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出版者:

作者:Ginsberg, Jerry H.

出品人:

页数:738

译者:

出版时间:2007-12

价格:$ 154.81

装帧:

isbn号码:9780521883030

丛书系列:

图书标签:

• 工程动力学
• 动力学
• 工程力学
• 机械工程
• 物理学
• 经典力学
• 振动
• 运动学
• 刚体力学
• 材料力学

深入理解与应用：结构力学与材料科学的现代视角 书籍名称： 结构力学与材料科学前沿探析 内容简介： 本书旨在为工程领域的研究人员、高级工程师以及高年级本科生提供一个全面、深入且注重实际应用的结构力学与材料科学的综合性视角。在现代工程实践中，对复杂载荷下的结构响应预测、新材料性能的精准量化以及优化设计策略的需求日益迫切。本书避开了基础理论的冗余叙述，直接聚焦于当代工程挑战的核心——高级分析方法、非线性行为建模以及跨学科的材料-结构耦合效应。 第一部分：高级结构分析与数值方法 本部分革新性地引入了处理现代工程结构复杂性的分析框架，重点强调了计算工具在解决传统解析方法无法企及的问题中的关键作用。 第1章：有限元法的理论深化与应用边界 本章超越了标准有限元（FEM）的入门介绍，深入探讨了单元选择对结果精度的影响，特别是针对薄壁结构、厚壳单元和三维实体单元的适用性。我们详细分析了高阶单元（如p-refinement和h-p自适应方法）在提高局部解精度方面的优势，并讨论了网格畸形对解算稳定性的敏感性分析。此外，本章还详细阐述了奇异性处理技术，包括如何通过扩展域模型或使用特解单元来准确捕捉裂纹尖端的应力奇异性，这是断裂力学分析的基石。 第2章：几何非线性和稳定性分析 结构失稳是一个非线性的过程。本章系统地研究了几何非线性对结构承载力的影响，包括大变形理论（Green-Lagrange应变张量）的推导与应用。重点分析了屈曲现象，从欧拉屈曲的理想化模型过渡到实际工程中复杂的初始几何缺陷和残余应力对临界载荷的随机影响。我们详细介绍了弧长法（Arc-Length Method）及其变体（如Riks方法），用以追踪后屈曲路径，精确预测结构的极限承载点。对于复杂框架结构，本章还探讨了二次规划（Quadratic Programming）在确定结构侧向刚度损失点中的作用。 第3章：动力学响应的高效计算策略 针对瞬态和随机载荷下的结构响应，本章专注于提高计算效率和准确性。我们讨论了模态叠加法的局限性，并详细阐述了直接积分法（如Newmark-β法、HHT法）在保留高频模态信息中的优势。一个关键章节致力于随机振动理论（Random Vibration Theory）的应用，通过功率谱密度（PSD）函数描述地震动或风载荷，并利用模态阻尼比预测结构的均方根（RMS）位移和应力，这对于疲劳寿命的初步评估至关重要。 第二部分：高级材料本构关系与微观机制 本部分将焦点从宏观载荷转移到材料本身的行为，探讨了在极端条件和复杂载荷历史下，材料如何响应和演化，这是实现高性能结构设计的先决条件。 第4章：弹塑性本构模型的精确构建 本章深入探讨了超越简单Von Mises屈服准则的复杂塑性模型。我们详细分析了各向异性强化模型（如Back-Stress机制和随动硬化理论）在模拟金属材料多次加载-卸载循环中的性能，这对评估疲劳损伤累积至关重要。对于具有明显方向依赖性的材料（如轧制钢板），本章引入了基于晶体塑性的宏观等效模型的构建方法。此外，高温环境下的粘塑性（Viscoplasticity），特别是Perzyna模型和Chaboche模型的应用，被用以指导燃气轮机叶片等关键部件的设计。 第5章：复合材料的细观力学与界面效应 复合材料已成为航空航天和汽车工业的主流。本章侧重于细观力学方法，而非简单的层合板理论（Laminate Theory）。我们通过代表性体积单元（RVE）的建模，精确预测纤维/基体界面的应力梯度和损伤起始点。重点讨论了渐进损伤模型（Progressive Damage Modeling, PDM），该模型能模拟由基体开裂、纤维/基体脱粘和纤维断裂引起的强度退化过程，并引入了I/II型复合材料断裂韧性的混合模式评估。 第6章：损伤力学与疲劳寿命预测 疲劳是结构失效的主要原因。本章聚焦于连续介质损伤力学（CDM）框架，特别是基于能量释放率的损伤演化法则，用于模拟材料内部微裂纹的萌生和扩展。对于疲劳分析，我们对比了应力寿命法（S-N曲线）、应变寿命法（E-N曲线）以及断裂力学法（应力强度因子ΔK）在不同载荷比和应力集中情况下的适用性。特别强调了低周疲劳（LCF）中应变累积的非线性效应分析。 第三部分：优化设计与前沿工程挑战 本部分将前两部分的理论和计算工具融会贯通，应用于解决当代工程设计中的优化难题和新兴领域的挑战。 第7章：结构优化设计的多目标方法 传统的结构优化多集中于质量最小化。本章引入拓扑优化（Topology Optimization）作为核心工具，特别是基于密度法的SIMP（Solid Isotropic Material with Penalization）模型，用以生成最优的材料分布。在此基础上，我们进一步探讨了多目标优化，如在保证特定刚度约束的同时，最大化结构的热分散能力或减振性能，引入帕累托前沿（Pareto Front）的概念指导设计决策。 第8章：多场耦合问题分析 现代工程结构常常暴露于电磁、热或化学环境。本章专门处理多物理场耦合问题，如压电材料的电-力耦合分析，用于智能结构和传感器设计；以及热-机械耦合在刹车盘或核反应堆部件中的应用，其中材料的蠕变和热膨胀效应必须被同时考虑。本章详细介绍了在有限元框架下，如何构建并求解耦合的微分方程组，以实现更逼真的物理模拟。 第9章：可靠性工程与不确定性量化 在载荷、材料参数乃至几何模型本身都存在不确定性的现实世界中，确定性分析已不足够。本章介绍了可靠性分析的现代方法。重点讲解了一次二阶矩（FORM）和蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation, MCS）的应用，以及更高效的概率限界方法（Probability Bounding Methods）。本书提供了如何利用贝叶斯更新方法，将实验数据反馈到不确定性模型中，从而不断提高结构的预测可靠性。 本书的特色在于其对计算工具的深度依赖和对工程实际问题的紧密贴合。每一章节都包含大量的数值算例和案例研究，旨在指导读者将复杂的理论转化为可操作的工程解决方案。它不仅是理论的参考书，更是高级结构分析师和研究人员必备的实用工具手册。

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