Inelasticity of Materials

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出版者:
作者:Srinivasa, Arun R./ Srinivasan, Sivakumar M.
出品人:
页数:572
译者:
出版时间:2009-7
价格:$ 108.00
装帧:
isbn号码:9789812837493
丛书系列:
图书标签:
  • 材料力学
  • 弹性力学
  • 材料性能
  • 应力应变
  • 结构分析
  • 工程材料
  • 力学
  • 固体力学
  • 材料科学
  • 工程力学
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具体描述

With the advent of a host of new materials ranging from shape memory alloys to biomaterials to multiphase alloys, acquiring the capacity to model inelastic behavior and to choose the right model in a commercial analysis software has become a pressing need for practicing engineers. Even with the traditional materials, there is a continued emphasis on optimizing and extending their full range of capability in the applications. This textbook builds upon the existing knowledge of elasticity and thermodynamics, and allows the reader to gain confidence in extending one's skills in understanding and analyzing problems in inelasticity. By reading this textbook and working through the assigned exercises, the reader will gain a level of comfort and competence in developing and using inelasticity models.Thus, the book serves as a valuable book for practicing engineers and senior-level undergraduate/graduate-level students in the mechanical, civil, aeronautical, metallurgical and other disciplines. The book is written in three parts. Part 1 is primarily focused on lumped parameter models and simple structural elements such as trusses and beams. This is suitable for an advanced undergraduate class with just a strength of materials background. Part II is focused on small deformation multi-dimensional inelasticity and is suitable for a beginning graduate class.Sufficient material is included on how to numerically implement an inelastic model and solve either using a simple stress function type of approach or using commercial software. Case studies are included as examples. There is also an extensive discussion of thermodynamics in the context of small deformations. Part III focuses on more advanced situations such as finite deformation inelasticity, thermodynamical ideas and crystal plasticity. More advanced case studies are included in this part.This textbook takes a new, task- or scenario-based approach to teaching and learning inelasticity. The book is written in an active learning style that appeals to engineers and students who wish to design or analyze structures and components that are subject to inelasticity. The book incorporates thermodynamical considerations into the modeling right from an early stage. Extensive discussions are provided throughout the book on the thermodynamical underpinnings of the models. It is the first to make extensive use of MATLAB to implement many inelasticity models. It includes the use of concepts such as Airy stress functions to solve plane problems for inelastic materials. The MATLAB codes are listed in the appendix for one to modify with their own models and requirements.Step-by-step procedures for formulations and calculations are provided for the reader to readily adapt to the inelastic problems that he or she attempts to solve. A large number of problems, exercises and projects for one to teach or learn from are included. These can be assigned as homework, in-class exercises or projects. The book is written in a modular fashion, which provides adequate flexibility for adaptation in classes that cater to different audiences such as senior-level students, graduate students, research scholars, and practicing engineers.

好的,这是一本名为《Inelasticity of Materials》的图书的详细简介,内容专注于材料的非弹性行为、本构关系、实验技术以及相关应用,完全不涉及任何关于人工智能生成或构思的表述。 --- 《Inelasticity of Materials》图书简介 引言:超越弹性极限的材料科学 材料在受力作用下表现出的响应是理解工程设计和结构完整性的核心。经典材料力学通常建立在线性弹性假设的基础上,这在许多实际应用中是有效的。然而,当材料承受高载荷、经历复杂历史或处于极端温度时,它们的行为会显著偏离线性弹性范畴。《Inelasticity of Materials》 深入探讨了材料的非弹性行为,即那些在卸载后不能完全恢复初始形状、并表现出时间依赖性或路径依赖性的变形机制。 本书旨在为材料科学家、结构工程师、机械设计师以及高级阶段的学生提供一个全面且深入的框架,用以理解、描述和预测材料在非弹性状态下的响应。我们跨越了从微观结构演变到宏观工程应用的各个尺度,着重于构建精确的本构模型,并将其应用于解决实际工程难题。 第一部分:非弹性行为的物理基础与表征 本书的开篇部分建立了理解非弹性变形所需的基础理论和实验工具。我们首先回顾了弹性理论的局限性,并引入了描述应力与应变之间非线性关系的必要性。 1.1 粘弹性 (Viscoelasticity) 粘弹性材料的变形不仅依赖于当前施加的应力水平,还强烈依赖于应力施加的历史和时间。本章详细阐述了时间-温度等效原理(Time-Temperature Superposition Principle, TTSP),并介绍了描述粘弹性松弛和蠕变现象的经典模型,如Maxwell模型、Kelvin-Voigt模型及其组合形式。我们深入分析了这些模型的微分方程形式,以及如何利用频域分析(如动态力学分析,DMA)来确定材料的储能模量和损耗模量,这些是粘弹性行为的关键参数。 1.2 粘塑性与金属塑性 (Viscoplasticity and Metallic Plasticity) 对于金属和其他晶体材料,当应力超过屈服极限后,宏观的塑性流动开始发生。本书系统地介绍了塑性理论的基石。我们从位错理论的微观角度出发,解释了塑性变形的本质,随后过渡到描述宏观响应的经典塑性本构关系。重点讨论了流动法则 (Flow Rules) 和 屈服准则 (Yield Criteria),如Tresca准则和Von Mises准则,并探讨了它们在各向异性材料(如轧制板材)中的推广形式。 1.3 损伤力学与疲劳 (Damage Mechanics and Fatigue) 材料的失效不仅表现为持续变形,还包括内部微裂纹的产生、扩展和最终断裂。损伤力学提供了一种将材料退化过程纳入连续介质力学框架的方法。我们探讨了如何用标量或张量参数来量化损伤的演化,并引入了基于能量释放率或应力强度因子的断裂准则。疲劳分析是损伤力学的重要分支,本书涵盖了S-N曲线、Miner累积法则以及低周疲劳与高周疲劳的差异性建模。 1.4 粘塑性与蠕变 (Creep) 在高温或长期载荷下,材料会发生蠕变——即应力恒定时应变随时间持续增加的现象。我们对比了金属合金(如镍基高温合金)和聚合物在蠕变过程中的不同行为模式。通过Norton幂律、Bailey-Norton模型等,我们展示了如何量化蠕变速率,并讨论了在航空航天和能源领域中,如何使用等时曲线 (Isothermal Curves) 和稳态蠕变数据来预测结构寿命。 第二部分:本构模型的建立与数学表征 非弹性行为的复杂性要求使用更先进的数学工具来描述。本部分侧重于如何建立和求解描述这些复杂行为的本构方程。 2.1 内部变量理论与演化方程 为准确捕捉材料的路径依赖性(如应变硬化和历史效应),内部变量理论成为核心工具。我们详细介绍了如何选择适当的内部变量(例如,表示累积塑性应变或损伤状态),并推导出这些变量随时间或加载路径演化的方程。这使得本构模型能够从描述性(Phenomenological)层面过渡到更具物理基础的描述。 2.2 弹性与非弹性应变分离 在描述粘塑性或粘弹性行为时,将总应变分解为可恢复的弹性部分和不可恢复的非弹性部分至关重要。本章探讨了正交性假设(Orthogonality Conditions)在塑性本构关系中的应用,以及如何通过引入粘性应变率或过应力的概念,将弹性应力-应变关系与非弹性流动耦合起来。 2.3 复杂材料的本构建模 我们超越了均质各向同性材料的范畴,探讨了在复合材料、多孔材料和生物材料中非弹性行为的特殊性。例如,在纤维增强复合材料中,纤维与基体的非线性界面行为如何影响整体的层间剪切响应;在混凝土等材料中,微裂缝的萌生和汇聚如何通过内聚力模型(Cohesive Zone Models, CZM)进行有效描述。 第三部分:实验技术与数值模拟 理论模型的有效性依赖于准确的实验测量和可靠的数值验证。本书的最后一部分聚焦于实际应用中的关键方法。 3.1 实验表征技术 精确测量非弹性应变场是模型校准的基础。我们详细介绍了用于测量粘弹性响应的动态机械分析(DMA)和用于测量塑性变形的数字图像相关技术(Digital Image Correlation, DIC)。特别关注了在高温高应变率下进行材料测试的挑战与解决方案,以及如何从实验数据中逆向工程出本构模型的参数。 3.2 有限元方法中的非线性分析 在工程实践中,非线性有限元(FE)分析是预测结构响应的主要手段。本章阐述了如何在FE框架内实现非线性本构模型的积分。重点讨论了时间积分方案(如显式与隐式方法)在处理粘弹性材料时间步长敏感性问题上的应用,以及在处理塑性大变形问题时,如何确保解的稳定性和收敛性,特别是一致性条件 (Consistency Conditions) 的应用。 3.3 高应变率下的行为(冲击与穿透) 在涉及爆炸、高速撞击或材料加工(如锻造)等领域,材料表现出显著的应变率敏感性。本书专门设置章节讨论了Hopkinson杆实验和落锤试验的原理,并介绍了如何利用诸如Johnson-Cook或Murnaghan等模型来描述材料在极高应变率下的动态屈服和硬化行为。 总结与展望 《Inelasticity of Materials》旨在成为一本连接基础理论与前沿应用的桥梁。通过对粘弹性、粘塑性、损伤和蠕变等核心现象的深入剖析,以及对实验验证和数值实现的详尽讨论,本书确保读者不仅能理解材料如何“失效”,更能掌握如何精确地“建模”和“预测”其复杂行为。本书面向的读者将具备强大的工具箱,能够自信地处理现代工程中遇到的所有非线性材料挑战。

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