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出版者:中国石化出版社

作者:唐永进

出品人:

页数:197 页

译者:

出版时间:2003年11月1日

价格:30.0

装帧:平装

isbn号码:9787801644473

丛书系列:

图书标签:

• 压力管道
• 应力分析
• 管道设计
• 有限元分析
• 结构工程
• 机械工程
• 管道工程
• 材料力学
• 工程力学
• 安全评估

机械工程中的热应力与疲劳：结构完整性与寿命评估 本书并非关于“压力管道应力分析”的专业论著，而是聚焦于机械结构在复杂服役环境下的热力耦合行为、材料疲劳损伤以及结构完整性评估的综合性技术手册。 本书深入探讨了在实际工程应用中，机械设备、关键零部件以及受力结构所面临的温度梯度、热循环载荷以及机械应力叠加效应。其核心目标是为工程师提供一套系统化的分析框架，用以预测和管理结构在长期运行过程中的性能退化与潜在失效风险。 全书内容组织严谨，从基础的热力学与材料科学原理出发，逐步过渡到高级的数值模拟技术和疲劳寿命预测模型。全书结构分为七个主要部分，旨在构建一个从微观材料响应到宏观结构寿命评估的完整知识体系。 --- 第一部分：热力学基础与传热学原理的工程应用 (Foundation of Thermo-Mechanical Coupling) 本部分首先回顾了固体传热学的基本定律，重点阐述了在不规则几何体和非均匀材料体系中，瞬态和稳态热传导的解析及数值解法。随后，引入了结构热应力分析的基础：热膨胀理论与本构关系。我们详细讨论了温度变化如何通过泊松比、热膨胀系数等材料参数转化为内应力与应变，特别关注了在快速加热或冷却过程（如淬火、热冲击）中，由于温度梯度产生的高阶应力集中现象。 此部分的关键在于建立热载荷与机械响应之间的桥梁。通过引入热弹性理论和热粘塑性理论（针对高温蠕变环境），读者将掌握如何准确计算出因温度变化而产生的“固有应力场”，这是后续进行疲劳评估的初始条件。 --- 第二部分：先进材料的力学行为与本构模型 (Advanced Material Constitutive Modeling) 结构分析的准确性高度依赖于所选材料模型的精确性。本部分专注于描述工程中常用金属合金、复合材料及聚合物在不同应力状态下的非线性力学响应。 重点内容包括： 1. 高温蠕变与松弛： 详细分析了蠕变本构模型（如Norton定律、Bailey-Norton模型）在预测超高应力下的长期变形和应力松弛行为中的应用。 2. 塑性理论的深化： 对比了弹塑性分析中的代表性屈服准则（如Von Mises, Tresca）及其后效性模型（随动硬化、随动应变），尤其讨论了在复杂应力路径下的包辛格效应。 3. 疲劳损伤的微观基础： 探讨了裂纹萌生与扩展的微观机制，包括位错运动、晶界滑移以及表面氧化对疲劳寿命的加速作用。 --- 第三部分：结构动力学响应与模态分析 (Structural Dynamics and Modal Response) 在许多工业应用中（如涡轮机械、机床），结构承受的载荷具有周期性和冲击性。本部分侧重于结构的动态特性分析。 核心内容涵盖： 振动理论回顾： 单自由度和多自由度系统的自由振动与受迫振动分析。 模态分析： 确定结构的固有频率和振型，这是避免共振破坏的前提。特别关注了阻尼对动态响应的影响建模。 瞬态动力学分析： 利用Newmark-$eta$法等时间积分方法，模拟冲击载荷或地震载荷下的结构时程响应，计算最大瞬态应力。 --- 第四部分：疲劳寿命的量化评估：应力-寿命法与应变-寿命法 (Fatigue Life Quantification) 疲劳分析是本书的核心支柱之一。本部分系统地介绍了工程界最常用的两种疲劳评估方法，并结合了热载荷的影响。 1. 应力-寿命法 (S-N 法)： 详细介绍了不同载荷谱下的应力幅值与疲劳循环次数的关系，包括基准S-N曲线的建立、尺寸效应的修正、以及表面粗糙度的影响因子。 2. 应变-寿命法 ($varepsilon$-N 法)： 针对低周疲劳（LCF）现象，深入探讨了Manson-Coffin关系式，并阐述了如何通过计算峰值应变幅值来预测材料的疲劳裂纹萌生寿命。 3. 多轴疲劳评估： 讨论了在复杂旋转或往复载荷下，如何应用Critical Plane理论（如Findley, SWT参数）来处理主应力方向随时间变化的疲劳问题。 --- 第五部分：疲劳裂纹扩展与断裂韧性 (Fracture Mechanics and Crack Propagation) 当疲劳损伤发展到裂纹阶段时，评估结构剩余寿命需要转向断裂力学。 本章重点在于： 线性弹性断裂力学 (LEFM)： 详细介绍了应力强度因子 ($K$) 的概念，以及不同裂纹几何（边缘裂纹、中心裂纹）的计算方法。 裂纹扩展速率模型： 深入应用Paris-Erdogan定律，结合载荷比（R比）和应力强度因子范围 ($Delta K$)，预测裂纹的扩展速度。 断裂韧性 ($K_{IC}$) 的实验确定与应用： 讨论了在不同温度下，材料抵抗快速断裂的能力，以及如何将此参数用于安全因子设计。 --- 第六部分：热机耦合疲劳 (Thermo-Mechanical Fatigue, TMF) 分析 这是连接前述所有模块的关键章节，专门处理因温度变化与机械载荷交替作用导致的疲劳损伤。 本书详细介绍了TMF分析的挑战与解决方案： 1. 循环滞回与塑性积累： 分析热循环如何在机械应力存在时导致材料的塑性应变逐渐积累，形成“塑性应变管线”的漂移现象。 2. 应力松弛与应变分配： 探讨在高温蠕变环境下，如何正确地将总应变分解为弹性、塑性、蠕变和热弹性部分（粘塑性本构的应用）。 3. TMF寿命预测参数： 应用修正的Manson-Coffin或基于能量的方法（如CoF参数）来直接评估TMF载荷下的结构寿命。 --- 第七部分：有限元方法的实施与验证 (FEA Implementation and Verification) 为将理论应用于实际工程问题，本书提供了使用主流商业有限元软件（如ANSYS, ABAQUS）进行热应力与疲劳分析的详细操作指南和案例研究。 内容侧重于： 建模技巧： 如何处理接触、非线性约束和复杂边界条件。 网格收敛性验证： 确保高应力梯度区域的数值精度。 后处理与结果解读： 如何从FEA输出中提取正确的应力循环、应变范围，并将其输入到疲劳寿命模块进行评估。 实验验证与反演： 介绍如何使用全场测量技术（如DIC）来校准和验证FEA模型预测的应力场和裂纹扩展路径。 本书适用于从事高温设备设计、航空航天结构分析、核能系统、能源转换装置以及精密机械部件设计与评估的高级工程技术人员、研究人员和研究生。它提供了一种超越简单静力分析的视角，强调了时间、温度和载荷循环的综合效应在确保结构长期可靠性中的决定性作用。

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这本书的封面设计着实引人注目，那种深邃的蓝色调和清晰的字体排版，立刻就给人一种专业、严谨的感觉。我拿到手的时候，首先就被它厚实的装帧吸引了，感觉像是捧着一本工具书，而不是随便翻翻的读物。我对这类涉及工程力学和材料科学的书籍一直抱有很高的期待，希望它能深入浅出地讲解一些复杂理论。不过，老实说，初读之下，我发现它在理论基础的铺陈上花了相当大的篇幅，对于我这种更偏向应用层面的读者来说，前半部分的数学推导和边界条件的设定显得有些枯燥和晦涩。我期望看到更多实际案例的剖析，比如某个具体项目的应力集中点是如何通过软件模拟和理论计算来验证的，但这类实例似乎没有得到充分的展现。整体而言，它更像是一本扎实的教科书，适合需要系统性打牢基础的研究生或初级工程师，对于急于解决实际工程问题的读者来说，可能需要耐心去“挖掘”那些金子般实用的内容。

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我最近正在负责一个高温高压流体输送系统的设计校验工作，因此对“应力分析”这个主题非常关注。我入手这本书，是希望能找到一些关于非常规工况下管道疲劳寿命预测的先进方法。这本书的内容确实涵盖了基本的应力计算、弯矩分布等经典内容，对于理解静载和温升载荷下的基本行为是很有帮助的。然而，在探讨蠕变、交变应力下的疲劳累积损伤模型时，我感觉讨论的深度略显不足，更偏向于基于经典理论的保守评估，而对近年来新兴的数值模拟技术（如高级非线性有限元）如何融入设计流程的讨论则显得比较简略。换句话说，它提供的解决方案更像是“教科书上的标准解”，而不是“一线工程师会采用的优化解”。因此，在我的具体工作中，我还需要同时参考其他更侧重于前沿仿真技术的资料，才能构建一个全面的分析体系。这本书更像是提供了一个坚实的地基，但上层建筑的搭建还需要我们自己去寻找更具创新性的砖块。

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从内容丰富度的角度来看，这本书无疑是一部重量级的作品，它几乎涵盖了管道应力分析领域所有主流的分析方法和设计规范的引用。我可以感觉到作者在知识体系的构建上花费了极大的心血，力求全面和权威。但正因为它的“大而全”，也导致了在某些特定领域，例如对动态载荷，如地震或水锤引起的瞬态应力波传播的分析，处理得比较简略，主要集中于稳态和准静态分析。对于需要进行高动态响应分析的项目，这本书提供的理论框架似乎只能作为起点，后续的专业动态分析理论和方法需要在其他更专业的动态力学书籍中寻找。此外，对于不同国家和地区的设计规范（如ASME、EN、GB）之间的细微差别和适用性讨论，如果能有更系统化的对比分析，而不是仅仅引用某一个标准，那对于全球化的工程项目无疑会提供更大的价值和便利性，让读者能更灵活地应对不同市场的要求。

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我花了相当长的时间来研读这本书，希望能够掌握如何处理复杂接头处的应力集中问题。书中对管件连接部分的应力奇异性做了提及，并且提供了标准的规范校核方法。然而，当涉及到三通、异形弯头等复杂拓扑结构时，书中所提供的解析解方法显得力不从心，更多的是建议采用数值方法。虽然这反映了工程的现实，但我更希望书中能提供至少一个详细的、手把手的案例，展示如何将这种复杂结构导入有限元软件，并正确施加边界条件和材料模型，以达到与规范要求相符的结果。仅仅给出“需要进行有限元分析”的结论，对于希望通过阅读此书来提升实际操作能力的人来说，无疑是一种遗憾。这本书在理论的“是什么”上做得非常出色，但在“怎么做”的实践指导上，尤其是在处理非标准几何件时，表现得相对保守和抽象了些。

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这本书的排版和插图质量，说实话，给我留下了非常深刻的印象，这一点在技术书籍中是相当难得的。图表的清晰度和信息密度达到了一个很高的水准，尤其是一些复杂的几何结构受力示意图，通过精细的线条和标注，即使是复杂的受力状态也能一目了然。这一点非常有助于理解理论公式背后的物理意义。但是，这种对细节的极致追求似乎也导致了章节之间的衔接略显生硬。有时候，感觉作者是从一个知识点直接跳到了下一个知识点，中间缺少了一些过渡性的、引导性的文字来帮助读者建立知识链条。比如，当从薄壁管理论过渡到厚壁管理论时，如果能更明确地指出这些模型在适用范围上的关键差异以及选择的考量，对初学者会更加友好。我个人觉得，如果能在保持现有图表质量的基础上，适当增加一些“思考题”或“设计对比分析”的小节，这本书的教学效果会更上一层楼，不至于让人感觉像是在阅读一本纯粹的参考手册。

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