具体描述
《简明工程力学》是按照64学时的教学要求编写的。全书分为2篇，共15章。第一篇（共5章）为静力学，包括静力学基本概念与物体的受力分析、平面汇交力系、力矩与平面力偶理论、平面一般力系及空间力系；第二篇（共10章）为材料力学，包括材料力学概述、拉伸与压缩、连接件的实用计算、扭转、弯曲内力、弯曲应力、弯曲变形、应力状态分析与强度理论、压杆稳定及动载荷。《简明工程力学》注重基本概念的阐述，尽量避免过多的理论推导和烦琐的数学运算，适当降低难度。另外，《简明工程力学》注重了工程概念并增加了工程实例。书末附有附录及习题参考答案。
《简明工程力学》可供普通高等院校本、专科等各专业的中、少学时工程力学课程使用。
结构设计与材料科学前沿探讨 导论：跨越学科边界的结构优化之路 本书深入剖析了当代结构设计理论与先进材料科学的交叉融合，旨在为工程师、科研人员及高级技术学生提供一个全面、深入的视角，探讨如何在复杂的工程环境下实现结构性能的最大化与效率的优化。我们不再局限于经典的静力学或动力学范畴，而是将研究触角延伸至材料本构关系在极端载荷条件下的非线性响应，以及如何利用新型功能材料重塑传统结构的设计范式。 本书的结构设计部分，重点关注拓扑优化（Topology Optimization）在增材制造（Additive Manufacturing, AM）时代的革新性应用。我们详细阐述了从经典的密度法（SIMP）到先进的水平集（Level Set）方法，再到最新的多尺度和多物理场耦合优化算法。重点讨论了如何将制造约束——如最小特征尺寸、支撑结构需求、各向异性沉积方向——无缝集成到优化目标函数中，以确保设计出的结构不仅在理论上最优，而且在实际制造中具有可行性。这部分内容涵盖了从宏观框架设计到微观晶格结构设计的全景图谱。 第一部分：高级结构分析的非线性世界 第1章：材料本构模型的精细化描述 本章着眼于超越胡克定律的材料行为。我们首先系统梳理了弹塑性大变形理论中的有限元增广路径追踪（Path-Following）算法，特别是针对金属材料的损伤累积与断裂起始点的预测。特别引入了内聚力模型（Cohesive Zone Models, CZM）在模拟界面分离和裂纹扩展中的应用，并结合X射线断层扫描（X-ray Computed Tomography, XCT）的实验数据，对疲劳裂纹萌生阶段的微观损伤演化进行了定量分析。 对于复合材料，我们深入探讨了损伤力学方法，如张量多尺度模型（Tensor Multiscale Model），用于预测纤维/基体界面的脱粘和纤维断裂在复杂应力状态下的耦合效应。本章的高级内容还包括了对超材料（Metamaterials）中等效刚度张量的推导，这为设计具有负泊松比或极低密度的结构提供了理论基础。 第2章：动态载荷与随机振动控制 本章聚焦于快速、冲击或长期服役环境下的结构响应。我们超越了简单的模态分析，转而关注非线性动力学，特别是当结构进入屈服区或发生接触碰撞时的响应。重点介绍了模态叠加法的局限性以及在高度非线性问题中，如何有效应用显式和隐式时间积分方案的稳定性与精度权衡。 在随机振动方面，本书提出了结合卡尔曼滤波（Kalman Filtering）和随机子空间识别（Stochastic Subspace Identification, SSI）的技术，用于在实际运行中实时识别结构参数（如阻尼比和刚度变化）。此外，对地震工程中的粘滞阻尼器（Viscous Dampers）和调谐质量阻尼器（Tuned Mass Dampers, TMD）的优化设计给出了基于能量耗散的严格推导。 第二部分：功能性材料与智能结构集成 第3章：功能梯度材料（FGM）的优化设计 功能梯度材料（FGM）是实现结构梯度性能的关键。本章详细剖析了FGM中不同材料组分的体积分数（Volume Fraction）梯度设计。我们引入了幂律（Power Law）、指数律（Exponential Law）以及Voigt/Reuss平均化模型的适用性边界。 重点在于热-力耦合问题。在高温环境下（如航天器再入或燃气轮机叶片），FGM的温度梯度会显著影响其力学性能。本章提供了如何使用非对称温度场下的弹性模量和泊松比的更新公式，以精确模拟热应力和残余应力分布。对于厚壁结构，还讨论了如何利用FGM设计实现零界面应力，从而避免传统层合结构常见的界面剥离问题。 第4章：压电与磁致伸缩材料在主动控制中的应用 本章探讨了如何将传感和作动功能集成到结构本身，形成智能结构（Smart Structures）。对于压电材料（PZT），我们从本构方程出发，推导了电-力耦合的刚度矩阵，并给出了层压板理论（Laminate Theory）在双向激励下的修正模型。这包括了对逆压电效应驱动下的结构变形与能量收集效率的精确计算。 针对磁致伸缩材料（如Terfenol-D），我们着重于磁滞回线（Hysteresis Loop）对作动精度的影响。引入了Jiles-Atherton模型的改进版本，用以补偿磁场与应变之间的非线性滞后效应，确保高精度定位与振动抑制的实现。 第三部分：面向增材制造的结构拓扑优化 第5章：面向增材制造的拓扑优化（AM-TO） 增材制造彻底改变了结构设计自由度。本章聚焦于如何将AM的固有优势（如复杂内部晶格结构、非对称应力路径）转化为设计目标。 我们详细讲解了孔隙率建模在拓扑优化中的重要性。对于选择性激光烧结（SLS）或电子束熔化（EBM）工艺，材料的有效模量高度依赖于局部孔隙率。本章提供了将孔隙率作为设计变量纳入密度法优化的具体实施流程，并讨论了如何通过优化来控制最终部件的各向异性性能。 此外，本章还专门探讨了晶格结构（Lattice Structures）的设计。我们不再采用简单的重复单元胞（Unit Cell），而是利用变密度晶格优化，使晶格单元的几何形状（如梁的厚度、节点的连接方式）沿着结构内部的应力流进行连续变化，从而实现轻量化与高刚度的完美平衡。章节末尾提供了利用几何重构算法将优化结果转化为可打印CAD模型的实用案例分析。 结语：面向未来工程挑战的结构范式转变 本书总结了从基础理论到前沿应用的严谨路径，强调了现代结构工程不再是分离的学科，而是高度依赖于材料理解、先进计算方法和制造可行性的综合性科学。成功的设计将来自于对非线性行为的精确预测、对新型材料潜力的充分挖掘，以及对制造约束的早期集成。本书旨在为读者提供必要的理论工具和实践洞察，以应对下一代工程挑战，如极端环境下的可靠性设计和高性能轻量化结构的需求。
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