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出版者:

作者:任钧国

出品人:

页数:364

译者:

出版时间:2002-7

价格:36.00元

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isbn号码:9787810248464

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《结构动力学导论》 作者： 张伟, 李明 出版社： 机械工业出版社 出版时间： 2023年10月 ISBN： 978-7-111-758XXX-X --- 内容简介 《结构动力学导论》旨在为土木工程、机械工程、航空航天工程等领域的工程专业学生和初级研究人员提供一个全面而深入的结构动力学基础知识体系。本书不仅涵盖了经典动力学理论的核心概念，更侧重于将这些理论应用于实际工程结构在动态载荷（如地震、风荷载、冲击、机器振动等）作用下的响应分析与设计。全书结构严谨，理论推导详尽，并结合大量的工程实例和计算模拟，帮助读者建立清晰的物理图像和扎实的数学建模能力。 本书共分为十二章，循序渐进地引导读者从单自由度系统过渡到复杂的多自由度系统，并最终探讨非线性动力学与随机振动的基础。 第一部分：基础理论与单自由度系统 第一章：动力学的基本概念与自由振动分析 本章首先界定了结构动力学的研究范畴，区分了静态分析与动力学分析的本质差异。重点阐述了惯性力、阻尼力、恢复力这三大基本力的物理意义及其在方程中的表征。随后，详细推导了无阻尼、自由振动单自由度系统的运动微分方程，并通过特征方程求解自然频率和周期。本章强调了自由振动的固有特性，这是后续所有动力学分析的基础。 第二章：有阻尼和强迫振动分析 在第一章的基础上，本章引入了粘性阻尼的概念，分析了有阻尼自由振动的特性，包括对数衰减率、振动减慢系数和固有频率的变化。接着，详细分析了简谐荷载作用下的强迫振动问题。重点讲解了稳态响应、振动放大系数（Magnification Factor）的概念及其随激励频率与结构固有频率比值的变化规律。通过复数解法和相角分析，阐明了激励力与结构响应之间的相位关系。 第三章：冲击响应与瞬态分析 本章聚焦于非周期性瞬态载荷，特别是结构对突加载荷（如冲击载荷或阶跃载荷）的响应。通过解析法（如积分法）和谱分析方法，计算结构在冲击作用下的最大位移、速度和应力。本章特别讨论了脉冲载荷对结构的影响，并引入了结构冲击吸收和耗能的基本原理。 第四章：频域分析与谐响应 将时域响应转换为频域分析，本章介绍了傅里叶变换在结构动力学中的应用，特别是用于处理非周期性或复杂周期性输入。重点讲解了谐响应分析（Harmonic Response Analysis），即结构对正弦波输入的稳态响应。通过复数传递函数，系统地分析了结构在不同频率激励下的动态特性，为后续的共振现象研究奠定基础。 第二部分：多自由度系统动力学 第五章：多自由度系统的运动方程 本章将理论扩展到具有多个相互耦合的自由度系统。详细推导了基于牛顿第二定律和拉格朗日方程的矩阵形式运动微分方程。重点介绍了系统的质量矩阵($mathbf{M}$)、阻尼矩阵($mathbf{C}$)和刚度矩阵($mathbf{K}$)的物理意义和计算方法。 第六章：无阻尼自由振动与模态分析 本章的核心是求解多自由度系统的固有特性。通过对无阻尼系统的特征值问题求解，确定系统的固有频率和主振型（Mode Shapes）。详细解释了主振型的物理含义，即结构在特定频率下振动的空间形态。对模态正交性的证明及其在解耦问题中的应用进行了深入讨论。 第七章：有阻尼多自由度系统的响应分析 本章探讨了在阻尼存在时多自由度系统的响应。首先介绍了经典阻尼（Rayleigh Damping）和比例阻尼的假设及其对模态解耦的影响。随后，通过模态叠加法（Modal Superposition Method），将复杂有阻尼系统的响应分解为若干简单单自由度系统的响应之和进行求解，这是工程实践中最常用的方法之一。 第八章：模态分析在工程中的应用 本章将理论与工程实践紧密结合。讲解了如何利用模态分析结果进行结构健康监测（SHM）和故障诊断。讨论了模态振型在识别结构损伤位置和严重程度中的作用。同时，介绍了振型参与系数（Modal Participation Factor）的概念及其在地震工程中计算地震内力分配的重要性。 第三部分：高级主题与实际问题 第九章：地震工程基础与反应谱分析 本章专门针对土木工程中的地震响应问题。详细介绍了地震动输入的特性（如加速度、速度、位移时间历程）。重点讲解了反应谱（Response Spectrum）的构造原理和应用方法，包括单自由度系统和多自由度系统的反应谱分析方法（如SRSS法和CQC法），用于快速估算结构在设计地震作用下的最大响应。 第十章：截断效应与模态截断误差 在实际工程分析中，由于计算资源的限制，往往只能计算有限的模态。本章分析了模态截断对分析结果准确性的影响，引入了有效质量比（Effective Mass Ratio）的概念，指导工程师如何选择足够的模态参与计算以保证工程精度。 第十一章：非线性动力学基础 本章初步引入非线性因素，探讨了当结构材料或几何构型进入非线性区时，动力学响应的复杂性。分析了在非线性刚度或非线性阻尼作用下，运动方程的解析求解困难，并介绍了数值方法如Newmark-$eta$法在求解非线性瞬态问题中的基本思路。 第十二章：随机振动基础 本章将输入载荷视为随机过程（如连续的随机风荷载或地面运动）。介绍了随机过程的统计特性，如功率谱密度函数（PSD）。重点讲解了随机振动分析的基本方法，计算结构响应的均方根值（RMS）和方差，为结构在长期不确定载荷下的可靠性评估提供工具。 --- 本书特色 1. 理论与应用并重： 每章均包含详尽的数学推导，并穿插实际工程案例（如桥梁、高层建筑、机械臂的振动问题），使理论知识易于转化。 2. 强调数值计算接口： 阐述了如何将解析结果映射到有限元软件（如ANSYS, ABAQUS, SAP2000）的动力学模块中，特别是在模态分析和响应谱分析环节。 3. 清晰的物理图像： 通过大量图示和振型动画描述（附带配套的MATLAB/Python例程），帮助读者直观理解抽象的动力学概念，如相位差、阻尼耗能和主振型。 本书是结构工程、机械工程等专业学生深入学习“结构抗震设计”、“振动控制”和“故障诊断”等高级课程的理想教材或参考书。

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这本书的深度和广度都超出了我的预期，它不仅仅停留在经典力学的范畴，而是将前沿的研究成果和实际工程中的“疑难杂症”进行了有机的结合。我记得有一章专门探讨了材料在非均匀温度场下的热应力问题，处理得极其细致，从热膨胀的微观机制讲起，逐步过渡到结构的热边界条件设定，最后甚至涉及到了有限元分析中处理热载荷的离散化方法。这种跨越不同学科边界的整合能力，是很多同类书籍所欠缺的。更难能可贵的是，作者在阐述那些复杂的解析解推导过程时，保持了一种近乎完美的清晰度，步骤之间逻辑衔接得天衣无缝，每一步的物理意义都被清晰地标注出来，这使得读者在跟进推导时，能够时刻保持对“我们正在做什么”的清晰认知。对于那些希望未来从事结构优化或新材料应用研究的读者来说，这本书无疑是一份极佳的参考资料，它为你打下的理论基础足够坚实，足以支撑你向更高阶的专业领域迈进，而不是仅仅停留在满足考试的层面上。

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我必须得说，这本书的排版和细节处理上，体现了极高的专业水准。纸张的质感非常适合长时间阅读，油墨的浓度恰到好处，使得公式中的上下标和各种希腊字母都能够被清晰地区分开来，这在翻阅厚重技术书籍时，是一个非常重要的体验指标。而在内容组织上，它采取了一种螺旋上升的结构。一开始的基础概念讲解简洁明了，为后续复杂内容的展开铺平了道路。等到后面涉及弯曲、扭转或组合应力场分析时，作者会巧妙地回顾并加深前面学过的知识点，通过更复杂的背景设定，让旧知焕发出新的生命力。比如，在讲疲劳和断裂力学时，它没有将它们视为孤立的新章节，而是将其与前文讨论的静力学失效准则紧密地关联起来，展示了材料失效是一个连续且多因素作用的过程。这种结构上的精妙设计，让知识点的学习曲线变得平滑而富有成效，有效避免了初学者在面对大量新信息时的认知负荷过重的问题。

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这本书的叙述方式着实让人眼前一亮，它没有采取那种传统教材常见的、堆砌公式和理论的枯燥路线。相反，作者似乎更侧重于构建一个完整的工程思维框架。我特别欣赏它在引入新概念时所采用的类比和历史背景的穿插，这使得原本抽象的力学原理变得有血有肉，仿佛能触摸到那些工程师们在实际应用中遇到的挑战。比如，在讲解应力与应变的关系时，书中没有直接抛出胡克定律的数学表达，而是通过描述早年间桥梁设计失败的案例，一步步引导读者理解为什么需要这样的定量关系，这种“问题导向”的教学法，极大地激发了我深入研究背后的物理本质的兴趣。阅读过程中，我时常感觉到自己不是在被动地接受知识，而是在一个经验丰富的导师的带领下，共同探索材料在受力下的行为规律。那些精妙的图解和详尽的例题分析，尤其是在处理复杂结构体系的受力分解时，清晰得令人称赞，即便是初次接触这些概念的人，也能凭借这些视觉辅助材料迅速抓住核心要点，而不是迷失在复杂的符号运算之中。整本书读下来，收获的不仅是理论知识，更是一种严谨的、从实际需求出发的工程分析思路。

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这本书的实用性简直是教科书级别的典范。它不像有些理论书籍那样，写得高深莫测，仿佛脱离了现实工程的土壤。恰恰相反，它大量引用了工业界真实的案例和标准规范的背景知识。例如，在讲解构件的稳定性问题时，它没有止步于欧拉公式，而是深入探讨了截面塑性对临界载荷的影响，并对比了不同工程设计规范（比如特定行业的压力容器设计指南）是如何根据这些力学原理来设定安全系数和设计裕度的。这种将纯粹的理论分析与行业实践紧密对接的做法，对于我们这些需要将所学知识转化为生产力的工程师来说，具有无可替代的价值。读完这些章节后，我感觉自己对“安全系数”这个概念的理解不再是简单的除法运算，而是真正理解了它背后所蕴含的概率论、材料不确定性和我们对未来工况的保守估计。这种“知其然，更知其所以然”的学习体验，让我对工程实践中的决策制定充满了信心。

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我非常欣赏这本书在探讨材料本构关系时的辩证思维。它没有将任何一种力学模型视为绝对真理，而是清晰地指出了每一种理论模型的适用范围和其内在的局限性。例如，在讨论粘弹性材料的行为时，作者用对比实验数据的方式，直观地展示了在不同时间尺度和温度条件下，线性粘弹性模型（如开普勒模型、麦克斯韦模型）是如何失效的，并引入了更高级的、考虑了微观结构演化的模型。这种不偏不倚、科学求是的态度，培养了读者批判性地看待理论工具的能力。它教导我们，在面对一个未知的工程问题时，首要任务不是盲目套用公式，而是要首先判断当前材料的受力状态和环境条件，选择最合适的数学模型去逼近真实世界，而不是期望一个万能的模型能解决所有问题。这种方法论上的指导，对于提升我们解决实际复杂工程问题的能力，比任何单一的公式推导都更为宝贵和深远。

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