具体描述
《结构塑性极限与安定分析理论及工程方法》是一部关于塑性力学的极限与安定分析理论及工程方法的著作。作者力求通过《结构塑性极限与安定分析理论及工程方法》告诉读者应用极限与安定分析理论解决系列工程问题的一般方法和过程。书中介绍了作者近20年来在这一领域的系统性研究成果 ——弹塑性结构极限与安定分析数值理论及其在压力容器与压力管道强度设计和安全评定等方面的工程应用。全书共分三篇十五章，其中第一篇简要阐述极限与安定分析的基本任务与工程背景、基本理沦与解析方法；第二篇重点介绍各种先进的数值计算方法和实用的实验测试方法；第三篇突出展示典型、成功的工程应用案例，并总结凝炼出工程应用的一般方法。这些成果既有理论创新和发展，又解决了工程中的关键技术难题，形成较为完整和一般通用的应用理论体系，具有重要的理论意义和工程应用价值。《结构塑性极限与安定分析理论及工程方法》可供力学、机械、材料、能源、化工、冶金、航空、核技术等相关领域的科研人员、工程技术人员及高等院校相关专业师生参考。
《结构塑性极限与安定分析：理论与工程方法》 一、 引言 现代工程结构的设计与建造，其核心在于确保结构在各种荷载和环境条件下，能够安全、可靠且经济地运行。尤其是在面对复杂的荷载组合、非线性材料行为以及潜在的失效模式时，传统的弹性力学分析方法往往显得不足。塑性理论和安定性分析应运而生，它们为深入理解结构的承载能力极限、预测结构失效机制提供了强大的理论框架和实用的工程工具。 本书《结构塑性极限与安定分析：理论与工程方法》旨在系统地梳理和阐述结构塑性理论的基石，深入探讨结构的安定性分析方法，并将这些理论知识转化为切实可行的工程应用技术。全书内容严谨，逻辑清晰，既注重理论的深度，又强调方法的实用性，力求为结构工程师、科研人员以及相关专业的学生提供一份全面而深入的参考。 二、 塑性力学基础与材料本构模型 结构的安全性分析，其最根本的出发点是材料的力学行为。当结构的应力水平超过材料的屈服极限后，材料将进入塑性变形阶段，其力学响应不再是线性的。因此，理解和掌握塑性力学的基础理论是进行塑性分析的前提。 本书的第一部分将从最基本的概念入手，详细介绍应力、应变张量的概念，以及它们在三维空间中的描述。在此基础上，我们将引入屈服准则，如冯·米塞斯准则（Von Mises Criterion）和库仑-莫尔准则（Mohr-Coulomb Criterion），阐述它们在不同材料（金属、岩土材料等）中的适用性，以及如何描述材料开始发生塑性变形的临界条件。 接着，本书将深入探讨塑性流动法则，这是描述塑性变形过程中应力与应变增量之间关系的关键。我们将介绍相关性流动法则（Associated Flow Rule）和非相关性流动法则（Non-associated Flow Rule），并分析它们在不同材料模型中的应用。 材料的本构模型是塑性分析的核心。本书将详细介绍几种经典的塑性本构模型，包括： 理想塑性模型（Perfectly Plastic Model）：假定材料在屈服后，应力保持不变，应变持续增加，这是最简单的塑性模型，适用于初步的承载能力评估。 随动强化模型（Kinematic Hardening Model）：考虑了材料在塑性变形过程中，屈服面会随着变形的方向发生移动，这是描述应力循环加载下材料行为的重要模型。 等向强化模型（Isotropic Hardening Model）：描述了材料屈服面在变形过程中整体均匀地增大，适用于描述材料的应变硬化效应。 混合强化模型（Combined Hardening Model）：结合了等向强化和随动强化，能够更精确地描述复杂应力路径下的材料行为。 对于不同工程领域，如钢结构、混凝土结构、岩土工程等，材料的塑性行为特性差异显著。本书将针对这些典型材料，介绍其适用的塑性本构模型，以及模型的参数确定方法。例如，对于钢材，我们将重点介绍其应变硬化行为；对于混凝土，则需要考虑其非线性的受压和受拉行为，以及破坏准则。 三、 结构的极限承载能力分析 当结构中的应力达到材料的屈服极限，并伴随显著的塑性变形时，结构就进入了塑性状态。结构的极限承载能力，是指结构在发生不可逆的、显著的变形或局部/整体破坏之前的最大承载能力。本书将从理论和工程方法两个层面，系统阐述如何进行结构的极限承载能力分析。 1. 理论分析方法： 下界定理（Lower Bound Theorem）：基于静力平衡和材料屈服准则，寻找一个满足静力平衡的应力场，且该应力场不违反材料的屈服准则。只要存在这样的一个静力平衡应力场，那么结构的真实承载能力就大于等于这个由该应力场对应的荷载。本书将通过实例展示如何构建和求解静力平衡方程组，以及如何利用屈服准则来评估荷载上限。 上界定理（Upper Bound Theorem）：基于虚功原理和塑性流动法则，寻找一个满足运动学条件的虚位移率场，且该虚位移率场不违反材料的塑性流动法则。只要存在这样一个运动学可行场，那么结构的真实承载能力就小于等于由该虚位移率场计算出的能量耗散率对应的荷载。本书将详细讲解如何建立虚功方程，并分析不同屈服机制下的塑性流动模式。 塑性载荷计算：结合下界定理和上界定理，我们可以对结构的极限承载能力进行界定。在实际应用中，我们常常会采用“一致方法”（Consistent Method），即寻找一个既满足静力平衡又满足运动学条件的解，从而得到更精确的极限承载荷。本书将介绍多种求解塑性载荷的方法，包括： 极限分析法（Limit Analysis）：通过建立塑性力学方程组，直接求解结构的极限承载能力。 塑性折算载荷法（Plastic Moment Distribution Method）：适用于梁、框架等结构，通过塑性铰的形成和荷载的重新分配来确定极限承载力。 静力法与运动学法在特定结构中的应用：例如，对于板壳结构，我们将讨论其塑性铰带（Plastic Hinge Lines）的形成和移动，以及如何利用这些概念来分析其极限承载能力。 2. 工程应用方法： 数值模拟方法（Numerical Simulation Methods）： 有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）：这是现代工程中进行复杂结构塑性分析最常用的工具。本书将详细介绍如何利用有限元软件进行塑性分析，包括： 本构模型选择与参数化：根据工程实际情况，选择合适的塑性本构模型，并准确输入模型的参数。 网格划分与边界条件：优化网格划分策略，准确施加荷载和边界条件，以提高分析精度。 增量加载与收敛性：介绍增量加载的步长控制策略，以及如何处理非线性求解过程中的收敛性问题。 塑性变形与失效模式识别：通过后处理，观察结构的塑性应力分布、塑性应变积累，以及识别潜在的失效模式，如屈曲、局部屈服、整体失效等。 基于塑性理论的简化工程方法：针对一些常见结构形式，本书也将介绍一些经过工程验证的简化分析方法，例如，对于钢结构中的节点域，可以采用基于局部屈服和塑性铰形成的简化计算方法。 四、 结构的安定性分析 除了材料的屈服和结构的极限承载能力外，结构的安定性是另一个至关重要的安全考量因素。当结构在承受荷载的过程中，可能由于某个临界荷载值的出现，导致结构从原来的稳定状态突然转变为另一种可能是不稳定或显著变形的状态，这种现象称为结构的失稳或安定性丧失。 1. 安定性分析的基本概念： 临界荷载（Critical Load）：结构失稳时所承受的荷载。 稳定平衡、随动平衡与不稳定平衡（Stable Equilibrium, Neutral Equilibrium, Unstable Equilibrium）：理解不同平衡状态下结构的响应。 侧向屈曲（Lateral Buckling）：对于细长杆件或平面梁，在受压或受弯时可能发生的横向失稳。 整体屈曲（Global Buckling）：整个结构或其主要构件发生失稳。 局部屈曲（Local Buckling）：构件的某个部分（如翼缘、腹板）发生局部失稳。 2. 安定性分析的理论方法： 弹性稳定性分析（Elastic Stability Analysis）： 欧拉临界力（Euler Critical Load）：对于细长杆件（如柱），在轴向压力作用下，通过能量法或微分方程法推导其弹性屈曲的临界荷载。本书将详细推导欧拉公式，并讨论其适用范围和局限性。 瑞利-里兹法（Rayleigh-Ritz Method）：一种变分方法，通过假设试探函数来求解结构的临界荷载。 微分方程法：建立描述结构变形的微分方程，并求解其特征值问题，从而得到临界荷载。 塑性稳定性分析（Plastic Stability Analysis）： 非线性稳定性分析：当结构的应力达到材料的屈服极限后，弹性稳定性理论不再适用，需要采用塑性稳定性理论。本书将介绍： 切线模量理论（Tangent Modulus Theory）：基于材料的切线模量来描述其在塑性状态下的刚度。 双模量理论（Double Modulus Theory）：在某些特定条件下，需要同时考虑材料的初始模量和切线模量。 塑性屈曲理论：分析材料进入塑性阶段后，结构的屈曲行为。 塑性屈曲的判定准则：介绍如何判断结构在塑性状态下是否会发生失稳。 3. 工程应用方法： 结构设计规范中的稳定性要求：本书将重点介绍国内外主要结构设计规范（如中国的GB 50017、Eurocode 3、AISC等）中关于结构稳定性的规定和验算方法，例如： 稳定系数法：通过引入稳定系数，将弹性屈曲理论与塑性材料行为相结合，进行工程验算。 等效长度法（Effective Length Method）：确定结构的等效长度，以反映边界条件和侧向约束对稳定性的影响。 容许应力法与极限状态法中的稳定性验算：结合不同设计方法，介绍如何在容许应力设计和极限状态设计中进行稳定性校核。 数值模拟在安定性分析中的应用： 特征值屈曲分析（Eigenvalue Buckling Analysis）：利用有限元软件进行线性屈曲分析，计算结构的屈曲模态和临界荷载。 非线性屈曲分析（Nonlinear Buckling Analysis）：在有限元分析中，引入几何非线性和材料非线性，以模拟结构在塑性状态下的屈曲行为，识别承载能力下降点和失稳模式。 后屈曲分析（Post-buckling Analysis）：研究结构在屈曲发生后的变形和承载能力变化，这对于评估结构的剩余承载能力和可靠性至关重要。 结构稳定性的加固与控制：对于可能存在稳定性问题的结构，本书也将探讨一些常用的加固与控制措施，例如，增加支撑、改变构件截面、预加应力等。 五、 实际工程案例分析 理论与方法只有通过实践才能检验其价值。本书将在各个章节中穿插大量的实际工程案例，涵盖桥梁、高层建筑、工业厂房、地下工程等多个领域。通过对这些案例的深入剖析，读者可以更直观地理解塑性分析和安定性分析在实际工程设计、评估和加固中的应用。 案例分析将包括： 钢结构梁的塑性设计与局部屈曲分析。 钢筋混凝土框架结构的极限承载能力评估。 高层建筑钢柱的轴压屈曲和侧向屈曲分析。 岩土工程中的边坡稳定性和基础承载能力分析。 既有钢结构的塑性评估与加固设计。 这些案例的分析过程将详细展示： 如何根据结构特点和荷载条件，选择合适的分析方法和计算模型。 如何进行参数的选取和校验。 如何解释和应用分析结果。 如何根据分析结果提出设计或加固建议。 六、 结论与展望 本书的最后部分将对结构塑性极限与安定性分析的理论发展和工程应用进行总结，并对未来的研究方向和技术发展进行展望。随着计算机技术的飞速发展和新材料、新技术的不断涌现，结构分析方法将更加精确和智能化。例如，人工智能在结构健康监测和损伤识别方面的应用，以及更先进的非线性数值分析技术的出现，都将为结构的安全性评估和可靠性设计提供更强大的支持。 本书希望能够成为结构工程师、科研人员以及相关领域学生的重要参考资料，帮助他们更深入地理解和掌握结构塑性极限与安定性分析的理论与方法，从而设计出更加安全、可靠、经济的工程结构。
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