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页数:409

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出版时间:2010-6

价格:88.00元

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isbn号码:9787030280145

丛书系列:

图书标签:

• 健身
• Q
• 生物力学
• 力学
• 生物学
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• 动力学
• 肌肉骨骼
• 生物工程
• 康复医学
• 运动科学
• 医学

《精妙的结构：从宏观到微观的力学原理》 内容简介 本书深入探讨了自然界和工程领域中普遍存在的结构力学原理，旨在为读者构建一个从宏大尺度到微观层面的、全面而精细的力学认知框架。我们超越了传统静力学和材料力学的简单叠加，聚焦于结构形态如何与所承受的载荷进行精妙的相互作用，以及这种作用如何决定了系统的最终稳定性、效率和韧性。 第一部分：基础形态与承载哲学 本部分首先确立了结构力学的基本哲学：任何有效的结构都是对特定载荷环境的优化响应。我们摒弃了将结构视为刚性物体的传统观念，转而采用“柔性与刚度的辩证统一”的视角。 拱、壳与索的内在张力逻辑： 详细分析了不同基本结构形态（如悬链线、抛物线拱、双曲面壳）如何将外力高效地转化为纯粹的拉伸或压缩应力。重点阐述了“力的路径优化”概念，解释了为什么某些曲线形态在面对均匀分布载荷时表现出无与伦比的效率。通过对比梁（弯曲主导）和拱（轴向主导）的应力分布，清晰展示了结构拓扑对力学行为的决定性影响。 薄壁结构与屈曲的临界点： 针对工程中常见的薄板和细长杆件，深入研究了材料的极限强度与几何失稳之间的关系。详细阐述了欧拉屈曲理论的适用范围与局限性，并引入了“剪切屈曲”和“局部波纹”的概念。特别关注了在航空航天和高层建筑设计中，如何通过引入加强筋或网格化设计来延迟或避免结构在达到材料屈曲应力之前发生整体失效。 连接节点与应力集中： 结构并非连续体，其性能往往受制于“最弱的一环”。本章详尽剖析了铆接、焊接、螺栓连接等多种节点形式下的应力扩散模式。我们运用二维有限元思想的简化模型，直观展示了孔洞、尖角等几何不连续性如何导致局部应力急剧升高，并提供了减少应力集中、优化载荷传递路径的工程实践指导。 第二部分：材料的内在响应与非线性行为 结构力学绝不能脱离材料科学而独立存在。本部分将视角从外部载荷转移到材料内部，探讨材料在复杂应力状态下的真实表现。 粘弹性与蠕变： 超越了理想的胡克定律模型，本书重点讨论了聚合物、沥青、某些金属合金在长时间或高温条件下表现出的时间依赖性变形——蠕变和应力松弛。通过对开尔文-费希特模型（Kelvin-Voigt）和麦克斯韦模型（Maxwell）的深入解析，读者将理解为什么在设计高压管道或核反应堆容器时，长期稳定性远比瞬时强度更为关键。 断裂韧性与疲劳累积： 材料并非均匀的，微小的内部缺陷是结构失效的隐患。本章详细介绍了格里菲斯（Griffith）的裂纹扩展理论，并引入了基于应力强度因子 $K$ 的断裂力学框架。对于动态载荷环境，我们深入探讨了Paris 规律在预测疲劳裂纹萌生和扩展速率中的应用，并强调了“损伤容限设计”的核心思想。 复合材料的各向异性挑战： 现代结构越来越多地使用纤维增强复合材料。本节着重阐述了这些材料的非对称性力学特性。如何处理不同铺层角度下的拉伸、压缩、剪切模量的差异？我们介绍了张量分析在描述材料属性方面的威力，并探讨了界面粘合失效（脱层）在复合材料失效链中的关键作用。 第三部分：动力学耦合与环境交互 本部分将结构置于动态变化的环境中，考察系统对时间和空间变化的敏感性。 模态分析与共振风险： 任何结构都有其内在的振动频率，即自振频率。本书详细推导了单自由度和多自由度系统的运动方程，并教授如何通过特征值问题确定结构的固有频率和振型。特别强调了避免工作载荷频率与结构自振频率接近（共振）的设计原则，通过案例分析了桥梁倒塌和机器设备损坏的动力学原因。 冲击载荷与能量吸收： 面对爆炸、碰撞等瞬时高强度载荷，结构的响应不再是线性的。我们探讨了塑性铰理论和增量塑性的概念，解释了结构如何通过塑性变形来吸收和耗散巨大的冲击能量，从而保护其内部的关键功能。 热应力与多场耦合效应： 结构的热胀冷缩效应在温度梯度显著的部件中不可忽视。本章分析了温度变化如何引入额外的内应力场，以及这些热应力与机械应力叠加后对结构寿命的影响。通过一个具体的实例，展示了如何使用有限元方法进行热-结构耦合分析，确保结构在极端温度循环下的完整性。 总结与展望 《精妙的结构：从宏观到微观的力学原理》旨在培养读者对“力”的深刻直觉和精确计算能力。它不仅是工程师的工具书，更是所有对物理世界中形态与力量关系感兴趣的学者的指南。本书的最终目标是让读者能够超越图纸上的数字，真正理解结构是如何在复杂的物理定律支配下，以最优雅或最脆弱的方式存在的。

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