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作者:International Conference on Discrete Element Methods 2002 Santa Fe, n/ Jensen, Richard P. (EDT)

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页数:0

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价格:119

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isbn号码:9780784406472

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• 离散元法
• 颗粒物
• 数值模拟
• 计算力学
• 工程应用
• DEM
• 颗粒流动
• 材料力学
• 物理建模
• 工业仿真

好的，这是一本名为《先进结构动力学与数值模拟》的图书的详细简介，该书不涉及离散元方法（Discrete Element Methods）。 --- 先进结构动力学与数值模拟 书籍简介 《先进结构动力学与数值模拟》是一部全面深入探讨现代工程结构在动态载荷作用下响应与行为的权威著作。本书旨在为结构工程师、土木工程师、机械工程师以及从事计算力学研究的研究人员提供一个严谨的理论框架和实用的数值求解技术。全书聚焦于连续介质的动力学行为、复杂材料的本构关系、以及高效的数值模拟方法，特别是有限元方法（Finite Element Method, FEM）在处理非线性、大变形和冲击动力学问题中的应用。 本书摒弃了基于离散颗粒的模拟范式，而是扎根于经典和现代的连续介质力学理论，系统地构建了处理宏观尺度结构响应的数学模型。 第一部分：理论基础与动力学方程的建立 本书的第一部分为后续的数值模拟奠定坚实的理论基础。我们首先回顾了经典弹性理论在动态问题中的应用，重点阐述了材料点上的平衡方程、运动方程以及本构关系。 第1章：连续介质动力学基础 本章详细阐述了拉格朗日和欧拉描述下材料点的运动学，推导出柯西应力张量和变形梯度张量。核心内容集中在应变率、应变和速度梯度的精确关系上。随后，基于牛顿第二定律，我们导出了适用于任意形式连续体的非线性运动方程（或称柯西运动方程），该方程是结构动力学分析的起点。 第2章：本构关系与材料模型 结构动力学的关键在于精确描述材料如何响应载荷。本章深入探讨了先进的材料本构模型，完全基于连续介质假设。内容包括： 线弹性与粘弹性模型： 针对不同时间尺度的响应，详细分析了广义胡克定律在三维空间中的表达及其本构张量。 弹塑性理论： 重点介绍了流变学塑性模型，如基于Mises屈服准则的增量塑性理论，以及内变量理论在描述材料历史依赖性中的应用。这些模型完全通过场变量（应力、应变）的演化来描述，而非离散颗粒的相互作用。 先进复合材料建模： 探讨了层合板结构的宏观等效本构关系，如经典层合板理论（CLT）在动态载荷下的应用。 第3章：几何非线性与大变形理论 在处理结构的大幅振动、冲击或稳定性问题时，几何非线性不可忽视。本章聚焦于Green-Lagrange应变和Almansi应变的推导，以及如何在拉格朗日描述下建立二阶几何非线性运动方程。本章内容强调的是场域（Continuum Field）的几何描述，不涉及颗粒尺度的运动学。 第二部分：数值求解技术：有限元方法（FEM） 本书的第二部分核心在于介绍和应用有限元方法（FEM）来离散化和求解前述的动力学方程。我们完全采用基于域的网格化方法。 第4章：有限元方法的基本框架 本章系统地介绍了将偏微分方程转化为代数方程组的过程。从变分原理（如虚功原理或伽辽金弱形式）出发，推导出了结构动力学问题的离散化形式： $$ [M]{ddot{u}} + [C]{dot{u}} + [K]{u} = {F(t)} $$ 其中，质量矩阵 $[M]$、阻尼矩阵 $[C]$ 和刚度矩阵 $[K]$ 是通过节点位移插值函数（形函数）在空间上积分得到的，它们是连续场的离散化体现。 第5章：时间积分方案与稳定性分析 动态问题的时间演化求解至关重要。本章详细分析了各种显式和隐式时间积分算法： Newmark-$eta$ 法：深入探讨了不同参数组合下的稳定性和精度特性。 中心差分法（Explicit Central Difference Scheme）：分析了其无条件稳定性边界，及其在求解冲击动力学中的效率优势。 隐式方法（如Backward Euler和Crank-Nicolson）：讨论了它们在处理长时程稳态响应时的优越性，以及如何通过求解线性或非线性代数方程组（如Newton-Raphson迭代）来获得平衡解。 第6章：高级有限元技术与非线性求解 本章涉及处理复杂载荷和材料响应的高级FEM技术。 接触与碰撞模拟： 集中于罚函数法、增广拉格朗日乘子法等在结构间接触面边界上的应用，如何处理接触刚度矩阵的局部更新，而非模拟单个颗粒的接触。 大规模问题求解策略： 探讨了子结构分析（Substructuring）、模态综合法在结构振动分析中的应用，以及如何使用迭代求解器（如GMRES或Lanczos方法）来高效处理大型稀疏矩阵系统。 非线性迭代策略： 详细讲解了如何处理由几何非线性和材料非线性共同导致的非线性平衡方程，包括修正牛顿法、线搜索技术等。 第三部分：应用与案例研究 本书的第三部分通过具体的工程案例，展示了连续介质动力学和有限元方法的强大威力。 第7章：冲击与高应变率响应 本章关注材料在极短时间尺度内的动态行为，如爆炸冲击、弹道侵彻。分析了材料的应变率敏感性（Strain Rate Dependency）如何影响材料的动态屈服和失效。案例研究侧重于使用高阶积分单元和高精度时间积分方案来捕获应力波的传播和反射现象。 第8章：随机振动与可靠性分析 结构总是在受到随机载荷（如风、地震）的作用。本章引入了随机过程理论，使用谱密度函数来描述载荷。应用方面，重点介绍如何利用模态分析的结果，结合随机有限元方法（SFEM），对结构系统的均方根响应和失效概率进行评估。 第9章：结构健康监测（SHM）中的动力学反演 本章探讨了如何利用结构的模态特性（固有频率、振型）来推断其内部状态。通过对实验测量的模态数据与理论模型的对比，应用模态损伤指标和参数化反演技术，对结构的刚度退化进行识别，是纯粹基于连续介质力学响应的诊断方法。 --- 总结 《先进结构动力学与数值模拟》是一本专注于宏观尺度连续介质力学的深度技术手册。全书的理论构建和数值实现均严格遵循经典和现代的偏微分方程方法，特别是以有限元方法为核心的离散化技术。本书内容涵盖了从基础的运动方程建立到复杂的非线性时间积分，再到特定工程应用的全面知识体系，为读者提供了一个强大而统一的框架来分析和预测工程结构在复杂动态环境下的行为。本书的视角完全集中于通过场变量演化来描述物质的响应，不涉及任何基于颗粒运动或堆积的模拟方法。

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我不得不承认，这本书的篇幅相当可观，内容密度极大，需要投入大量的时间和精力去消化。但这种“厚重感”恰恰是其价值的体现。它没有回避任何一个关键的、容易产生争议的细节。例如，在处理颗粒间的非粘性接触、滚动摩擦以及颗粒破碎模拟时，作者详细对比了多种主流模型（如Hertz-Mindlin模型、JKR模型等）的适用范围和局限性，甚至连算法效率的考量都未放过。这种批判性的审视角度，使得读者不会盲目地套用任何单一模型，而是能够根据具体工况做出最合理的选择。更值得称赞的是，书中对计算效率的优化策略也有专门的章节，讨论了网格划分、邻域搜索算法等影响大规模模拟性能的关键技术。对于一个需要进行大规模、长时间步长模拟的课题组来说，这本书提供的性能调优建议是极其宝贵的“实战经验”，远非一般理论教材所能企及。

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这本名为《离散元方法》的著作，简直是为那些渴望在计算力学领域深耕的工程师和研究人员量身定制的宝典。它的深度和广度都令人印象深刻，仿佛作者倾尽毕生心血，将这一复杂理论体系梳理得井井有条。我特别欣赏它在理论基础构建上的严谨性，每一个数学推导都清晰可见，绝非那种只罗列公式而不解释其物理意义的肤浅教材。书中的案例分析部分更是精彩绝伦，涵盖了从简单的颗粒堆积到复杂的岩土工程问题，每一步的数值实现都讲解得十分透彻。即便是初次接触这领域的人，只要具备一定的数学和力学背景，也能通过这本书建立起扎实的理解框架。作者显然对实际应用中的痛点有着深刻的洞察，书中对于边界条件处理、时间积分方案选择的讨论，都体现了理论与实践的完美结合。读完后，我感觉自己对如何将抽象的数值模型转化为解决实际工程难题的工具，有了前所未有的信心。这本书无疑为我的研究工作打开了一扇新的大门。

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这本书的学术贡献和前瞻性思维令人印象深刻。它不仅全面梳理了离散元方法的经典框架，更将目光投向了该领域的前沿挑战。例如，关于高精度接触检测算法的最新进展、多尺度建模的思路，以及如何利用现代GPU并行计算能力来加速DEM仿真，这些内容都展现了作者紧跟时代脉搏的能力。作者似乎在引导读者思考，在未来，DEM将如何从一个强大的数值工具演变为一个更具预测性的、能够与实验反馈回路集成的智能系统。阅读过程中，我不断被一些深刻的问题所激发，比如如何更有效地处理颗粒形貌的随机性，如何将微观的材料本构关系更自然地映射到DEM的接触模型中。这本书的深度足以让博士生进行数年的研究课题拓展，它的广度也足以让资深工程师拓宽其解决问题的思路。它是一本具有里程碑意义的著作，值得在专业图书馆中占据重要一席。

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坦率地说，我拿起这本书时，内心是带着一丝忐忑的，毕竟“离散元方法”这个名字听起来就透着一股晦涩难懂的气息。然而，这本书的叙述方式却出乎意料地平易近人。它没有一开始就将读者推入高深的微分方程和张量分析中，而是从一个非常直观的、颗粒间相互作用的宏观视角切入，逐步引入必要的数学工具。这种循序渐进的教学方法极大地降低了入门的门槛。书中的插图和图示质量极高，那些复杂的颗粒接触模型和力学传递路径，通过清晰的二维和三维图示，变得一目了然。我尤其欣赏作者在阐述数值稳定性问题时所采用的论证方式——不是生硬地给出稳定条件，而是通过对能量耗散和时间步长的物理意义的探讨来解释为什么需要特定的数值技巧。对于那些希望不仅“会用”而且“理解”DEM的读者来说，这本书的价值无可估量。它不仅仅是一本参考书，更像是一位耐心且知识渊博的导师在耳边细细讲解。

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从一个应用者的角度来看，这本书的实操指导价值是其最大的亮点。它不仅仅停留在理论层面，而是非常详尽地探讨了如何将DEM方法应用于不同的工程场景。例如，在处理散体物料输运系统（如传送带、料仓卸料）时，如何精确地标定材料参数以匹配实验结果，书中有具体的步骤指南。此外，它还涉及了如何将DEM与其他方法（如CFD-DEM耦合）集成，以模拟流固耦合现象，这在环境工程和化学反应器设计中至关重要。作者在描述这些应用时，语言风格变得更加直接和务实，少了几分学术推敲，多了几分工程决策的果断。唯一可能让某些读者感到略有不适的是，它对某些特定商业软件的使用界面和操作流程没有直接展现，但这或许是为了保持其理论的普适性。总而言之，这是一本真正能够指导你“动手去做”的实用指南。

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