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出版者:Society of Photo Optical

作者:Not Available (NA)

出品人:

页数:556

译者:

出版时间:

价格:130

装帧:Pap

isbn号码:9780819448569

丛书系列:

图书标签:

• Smart materials
• Structural engineering
• Composite materials
• Sensors
• Actuators
• Damage detection
• Vibration control
• Adaptive structures
• Nonlinear dynamics
• Piezoelectric materials

结构与材料的未来前沿：2003年及后续的创新浪潮 本书汇集了2003年前后，结构工程、材料科学以及跨学科领域内最具突破性和前瞻性的研究成果与技术进展。它并非聚焦于特定一本名为《Smart Structures and Materials 2003》的会议论文集，而是旨在描绘一个更宏大、更具时间跨度的图景：在那个关键的历史节点上，智能结构与先进材料领域正在经历的深刻变革，以及这些变革如何塑造了我们对基础设施、航空航天和日常用品的认知。 本卷册深入探讨了支撑21世纪初结构工程迈向“智能”时代的几大核心支柱，内容组织围绕材料的本构特性、传感与执行机制、以及系统集成与应用展开，力求提供一个全面且深入的技术综述。 --- 第一部分：基础材料科学的飞跃与挑战 智能结构的核心在于其承载构件——先进材料。本部分重点关注了在2003年前后，结构材料领域正在出现的关键转变，这些转变极大地拓宽了结构设计所能达到的性能极限。 1.1 复合材料的第三代革命与纳米增强 2003年是航空航天和汽车工业对高性能复合材料需求井喷的时期。本书详细分析了碳纤维增强聚合物（CFRP）和玻璃纤维增强聚合物（GFRP）在疲劳寿命、抗冲击性和环境耐久性方面的最新进展。 树脂基体的改进： 重点探讨了耐高温环氧树脂体系和新型热塑性树脂（如PEEK及其共聚物）在维持高强度和改善韧性方面的研究。这些材料的引入，使得结构能够在更极端的温度和载荷条件下长期服役。 纳米结构化增强： 2003年左右，将纳米颗粒（如碳纳米管、石墨烯的早期形态、粘土纳米片）引入到聚合物基体中，以期实现性能的“阿基米德式”提升，是研究热点。本书涵盖了关于如何有效分散这些填料以避免团聚，以及它们对材料介电常数、导热性和机械强度的影响机制。我们详细考察了界面粘合理论在优化这些纳米复合材料性能中的作用。 1.2 形状记忆合金（SMA）与功能性金属 形状记忆合金，特别是镍钛合金（Nitinol），在2003年已从实验室研究走向实际应用，成为主动控制结构的重要执行器。 本构模型与迟滞分析： 本部分提供了关于SMA热力学驱动的应力-应变-温度关系的精细化模型，尤其关注了其在循环载荷下的迟滞现象和疲劳性能。对这些非线性特性的精确建模，是实现可靠主动阻尼和自修复系统的基础。 新型合金体系的探索： 除了传统的NiTi，对铜基和铁基形状记忆合金的研发也被纳入讨论，旨在降低成本、提高服役温度范围，并优化其应变恢复能力。 1.3 混凝土与水泥基材料的智能演化 尽管混凝土是传统材料，但在2003年前后，其“智能”化研究也取得了显著进展，主要集中在提高耐久性和引入自感知能力。 自修复混凝土的早期构想： 讨论了利用微胶囊技术或细菌诱导的钙化反应，来实现对微裂缝的自动修复，从而延长基础设施的服役寿命。 导电混凝土的研究： 通过掺入导电填料（如钢纤维或碳纤维），使混凝土具备监测自身应变和损伤的能力，这构成了早期结构健康监测（SHM）网络的基础。 --- 第二部分：感知、执行与数据融合 智能结构的关键在于其与环境的交互能力，即感知外部载荷和内部状态，并能作出适当的响应。本部分聚焦于传感技术和驱动器的集成。 2.1 分布式光纤传感网络（FBG与OTDR） 光纤布拉格光栅（FBG）传感器技术在2003年前后成熟，成为监测大型结构（如桥梁、飞机机翼）应变和温度的首选技术之一。 阵列化部署与解调技术： 本章详述了如何将成百上千个FBG传感器集成到复合材料层压板中，实现全场应变映射。同时，对快速傅里叶变换（FFT）和基于滤波器的解调算法在处理高密度数据流时的效率进行了深入分析。 抗干扰与环境补偿： 讨论了光纤传感器在电磁干扰免疫性方面的优势，以及如何精确区分温度变化与机械应变对传感信号的影响。 2.2 压电与电磁执行器：主动控制的核心 主动减振、抑制颤振和形态控制，高度依赖于高能量密度和快速响应的执行器。 压电致动器（PZTs）的集成挑战： 本书详尽分析了如何将高功率PZT堆叠致动器（Stack Actuators）与结构件进行高效机械耦合，以最大化力输出。关注点在于“耦合效率”和“机械阻抗失配”问题。 磁流变（MR）流体减振器： MR流体技术在2003年展现出巨大的潜力，因为它能实现从毫秒到秒级的连续、可控的阻尼调节。我们考察了MR流体阻尼器在半主动悬挂系统和大型机械隔离平台上的应用案例及磁场控制策略。 2.3 嵌入式传感与无线健康监测（WISHM）的萌芽 这是结构健康监测领域向“无线化”过渡的关键时期。 无源（Passive）传感技术： 探讨了基于电磁感应或压电效应的能量收集技术，用以驱动无需外部电源的传感器节点。 低功耗数据传输： 对当时新兴的低功耗射频（RF）模块和短距离无线网络协议在结构监测网络中的初步应用进行了评估，预示了未来物联网（IoT）在结构工程中的应用方向。 --- 第三部分：系统集成、建模与性能验证 真正的智能结构不仅是先进材料和传感器的堆砌，更是对整个系统复杂行为的精确理解与控制。 3.1 损伤识别的信号处理范式 在监测系统采集了海量数据之后，如何从噪声中提取“损伤指纹”是核心挑战。 基于模态分析的损伤定位： 详细阐述了模态频率漂移、振型变化识别等经典方法，并对比了它们对局部损伤（如分层、裂纹扩展）的敏感性。 机器学习方法的早期应用： 2003年前后，专家系统和神经网络（尤其是反向传播网络）开始被用于非线性损伤模式的识别。本书探讨了如何用有限元模型生成训练数据集，以指导神经网络识别实际结构中的早期损伤迹象。 3.2 智能结构控制理论的深化 控制理论必须适应结构的非线性、时变特性以及执行器的局限性。 H-无穷（$H_{infty}$）和滑模控制（SMC）： 这些鲁棒控制方法被广泛应用于确保主动控制系统在存在模型不确定性或外部干扰时仍能保持稳定性。本书提供了这些控制器在模拟桥梁风致振动抑制中的应用实例。 自适应与学习控制： 探讨了结构如何“学习”自身的动态变化（如载荷变化或材料老化），并通过调整控制增益来优化性能。 3.3 实验验证与大型结构测试平台 所有理论和材料进步都需要严格的实验验证。本部分展示了当时用于验证这些智能结构概念的关键实验设施和方法。 高保真度模拟环境： 描述了用于模拟极端天气（如强风、高低温循环）和高频载荷（如地震或冲击）的动态加载系统。 多物理场耦合测试： 重点分析了如何在一个实验台上同时施加机械载荷、电磁场和热梯度，以全面评估智能材料和结构在复杂耦合作用下的长期行为。 --- 总结： 本书所涵盖的这些研究，共同描绘了结构工程从“被动抵抗”向“主动适应”转变的时代蓝图。它不仅是2003年前后技术积累的结晶，更是对未来几十年结构设计理念的深刻预演，为后续更先进的自适应系统、能源收集结构和自主维护基础设施的开发奠定了不可或缺的理论和实验基础。这些在当时被视为前沿的技术，正是今天许多成熟智能系统的技术源头。

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