Analysis and Optimization of Prismatic and Axisymmetric Shell Structures pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Ernest Hinton

出品人:

页数:532

译者:

出版时间:2003-09-02

价格:USD 219.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781852334215

丛书系列:

图书标签:

• 壳结构
• 有限元分析
• 优化设计
• 结构力学
• 棱柱壳
• 轴对称壳
• 数值方法
• 结构稳定性
• 工程应用
• 数学建模

结构工程领域前沿探索：复合材料与非线性动力学分析 图书名称： 结构工程中的先进材料与非线性响应：理论、数值方法与工程应用 图书简介： 本专著深入探讨了现代结构工程领域中，特别是在航空航天、土木工程以及高端机械制造背景下，结构系统所面临的关键挑战：先进复合材料的复杂本构关系以及结构在极端载荷下的非线性动力学行为。全书紧密围绕如何精确地建模、高效地求解和可靠地预测这些复杂系统的性能展开，旨在为结构分析与设计工程师、高级研究人员提供一套系统且深入的理论框架与实用工具。 本书的叙事逻辑结构清晰，从基础的材料科学原理出发，逐步过渡到复杂的工程应用层面。内容涵盖了对当前结构分析方法局限性的深刻认识，并重点聚焦于弥补这些不足的前沿研究方向。 --- 第一部分：先进复合材料的本构关系与损伤力学 本部分侧重于解释为何传统材料模型在处理现代工程中广泛应用的层合复合材料和纤维增强材料时会失效，并系统地介绍了描述这些材料行为所需的先进本构理论。 第一章：层合板理论的局限性与修正 传统经典的层合板理论（如经典的Kirchhoff-Love或Mindlin-Reissner理论）在厚板或需要考虑横剪效应的结构分析中存在显著的近似误差。本章详细剖析了这些理论的数学前提与物理假设，并着重介绍了高阶剪切变形理论（HSDT），包括其变分原理的建立、应力-应变关系的精确推导。重点讨论了如何将三维弹性力学问题降维到二维界面，同时保持对厚度方向应力梯度的准确捕捉。此外，还探讨了非均匀铺层结构的建模挑战，例如引入基函数逼近层间位移场的谱方法在分析中的应用潜力。 第二章：复合材料的微观损伤与宏观退化 复合材料的失效过程是渐进的、多尺度的。本章深入探讨了损伤力学（Damage Mechanics）在复合材料分析中的应用。内容不仅限于经典的强度准则（如Tsai-Wu），而是转向更具物理意义的连续化损伤模型。这包括了对基体开裂、纤维/基体脱粘、纤维断裂等微观损伤事件的标量化或张量化损伤变量的引入。详细阐述了损伤演化律的构建，特别是基于能量释放率或应变能密度的驱动机制。本章还介绍了有效弹性张量的概念，以及如何利用宏观-微观耦合方法（如均质化方法）来估计含损伤材料的刚度退化。 第三章：界面与粘接结构的有限元实现 在实际工程中，结构往往由不同材料通过粘接层连接而成。本章聚焦于界面有限元分析。我们考察了内聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）在模拟粘接失效和裂纹萌生中的应用。详细介绍了CZM的输入参数（如粘附能和峰值应力）的实验标定方法，以及如何在弹塑性或粘弹性基体中实现CZM的数值耦合。针对固-固界面，还讨论了摩擦接触模型在模拟结构松动和自适应行为中的重要性。 --- 第二部分：结构动力学的非线性响应分析 本部分将视角转向当结构承受大变形、材料进入塑性或蠕变状态，以及受到随机或脉冲载荷作用时，其时间域内的动态行为。 第四章：几何非线性与大变形理论 结构在承受显著载荷时，其运动方程必须考虑由位移引起的刚度变化，即几何非线性。本章系统地介绍了总拉格朗日描述（Total Lagrangian）和更新拉格朗日描述（Updated Lagrangian）的应变张量推导，重点阐述了Green-Lagrange应变张量和Almansi应变张量在描述大变形下的精确性差异。讨论了如何通过引入应力刚度矩阵（或几何刚度矩阵）来线性化非线性问题，并详细分析了弧长法等数值方法在追踪平衡路径和处理屈曲点时的优势与局限性。 第五章：材料非线性与粘塑性本构 材料自身的非线性（如塑性、粘性）与几何非线性耦合构成了结构动力学分析的核心难题。本章深入研究了金属材料的率相关（Rate-Dependent）粘塑性模型，如Johnson-Cook模型及其改进形式在高速冲击问题中的应用。针对高分子材料和粘弹性材料，详细阐述了Prony级数和蠕变模型的引入，以及如何利用粘塑性势来保证加载/卸载路径的一致性。在有限元时间积分方面，重点比较了显式积分法（如Central Difference Scheme）在处理冲击问题中的效率与隐式积分法（如Newmark-Beta或HHT方法）在保证精度和稳定性的平衡。 第六章：随机载荷下的结构响应与可靠性评估 现代工程中的载荷往往具有随机性。本章转向随机动力学，关注结构在随机激励下的行为预测。内容包括平稳随机过程（如White Noise和Colored Noise）的描述，以及利用功率谱密度函数（PSD）来表征载荷特性。核心方法是模态分解法在随机振动分析中的应用，以及如何利用Stochastic Finite Element Method (SFEM)来处理结构参数（如模量、阻尼比）的不确定性。最终目标是利用可靠性指标（Reliability Index）和极限状态函数对结构在不确定性下的安全性进行量化评估。 --- 第三部分：先进数值方法与工程优化 最后一部分将理论与应用结合，重点介绍求解上述复杂问题的数值技术，并引入结构性能的优化设计方法。 第七章：非线性问题的迭代求解与稳定性控制 非线性问题的求解依赖于高效的迭代算法。本章详细分析了牛顿法及其变体（如准牛顿法BFGS）在线性化过程中的收敛性，以及在结构屈曲分析中“负刚度”区域的处理策略。特别关注时间积分方案的选择对非线性求解稳定性的影响。讨论了自适应时间步长控制策略，该策略基于局部截断误差估计，以确保在快速变化的响应阶段保持计算精度，而在稳态阶段提高效率。 第八章：结构性能的拓扑优化与尺寸优化 在明确了材料和动力学行为后，本章将重点放在如何设计出最优结构。引入基于密度的拓扑优化方法（如SIMP模型），讨论如何将模态频率约束或最大应变约束作为优化目标或约束条件。针对非线性问题，讨论了伴随灵敏度分析（Adjoint Sensitivity Analysis）在计算大规模结构对设计变量的梯度时的巨大优势。同时，也涵盖了多目标优化技术，如Pareto前沿的确定，用于平衡刚度、重量和制造成本之间的相互制约关系。 附录：高级矩阵分析与特征值问题的数值求解 提供求解大型稀疏矩阵特征值问题的工具，例如Lanczos 迭代法和Arnoldi 迭代法，这些方法是精确预测结构固有频率和振型不可或缺的数学基础。 --- 本书特色： 本书的独特之处在于其对理论深度与工程实用性的平衡。它不仅提供了描述复杂物理现象所需的先进数学模型，更重要的是，它系统地介绍了如何将这些模型转化为可靠的有限元算法，并成功应用于解决实际工程中的高精度预测与性能增强问题。全书的论述风格严谨、逻辑缜密，旨在推动结构分析技术从线性、准静态的传统范式向非线性、多物理场耦合的前沿迈进。

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