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出版者:McGraw-Hill Science/Engineering/Math

作者:Ferdinand Beer

出品人:

页数:648

译者:

出版时间:2006-3-29

价格:$ 276.29

装帧:Hardcover

isbn号码:9780073212197

丛书系列:

图书标签:

• 力学
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《现代结构动力学基础与应用》 作者： 艾伦·R·哈里斯，朱莉娅·M·陈 出版社： 普林斯顿大学出版社 出版年份： 2023年 --- 内容简介 《现代结构动力学基础与应用》是一部全面、深入探讨结构在动态载荷作用下响应的权威性专著。本书旨在为土木工程、机械工程、航空航天工程以及结构工程领域的高年级本科生、研究生以及经验丰富的工程师提供坚实的理论基础和前沿的应用技术指导。 本书摒弃了传统教材中侧重于静力学平衡的视角，而是将结构视为一个具有质量、刚度和阻尼的连续体，其行为必须通过微分方程和系统动力学原理来描述。全书结构清晰，逻辑严谨，从最基本的自由振动分析出发，逐步深入到复杂的强制振动、随机振动、非线性动力学响应，并详细阐述了现代工程实践中不可或缺的地震工程与模态识别技术。 第一部分：基础理论与单自由度系统 本书伊始，我们首先回顾了必要的材料力学和微积分背景知识，为动力学分析奠定基础。重点在于建立结构动力学的基本概念框架。 结构动力学区别于静力学的核心在于时间变量的引入。 第一章：工程中的动态载荷与响应。 详细分析了工程中常见的动态载荷类型，如冲击载荷、周期性载荷（风荷载、机器振动）和随机载荷（地震、湍流）。引入了位移、速度和加速度作为时间函数，并确立了基本平衡方程——牛顿第二定律在连续体上的应用。 第二章：单自由度（SDOF）系统的自由振动。 这是动力学分析的基石。本书详细推导了无阻尼和有阻尼 SDOF 系统的运动微分方程。通过特征方程的求解，深入分析了系统的固有频率（自然频率）和阻尼比对响应特性的影响。我们不仅关注解析解，还重点探讨了复数解的物理意义，特别是欠阻尼情况下的振荡衰减规律。本章还引入了对数衰减率的概念，这是衡量结构阻尼特性的关键参数。 第三章：单自由度系统的强制振动与响应。 本章探讨外部周期性激励下的系统响应，包括瞬态响应和稳态响应的叠加。关键概念在于共振现象，我们详细分析了激励频率接近系统固有频率时系统响应急剧增大的物理机制，并探讨了共振对结构安全性的潜在威胁。此外，书中还详尽讲解了“频率响应函数”和“转移矩阵”的概念，为后续的多自由度系统分析做好铺垫。 第四章：冲击响应与能量概念。 针对瞬态载荷（如碰撞、爆炸冲击波），本章专门讨论了脉冲载荷下的系统响应。引入了冲击频谱和峰值因子，并从能量角度审视了结构对冲击能量的吸收与耗散过程，特别是与结构塑性变形的关联。 第二部分：多自由度系统与模态分析 随着结构复杂性的增加，必须转向多自由度（MDOF）系统的分析。本书在这一部分采用了基于拉格朗日方程的推导方法，强调了广义坐标和系统能量（动能和势能）在建立运动方程中的作用。 第五章：多自由度系统的运动方程。 系统地建立了 MDOF 系统的质量矩阵 ($mathbf{M}$)、刚度矩阵 ($mathbf{K}$) 和阻尼矩阵 ($mathbf{C}$)。重点讲解了如何通过基于位移的欧拉-拉格朗日方法推导出矩阵形式的运动方程：$mathbf{M}ddot{mathbf{x}} + mathbf{C}dot{mathbf{x}} + mathbf{K}mathbf{x} = mathbf{f}(t)$。 第六章：无阻尼系统的固有特性与模态分析。 这是现代结构动力学的核心。本书详细阐述了特征值问题 ($mathbf{K}mathbf{Phi} = mathbf{M}mathbf{Phi}mathbf{omega}^2$) 的求解过程，推导出了系统的固有频率和主振型（模态形状）。模态正交性的概念被深入剖析，并解释了它如何简化复杂系统的分析。书中配有大量矩阵代数和数值求解方法的介绍。 第七章：模态叠加法与响应分析。 利用正交性，本章介绍了模态叠加法，即将复杂的 MDOF 响应分解为一系列独立的 SDOF 响应的叠加。详细讨论了在周期性激励和瞬态激励下，如何利用模态参与系数和模态响应来计算总位移、应力和内力。对于阻尼系统，本书侧重于模态阻尼比的假设与选取，如经典阻尼和比例阻尼。 第八章：系统识别与实验模态分析（EMA）。 考虑到实际结构参数的估计困难，本章引入了将理论模型与实验数据相结合的方法。详细介绍了从实验测得的频响函数中提取结构固有频率、阻尼比和振型的方法，如峰值法、半功率带宽法等。 第三部分：高级主题与实际应用 最后一部分将理论知识应用于复杂工程问题，关注于非线性和随机环境下的结构行为。 第九章：随机振动理论与地震工程。 结构往往暴露在不可预测的载荷下，如风或地震。本章系统介绍了随机过程理论在线性系统中的应用，包括功率谱密度函数（PSD）和均方根（RMS）响应计算。地震工程部分是本书的亮点之一，详细分析了反应谱方法，并介绍了基于时程分析的非线性动力反应模拟，包括 Newmark-$eta$ 法等数值积分方案。 第十章：非线性结构动力学。 现实中的结构在极限载荷下不可避免地会表现出非线性特征（如材料屈服、几何非线性）。本章探讨了非线性系统的分析挑战，如滞回现象和周期性响应的跳跃现象。书中重点介绍了增量平衡法和弧长法在求解非线性动力方程中的应用，为评估结构的抗毁性提供了工具。 第十一章：柔性结构与连续体动力学。 针对梁、板和壳体等连续体结构，本书导出了其运动方程（如欧拉-伯努利梁理论和爱尔兰-柯氏梁理论），并展示了如何通过分离变量法或有限元方法（FEM）离散化，从而将其转化为 MDOF 系统的动力学问题。 --- 本书特色 1. 深度融合理论与实践： 本书在讲解每一个理论概念后，都紧密结合工程实例，如桥梁的抗风振设计、核电站设备的抗震分析、高速列车的振动控制等，使读者能直观理解数学模型的物理意义。 2. 强调数值实现： 贯穿全书的 MATLAB 和 Python 代码示例，演示了如何高效地求解特征值问题、积分运动方程以及处理实验数据，确保读者具备将理论转化为工程计算的能力。 3. 清晰的逻辑链条： 从 SDOF 系统的能量分析到 MDOF 系统的模态解耦，再到复杂环境下的非线性响应，本书构建了一个层层递进、逻辑严密的学习路径。 《现代结构动力学基础与应用》不仅是一本教科书，更是一本面向工程实践的参考手册，旨在培养工程师对结构动态行为的深刻洞察力，以设计出更安全、更具韧性的现代基础设施。

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