建立： 详细阐述了描述FGM空间材料变化的幂函数分布、指数分布和Sigmoid分布等常见梯度函数。关键在于推导适用于这些梯度材料的广义胡克定律。我们摒弃了传统的假设均质化处理，转而采用微分形式的本构方程，精确反映材料参数在空间上的微小变化对局部应力场的影响。 2.2 FGM的应力与变形分析： 针对典型的 FGM 梁、板和壳结构，推导了在不同载荷（热载荷、机械载荷）耦合作用下的精确弹性解。特别关注了 FGM 结构中应力奇异性的缓解效应。通过引入梯度弹性理论（Gradient Elasticity Theory） 的基本假设，分析了材料梯度对位错运动和裂纹尖端应力场的影响，展现了梯度对材料微观结构尺度的响应调控能力。 2.3 FGM的振动与稳定性分析： 系统研究了 FGM 结构在不同支撑条件下的固有频率和屈曲行为。讨论了材料梯度方向对结构的转频（Natural Frequencies） 的影响，并利用非线性动力学理论分析了高阶FGM结构在极端载荷下的稳定性裕度。对于非对称梯度结构，发展了基于特征值问题的屈曲载荷精确计算方法。 第三部分：数值方法与高级分析技术 为解决复杂几何形状和复杂边界条件下非均质/FGM 问题的解析困难，本部分提供了先进的数值计算工具和分析策略。 3.1 有限元法的定制与改进： 针对非均质材料，我们提出了单元内材料插值技术的改进方案，确保单元内部材料属性的精确分布。重点介绍了亚尺度建模技术（Sub-scale Modeling） 在宏观有限元框架内嵌入微观不连续性的应用。对于FGM，详细说明了如何通过定制的材料属性插值函数来实现高精度应力梯度计算，避免传统有限元方法在梯度区域出现的数值振荡。 3.2 损伤与断裂力学在非均质材料中的应用： 本书探讨了将相场法（Phase-Field Method） 应用于模拟非均质材料中的多尺度断裂过程。该方法能够统一描述裂纹的萌生、扩展和分支，而无需预先定义裂纹路径。特别关注了界面或梯度区域的能量耗散机制，并将其与相场演化速率耦合。 3.3 多物理场耦合： 探讨了非均质材料在热-力耦合（如热应力）和电-力耦合（如压电/铁电复合材料）问题中的响应。引入了非等温固体力学的概念，精确计算了由于材料热膨胀系数梯度导致的内部热应力分布，这对于高温应用中的FGM结构至关重要。 结论与展望： 本书通过对非均质和功能梯度材料在弹性力学、动力学和断裂力学等方面的深入剖析，提供了一套完整的理论和计算工具。所涉及的分析方法严格基于固体力学基本原理，并针对材料空间变异性进行了精细化处理。本书为未来在智能结构设计、高性能复合材料的优化以及极端环境下的结构安全评估提供了坚实的理论基础。

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