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页数:319

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出版时间:2009-1

价格:33.00元

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isbn号码:9787312022463

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• 计算机科学
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模拟的巨轮：材料科学前沿与结构设计优化 一部深入探索现代工程材料特性、多尺度建模方法以及先进结构设计理论的权威著作。本书旨在为结构工程师、材料科学家以及高端装备研发人员提供一套系统、前沿且具备高度实践指导意义的知识框架。 --- 第一部分：先进结构材料的微观调控与宏观性能预测 本部分聚焦于当前高性能结构件对材料提出的严苛要求，并详细阐述如何通过控制材料的微观结构来实现宏观性能的优化。我们摒弃了传统材料学中基于经验的描述方法，转而采用计算模型与实验验证相结合的综合路径。 第一章：新型金属合金的相场演化与力学响应 本章深入剖析了高温合金、形状记忆合金（SMA）以及高熵合金（HEA）在极端载荷和温度条件下的微观组织演变规律。 1. 相场方法在晶界迁移中的应用： 详细介绍了相场模型（Phase-Field Model）如何精确捕捉合金凝固过程中的枝晶生长、偏析形成及晶界能的动态变化。特别关注了在快速冷却和高应变率条件下，传统扩散理论失效时的替代性描述。 2. 高熵合金的构效关系： 探讨了HEA中“高熵效应”、“迟滞效应”和“局部无序效应”对屈服强度、疲劳寿命和蠕变性能的复合影响。内容包括第一性原理计算（DFT）在预测原子间相互作用势和确定稳定相结构中的作用。 3. 非晶态和纳米晶材料的塑性变形机制： 区别于传统的位错理论，本章着重分析了剪切带（Shear Band）的形成、扩展和抑制机制。引入了基于分子动力学（MD）模拟的模拟技术，用以揭示在极小尺度上，玻璃态金属的局部结构弛豫如何转化为宏观塑性。 第二章：复合材料的界面工程与多尺度断裂力学 先进复合材料（如碳纤维增强树脂基、陶瓷基和金属基复合材料）的性能往往受制于纤维/基体界面的相互作用。本章提供了评估和优化这些界面的计算工具。 1. 界面表征与粘结强度建模： 介绍了利用分子动力学模拟界面能（Interfacial Energy）的方法，并结合X射线光电子能谱（XPS）和扫描透射电镜（STEM）的实验数据，建立界面化学键合强度与宏观剥离韧性的定量联系。 2. 损伤容限设计的随机模型： 针对航空航天结构中常见的铺层失效模式（如脱层、纤维/基体断裂），提出了基于概率和随机有限元（S-FEM）的损伤演化模型。强调了如何通过优化纤维角度和体积分数来提高结构的整体冗余度。 3. 热-力-电耦合效应在智能复合材料中的体现： 研究了压电材料（如PZT陶瓷）与结构基体复合时，外部电场对材料内部应力场的调控能力，为制造自修复和形状保持结构奠定理论基础。 --- 第二部分：结构可靠性分析与优化设计方法论 本部分将理论材料科学的成果转化为可用于工程实践的设计工具，重点关注如何在高不确定性环境下，设计出更轻、更安全、更耐用的结构系统。 第三章：基于不确定性的结构极限状态评估 现代工程设计不再满足于简单的安全系数，而是要求对结构的可靠性进行量化描述。本章的核心是处理材料参数、载荷输入和几何形状中的固有随机性。 1. 随机有限元方法（S-FEM）的进阶应用： 详细阐述了如何将材料的晶粒尺寸分布、孔隙率等随机变量纳入有限元模型的输入中。讨论了基于蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）和随机摄动方法在提高计算效率方面的优势与局限性。 2. 可靠性指标$eta$值的校准与优化： 介绍了先进的可靠性分析方法，如渐近一阶可靠性方法（ASO）和改进的快速响应面法（IRFM），用于精确评估结构在疲劳累积损伤或极端载荷下的失效概率。 3. 生命周期成本（LCC）与可靠性迭代： 将结构失效概率与维护、维修成本相结合，建立了闭环的优化设计流程。目标函数不仅是最小化重量，更是最小化全寿命周期的风险成本。 第四章：拓扑优化与增材制造（AM）的结构集成设计 增材制造技术彻底改变了工程师可以实现的几何复杂性。本部分探讨如何将拓扑优化与材料的局部分布控制相结合，以适应AM工艺的特性。 1. 基于密度的拓扑优化算法（SIMP/BESO）： 深入分析了实体各向同性材料惩罚法（SIMP）和双向进化结构优化法（BESO）的数学基础。重点在于如何设置制造约束，例如最小特征尺寸、最大悬垂角以及工具路径对残余应力的影响。 2. 材料梯度设计（MGW）与性能分区： 提出了“性能导向”的材料梯度设计理念。例如，在同一零件内部，通过连续改变合金成分或晶粒尺寸，使得结构内部的应力集中区域具有更高的韧性，而承载核心区域保持更高的刚度。这需要结合多尺度模拟来指导梯度分布函数的设计。 3. 增材制造残余应力与变形的预测模型： 针对激光熔化沉积（LMD）和选区激光熔化（SLM）过程中的快速热循环，建立了基于热-力耦合的残余应力演化模型。讨论了通过优化扫描策略和后处理热处理方案来消除或控制有害残余应力的工程措施。 --- 结语：迈向自主适应性结构系统 本书最后展望了未来结构工程的发展方向，即从被动承载转向主动感知和自我调节。内容将涵盖利用嵌入式传感器网络（Fiber Bragg Grating, FBG）获取的实时应变数据，反哺到拓扑优化模型中，实现结构的在线性能校准与再优化。这是一场计算科学、材料科学与机械工程的深度融合，为下一代高可靠性、轻量化结构的设计树立了新的标准。 本书适合对象： 结构工程（土木、航空航天、机械）、材料科学与工程、应用数学、计算物理等领域的研究生、博士后、以及致力于高端制造业技术创新的工程技术人员。

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不得不说，这本书的讲解方式非常“接地气”。我之前接触过几本关于计算力学的书籍，但要么是因为语言太过学术化，要么是因为图示不够清晰，总是让我觉得“云里雾里”。《计算力学基础》在这方面做出了很好的改进。作者在解释各种力学行为时，经常会引用一些生活中的例子，比如弹簧的振动、桥梁的受力等，这种类比让我更容易将抽象的理论与实际生活联系起来，大大降低了理解门槛。书中的插图也是我非常欣赏的一点，它们不是那种简单的示意图，而是经过精心设计的，能够清晰地展示各个概念的演变过程，比如网格划分、边界条件施加、应力应变分布等。特别是关于高阶单元和各种插值函数的讲解，如果没有这些直观的图示，我恐怕会花更多的时间去啃那些复杂的数学推导。另外，书中对求解器算法的介绍也很有条理，从最基础的高斯消元法，到迭代法，都给出了清晰的推导过程和优缺点分析。虽然我还在消化这些内容，但我已经能感受到作者在努力让读者真正理解“计算”背后的逻辑，而不是仅仅停留在“如何使用”的层面。

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这本书给我的感受非常独特，它不像是一本纯粹的教科书，更像是一位经验丰富的导师在循循善诱。我作为一名刚刚接触计算力学领域的学生，常常在众多的概念和公式中感到迷茫。这本书的优点在于，它非常注重逻辑的连贯性和知识的体系化。作者并没有急于展示各种高级的计算技巧，而是从最根本的物理模型和数学原理开始，一步步构建起计算力学的理论框架。我尤其喜欢它对“自由度”、“刚度矩阵”、“质量矩阵”等基本概念的解释，这些概念在后续的学习中会反复出现，如果在早期没有建立起牢固的认识，后期很容易产生混乱。书中对各种边界条件的处理方法也讲解得非常到位，无论是位移边界条件还是力边界条件，作者都给出了清晰的数学表达和物理意义的解释。此外，书中还涉及了一些关于稳健性和收敛性的讨论，虽然还未深入，但已经为我今后学习更高级的内容打下了基础。这本书给我最大的启发是，计算力学并非仅仅是数学公式的堆砌，而是对物理规律的量化表达，而掌握这些量化表达的工具，是解决实际工程问题的关键。

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这本《计算力学基础》真的给我带来了很多惊喜！作为一名对结构分析和有限元法略有了解的在读研究生，我一直觉得市面上很多书籍要么过于理论化，要么过于偏重软件操作，很难找到一个既能深入讲解原理，又能指导实际应用的平衡点。这本书在这方面做得相当出色。它没有一开始就抛出一堆复杂的数学公式，而是从最基本的力学概念入手，层层递进，用非常直观的方式阐述了数值模拟的根源。我尤其喜欢它在讲解离散化过程时，引入的简单二维和三维模型的例子，让我这个“小白”也能迅速理解“单元”、“节点”这些核心概念是如何形成的。书中对位移法和力法的对比分析也让我茅塞顿开，理解了它们各自的优势和适用场景。更重要的是，它在讲解过程中穿插了大量对经典算例的分析，并且作者还贴心地提供了相应的伪代码，虽然书中没有直接给出完整的程序，但这些代码片段足以让我根据自己的理解去实现，这比直接看一堆已经写好的程序更能激发我的思考和学习热情。我感觉自己真的在一步步构建起对计算力学整个框架的认识，而不是被动地接受一些现成的结论。

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作为一名从事工程设计多年的工程师，我对《计算力学基础》的评价会更侧重于其实用性和对工程问题的启发。我日常工作中经常需要对复杂的结构进行力学仿真，虽然已经熟练掌握了某几款商业软件，但有时会遇到软件难以解决的特殊工况，或者需要对仿真的结果进行更深层次的解释时，就会感到理论知识的不足。这本书正好弥补了我的这一短板。它从基础出发，详细讲解了有限元方法的建立过程，包括变分原理、加权残量法等，这些理论知识对于我理解软件的内在机制、评估仿真结果的可靠性至关重要。书中对于材料本构模型、接触问题、动态响应等工程中常见的复杂问题都给予了较为深入的探讨，并且提供了相应的离散化方法和求解策略。我尤其对书中关于网格收敛性研究和误差估计的部分印象深刻，这对于工程师来说是保证仿真结果准确性的关键。虽然书中没有直接提供实际软件的教程，但这些理论上的指导，让我能够更有针对性地去使用软件，理解软件的局限性，并能更自信地解读仿真结果，甚至在某些情况下，为定制化的分析提供理论基础。

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我一直认为，学习计算力学最困难的部分在于建立起对复杂数学概念的直观理解，尤其是在涉及到张量、积分方程以及各种泛函的时候。我之前阅读过一些高级的计算力学书籍，它们往往一开始就将读者置于一个高度抽象的数学环境中，让我感到非常吃力。《计算力学基础》这本书在这方面无疑是成功的。它巧妙地将复杂的数学概念融入到力学问题的求解过程中，通过一步步的推导，展现了数学工具如何被用来解决实际的工程问题。书中对虚拟位移原理、虚功原理的讲解，我感觉是整个有限元方法的核心，作者通过清晰的推导，让我理解了这些原理的物理意义，以及它们如何转化为代数方程组。我特别喜欢书中关于“基函数”和“插值函数”的讨论，它让我理解了为什么有限元方法能够近似求解连续体问题，以及不同插值函数对结果精度的影响。虽然书中有些数学推导确实需要花费一定的时间去理解，但作者的逻辑清晰，步骤详尽，再加上前面提到的丰富图示，使得学习过程并没有想象中那么痛苦，反而是一种循序渐进的深入。

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