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出版者:

作者:Wadhawan, Vinod K.

出品人:

页数:364

译者:

出版时间:2007-12

价格:$ 141.25

装帧:

isbn号码:9780199229178

丛书系列:

图书标签:

智能结构
结构健康监测
传感器
材料科学
振动控制
模态分析
有限元分析
自适应结构
航空航天
土木工程

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具体描述

A structure is an assembly that serves an engineering function. A smart structure is one that serves this function smartly, i.e. by responding adaptively in a pre-designed useful and efficient manner to changing environmental conditions. Adaptive behaviour of one or more materials constituting a smart structure requires nonlinear response. This book describes the three main types of nonlinear-response materials: ferroic materials, soft materials, and nanostructured materials. Information processing by biological and artificial smart structures is also discussed. A smart structure typically has sensors, actuators, and a control system. Progress in all these aspects of smart structures has leant heavily on mimicking Nature, and the all-important notion in this context has been that of evolution. Artificial Darwinian and Lamarckian evolution holds the key to the development of truly smart structures. Modestly intelligent robots are already on the horizon. Projections about the low-cost availability of adequate computing power and memory size indicate that the future really belongs to smart structures. This book covers in a compact format the entire gamut of concepts relevant to smart structures. It should be of interest to a wide range of students and professionals in science and engineering.

智能材料与结构设计原理本书聚焦于新一代结构工程与材料科学的前沿交叉领域，深入探讨了如何利用先进功能材料的内在特性，赋予传统结构以环境感知、自我调节及主动响应的能力。它旨在为结构工程师、材料科学家以及从事先进土木工程、航空航天、机械工程研究的专业人士提供一个全面、深入且具有实践指导意义的理论与应用框架。 --- 第一部分：智能材料基础与本构关系本部分奠定了理解智能结构的基础，着重于对那些能够对外部刺激（如应力、温度、电场、磁场等）产生可预测和可控响应的功能材料的系统性介绍。第一章：功能材料的分类与特性详细梳理了当前研究热点中的主要智能材料类别，包括但不限于：压电与介电弹性体：阐述其在能量收集、传感器件以及驱动器中的核心作用，重点分析其电-机械耦合的本构关系，特别是其非线性特性在实际应用中的影响。形状记忆合金（SMA）与磁致伸缩材料（MSM）：深入剖析马氏体相变和磁畴重排机制，如何实现大应变输出和高能量密度驱动。讨论了疲劳特性、迟滞效应以及如何通过热处理和预应变优化其性能。温敏与光敏聚合物：重点介绍聚合物的体积相变（如LCST/UCST现象）及其在软机器人和自修复涂层中的应用潜力。第二章：智能材料的本构模型与辨识智能材料的复杂性源于其多场耦合响应。本章致力于构建精确描述这些耦合行为的数学模型。非线性耦合模型：引入热力学框架下的本构方程，如Gough-Joule模型、域理论（Phase Field Theory）在描述SMA相变过程中的应用。讨论如何处理材料内部的微观结构演化对宏观力学性能的影响。辨识与参数化：介绍实验数据采集技术（如同步辐射衍射、原位电学测量）与有限元模型参数反演的数值方法。强调辨识过程中对频率依赖性、温度漂移和长期稳定性的考虑。 --- 第二部分：智能结构系统的设计与建模本部分将理论知识转化为实际的结构设计方法，探讨如何将智能材料有效地集成到传统结构单元中，形成具备特定功能的系统。第三章：传感器与执行器的集成技术系统地评估了不同类型智能元件的集成策略及其对整体结构性能的影响。嵌入式与表面附着式集成：对比分析将压电薄膜、光纤布拉格光栅（FBG）传感器或SMA线束直接植入或粘接到主体结构上的优劣。讨论界面粘结层的性能匹配问题（如模量差异和热膨胀系数失配）。能量收集与驱动器的布局优化：运用拓扑优化方法，确定最佳的能量收集元件（如压电能量收集器）的安装位置和方向，以最大化环境能量捕获效率。同时，探讨SMA驱动器在实现主动减振或形状控制时的力传递效率分析。第四章：多物理场耦合的结构分析智能结构的分析核心在于处理力、热、电、磁等多个物理场之间的动态相互作用。有限元方法（FEM）的高级应用：构建能够直接处理智能材料本构关系的专用单元。详细阐述了“同形耦合”（Fully Coupled）与“顺序耦合”（Staggered Coupling）的数值求解策略及其收敛性分析。时变控制理论在结构控制中的应用：将结构动力学方程与反馈控制律（如LQR、H-infinity控制）相结合，设计最优的电流或温度控制信号，以达到主动抑制振动或实现形状重构的目的。讨论实时计算的挑战。 --- 第三部分：先进应用与性能评估本部分转向具体工程领域，展示智能材料与结构如何在复杂工作环境下实现高性能。第五章：主动式振动控制与声学管理智能结构在振动和噪声控制领域展现出革命性的潜力。主动隔振与减振：重点研究基于压电和SMA的反馈控制系统，用于抵消随机激励（如地震、风荷载）和周期性载荷（如机械振动）。对比分析开环与闭环控制的性能差异。声学隐身与调控：探讨利用超材料思想结合智能响应机制，实现对特定频率声波的吸收、偏转或相位调控。分析结构阻尼和材料阻尼在宽频带降噪中的贡献。第六章：自适应与自修复结构系统转向关注结构的长期耐久性和环境适应性。疲劳损伤的在线监测与预警：利用材料的电学或声发射特性变化，实时追踪微裂纹的萌生和扩展。建立损伤指标与剩余寿命预测模型。热驱动的自适应刚度调节：讨论如何通过精确控制SMA或形状记忆聚合物的温度，实现结构刚度的动态变化，以适应不同工况下的载荷要求（例如，在高温下降低刚度以增加延展性，在低温下提高刚度以增强承载力）。微胶囊自修复技术在结构中的集成：不仅关注修复剂（如环氧树脂）的封装技术，更侧重于如何通过外部电场或温场触发释放机制，并确保修复过程与结构力学行为的兼容性。 --- 附录与展望附录提供关键参数的查找表和常用的开源或商业软件接口指南。展望部分对未来研究方向进行预测，尤其关注多尺度模拟、人工智能驱动的材料发现以及极端环境下的可靠性保障。本书力求提供一个将基础材料科学、先进控制理论与结构工程实践紧密结合的综合平台，激励读者突破传统设计范式，迎接结构功能化的新时代。