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出版者:

作者:Ohanian, Hans

出品人:

页数:1282

译者:

出版时间:2007-6

价格:648.00元

装帧:

isbn号码:9780393109719

丛书系列:

图书标签:

• 物理学
• 工程物理
• 应用物理
• 大学物理
• 理工科
• 物理
• 工程学
• 高等教育
• 教科书
• 物理学原理

机械动力学：从理论基石到工程实践的深入探索 作者： [此处留空，或填写虚构的资深教授姓名，例如：阿瑟·麦克唐纳德] 出版社： [此处留空，或填写虚构的专业出版社名称，例如：严谨力学出版社] ISBN: [此处留空，或填写虚构的ISBN编号，例如：978-1-94567-890-3] --- 内容概述与核心价值 《机械动力学：从理论基石到工程实践的深入探索》（以下简称《动力学》）是一部旨在为高等工科学生、研究生以及一线工程师提供全面、深入且具有高度实践指导意义的机械动力学专著。本书旨在跨越理论与应用之间的鸿沟，不仅详细阐述了描述物体运动和产生运动的力学原理，更侧重于这些原理在复杂机械系统分析、设计优化以及故障诊断中的实际应用。 本书的结构设计体现了从基础概念的严谨构建到高级动态问题的系统解决能力培养的渐进路径。我们深知，真正的工程理解来自于对物理本质的深刻洞察，而非仅仅是公式的堆砌。因此，全书以刚体动力学为起点，逐步过渡到系统动力学和振动分析的核心领域，确保读者能够构建一个坚实且连续的知识体系。 第一部分：基础理论与运动分析的严谨性 第一部分致力于奠定坚实的数学和物理基础。我们从运动学的基本概念入手，使用直角坐标系、柱坐标系和球坐标系等多种描述工具，精确地定义了点、刚体和约束系统的位移、速度和加速度。 关键章节聚焦： 1. 运动学基础与运动学约束： 详细讨论了瞬时旋转中心（ICR）的确定方法，并引入了欧拉角和四元数作为描述空间姿态（Orientation）的进阶工具。相较于传统的欧拉角序列，四元数在处理万向节死锁问题上的优势被置于显著位置，为后续机器人学和姿态控制打下基础。 2. 刚体动力学的基础——牛顿-欧拉定律的整合应用： 深入剖析了牛顿第二定律（$mathbf{F} = mmathbf{a}$）在线性运动中的应用，并精辟地阐述了对刚体绕质心转动的转动定律（$mathbf{M} = dot{mathbf{H}}$）。我们特别强调了动量矩（Angular Momentum）的概念及其守恒特性，并通过多个具有挑战性的三维刚体运动实例（如受扰动的陀螺仪）来巩固理解。 3. 功、能与动量原理的统一视角： 本章超越了简单的能量守恒公式，探讨了虚功原理在保守系统和非保守系统中的适用性。达朗贝尔原理（D'Alembert's Principle）被视为连接静态平衡分析与动态分析的桥梁，并为下一部分引入的拉格朗日方程做了铺垫。 第二部分：高级动力学分析：从解析方法到数值求解 第二部分是本书的理论核心，聚焦于如何构建复杂系统的动力学模型，并采用系统化的方法求解。 1. 变质量系统与非保守力： 针对火箭推进、吸积盘或涉及流体交换的机械臂等实际问题，本章详细推导了动量定理的微分形式在变质量系统中的应用，特别是齐奥尔科夫斯基公式的严格推导过程。同时，摩擦力、阻尼力和弹簧力等非保守力的建模策略被系统地分类讨论。 2. 解析力学基础：拉格朗日方程的应用： 引入拉格朗日函数（$L = T - V$），详细讲解如何构建系统的广义坐标，从而将复杂的约束运动问题转化为一组耦合的二阶常微分方程组。本书通过多个实际工程案例（例如，双摆、带阻尼的悬臂梁的简化模型）展示了拉格朗日方程在简化建模过程中的巨大威力，有效地避免了复杂的约束反力的计算。 3. 刚体动力学的积分方法： 针对无法用解析方法求解的复杂系统，本书全面介绍了数值积分技术。从基本的龙格-库塔法（Runge-Kutta methods）到更适应动力学问题的辛积分器（Symplectic Integrators），我们不仅展示了算法步骤，更着重分析了不同积分器在长期模拟中对能量守恒和系统稳定性的影响。 第三部分：机械系统的振动分析：从单自由度到多自由度 振动是工程中最常见的动态现象之一，本书花费大量篇幅系统地阐述了机械振动学的原理与应用。 1. 基础振动模型构建： 从最简单的单自由度（SDOF）系统开始，推导了自由振动、有阻尼自由振动以及受迫振动的解析解。焦点放在固有频率（Natural Frequency）、阻尼比（Damping Ratio）的物理意义及其对系统响应的影响。 2. 多自由度（MDOF）系统的模态分析： 这是现代机械设计中不可或缺的一环。本书采用矩阵特征值问题来求解系统的固有频率和主振型（Mode Shapes）。详细介绍了如何构建系统的质量矩阵 ($mathbf{M}$)、刚度矩阵 ($mathbf{K}$)和阻尼矩阵 ($mathbf{C}$)。通过特征向量的正交性，展示了如何实现系统的模态解耦，这是简化复杂系统分析的关键步骤。 3. 振动控制与工程应用： 本部分深入探讨了控制振动的方法，包括： 被动控制： 增加或修改阻尼器（如粘滞阻尼器、摩擦阻尼器）以及使用调谐质量阻尼器（TMD）来抑制特定频率的共振。 主动控制： 简要介绍了反馈控制在抑制振动中的作用，侧重于系统如何通过计算驱动力来抵消外部激励。 转子动力学概述： 针对旋转机械（如涡轮机、压缩机），简要介绍了不对称刚度、不平衡力和临界转速的概念，提醒读者在设计过程中规避危险区域。 第四部分：计算机辅助动力学分析（CAE工具的桥梁） 认识到现代工程设计越来越依赖于有限元软件（如ABAQUS, ANSYS, MSC ADAMS等），本书的第四部分提供了理论与商业软件之间的“翻译手册”。 1. 运动学与动力学仿真环境： 介绍了多体系统（MBS）仿真软件的基本工作流程，包括部件建模、连接器（Joints）和力元件（Forces）的定义。 2. 从理论到仿真参数的转换： 重点指导读者如何根据理论推导出的质量、惯量、弹簧刚度等参数，准确地在仿真环境中进行设置，确保仿真结果的物理有效性。 3. 结果后处理与工程判断： 分析了仿真输出数据（如时间历程、频谱图、相图）的工程意义，强调了如何基于动力学知识来解读仿真结果中的异常峰值或不稳定的时间序列。 --- 本书的特色与目标读者 《机械动力学》的独特之处在于其严谨的理论推导与工程直觉培养的完美结合。它并非一本面向理论物理学家的纯数学书籍，也非一本仅停留在应用层面的操作手册。 强调物理图像： 每一组核心公式的推导都伴随着清晰的物理意义解释，确保读者理解“为什么”这个公式有效，而不仅仅是“如何”套用。 丰富的插图与例题： 书中包含超过200个精心设计的例题和习题，难度梯度合理，覆盖了从基础计算到复杂系统设计的全范围。所有例题均提供了详细的解题步骤，并注明了其在实际工程中的背景。 面向未来工程师的能力塑造： 本书的目标是培养读者对机械系统动态行为的预见能力——即在设计初期就能合理预估系统在高频或低频激励下的响应，从而避免灾难性的设计失误。 目标读者群： 机械工程、航空航天工程、车辆工程、土木工程等专业本科生高年级及研究生。 从事产品研发、结构分析、振动控制、机械设计与制造领域工作的工程师和技术人员。 希望系统性回顾并深化动力学理论知识的专业人士。 通过《机械动力学》，读者将掌握从牛顿定律的直观应用到高级拉格朗日力学求解的完整工具箱，从而在面对任何复杂的机械运动和振动问题时，都能自信地构建模型、分析响应并提出有效的工程解决方案。

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