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出版者:机械工业

作者:杨剑

出品人:

页数:425

译者:

出版时间:2008-1

价格:52.00元

装帧:

isbn号码:9787111224242

丛书系列:

图书标签:

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洞察结构力学前沿：多体动力学与先进数值方法深度解析 本书是一部严谨而前瞻性的学术专著，聚焦于现代工程分析领域中两个至关重要的分支：多体动力学（Multi-Body Dynamics, MBD）与先进数值方法（Advanced Numerical Methods）。它并非一本入门级的操作手册，而是旨在为具备一定工程背景和理论基础的研究者、工程师以及高级学生提供一个深入理解和掌握复杂系统行为的理论框架与实践指导。本书的重点在于揭示多体系统在复杂载荷、非线性材料特性以及动态耦合作用下的精确行为，并通过引入和剖析一系列先进的数值计算技术，提供解决实际工程难题的强大工具。 关于多体动力学（MBD）的部分，我们将深入探讨以下核心内容： 首先，本书将从多体系统的基本建模原理入手，系统梳理构成复杂机械系统的基本要素，如刚体、柔体、约束、驱动以及它们的相互作用。我们将详细阐述如何从物理现实抽象出数学模型，包括对物体运动的自由度分析、广义坐标的选择、惯性张量计算以及物体间相对运动的描述。区别于简化模型，本书将重点关注大变形、大位移以及非线性耦合效应对系统动力学行为的影响。这意味着我们将超越线性假设，深入研究材料的非弹塑性、几何非线性和接触非线性的复杂问题。 其次，在动力学方程的建立方面，本书将详细介绍并比较几种主流的系统动力学方程构建方法，包括牛顿-欧拉方法、拉格朗日方程、哈密顿原理以及基于Kane方程的系统集成方法。我们将深入分析每种方法的数学基础、优缺点及其适用范围。特别地，本书将强调如何处理约束方程，包括代数约束（如铰链、滑动约束）和微分约束，以及如何有效地将它们纳入动力学方程中，并探讨其对求解稳定性和效率的影响。此外，对于大型复杂系统，模型降阶技术（Model Order Reduction, MOR）的原理和应用也将被详细阐述，以期在保证精度的前提下，显著降低计算复杂度，提高求解效率。 再次，先进的数值求解算法是本书的另一大核心。我们将不仅仅停留在基础的常微分方程（ODE）求解器，而是深入剖析适用于多体动力学的高阶、隐式以及自适应步长控制算法。这包括但不限于：隐式欧拉法、Crank-Nicolson法、Runge-Kutta方法（包括高阶隐式RK方法）。我们将详细解析这些算法的收敛性、稳定性和精度特性，并探讨在处理具有刚性、奇异性以及周期性运动的多体系统时，如何选择和优化合适的求解器。同时，对于接触碰撞问题，本书将引入并详细讨论先进的接触模型，如罚函数法（Penalty Method）、增广拉格朗日法（Augmented Lagrangian Method）、奇异拉格朗日法（Lagrangian Multiplier Method），以及相关的碰撞检测算法（如GJK算法）和碰撞响应模型（如基于恢复系数的碰撞模型）。我们将分析不同接触模型的物理意义、数值实现细节以及它们在解决复杂接触场景（如多点接触、滑动摩擦）时的优势与局限。 在先进数值方法方面，本书将更侧重于它们如何赋能复杂工程问题的分析，并可能涵盖以下方面： 本书将深入探讨非线性有限元方法（Nonlinear Finite Element Methods, NLFEM）的理论基石和工程应用。这包括对大应变、大转动理论的细致讲解，以及各种非线性本构模型（如塑性、损伤、粘性、超弹性模型）的数学表述和数值实现。我们将分析如何在有限元框架下有效地处理几何非线性和材料非线性的耦合效应，以及增量法的基本原理，例如牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson Method）及其各种变种（如修改牛顿法、准牛顿法），并探讨它们的收敛准则、收敛加速技术以及在处理大规模非线性问题时的鲁棒性。 此外，本书还将关注边界元法（Boundary Element Method, BEM）在特定工程领域（如接触力学、声学、弹性力学）的应用。我们将阐述BEM的理论优势，特别是其在处理无限域问题和减少离散化节点数量方面的独特性，并深入分析其积分方程的建立、核函数的选取以及数值求解过程。 针对大型稀疏线性系统的求解，本书将系统介绍和比较一系列高性能的数值算法，包括迭代求解器（如共轭梯度法、广义最小残差法GMRES、双共轭梯度法BiCGSTAB）和直接求解器（如稀疏Cholesky分解、LU分解）。我们将深入分析这些算法的预条件技术、收敛加速策略以及并行计算的实现方式，为处理大规模工程仿真中的线性方程组提供理论支持和实践指导。 为了处理瞬态响应和模态分析，本书将详细讲解隐式和显式动态分析的原理。在隐式分析方面，除了前述的ODE求解器，还将重点阐述模态叠加法（Modal Superposition Method）在处理线性系统瞬态响应中的应用，以及如何结合特征值分析获得系统的模态参数。对于显式动态分析，我们将深入讨论中心差分法（Central Difference Method）等算法的原理、稳定性条件（如CFL条件）以及在处理冲击、爆炸等快速瞬态现象时的优势。 在高级离散化技术方面，本书可能会触及无网格方法（Meshless Methods），如光滑粒子动力学（Smoothed Particle Dynamics, SPFD）或无网格伽辽金法（Meshless Local Petrov-Galerkin, MLPG），用以克服传统有限元方法在处理大变形、断裂、自由表面流动等问题时对网格质量的依赖性。我们将介绍这些方法的粒子离散化、插值技术以及对物理方程的离散化实现。 本书的章节安排将力求逻辑清晰，由浅入深，并以大量的理论推导、算法剖析以及典型的工程案例分析贯穿始终。例如，在介绍完多体动力学方程的建立和求解方法后，可能会紧接着分析一个包含柔性体、非线性约束以及复杂接触的多体系统，并用所介绍的先进数值方法进行求解。同样，在讨论非线性有限元理论后，会通过一个具体结构屈曲或材料破坏的实例来展示其应用。 本书的目标读者为航空航天、汽车工程、机械设计、机器人学、生物力学等领域的研究人员、高级工程师以及对结构力学和计算力学有深入探索愿望的研究生。我们预期读者已具备基础的微积分、线性代数、微分方程以及力学基本知识。本书并非旨在教授软件操作，而是提供一套坚实的理论基础和深入的算法理解，使读者能够独立思考、创新性地解决实际工程问题，甚至能够根据具体需求开发或改进数值求解器。 总而言之，本书是一部知识密集、理论严谨、实践导向的著作，旨在为读者提供一个洞察结构力学前沿的窗口，掌握分析和模拟复杂工程系统的高级工具和方法，从而在瞬息万变的工程技术领域保持领先地位。

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从软件工具的角度来看，这本书似乎对MD Nastran的最新功能更新反应不够积极。在当前工程仿真领域，对GPU加速、并行计算的优化集成是衡量一个软件教程是否“新编”的重要标准。我特别希望看到书中能包含如何有效配置和利用现代多核处理器进行大规模模型求解的实践指南，或者至少提及如何利用Nastran特有的并行处理命令来缩短冗长的求解时间。然而，书中的实例和设置方式，看起来像是沿用了几年前的标准工作流程，对于追求效率和大规模计算的现代工程师而言，这部分内容的缺失是一个显著的遗憾。此外，对于后处理中常见的、对仿真结果进行高级可视化和导出报告的脚本化操作，书中也鲜有涉及，更多停留在软件自带的GUI基础输出层面。

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这本书的深度远远没有达到我预期的“实例教程”标准。所谓的“实例”，很多时候更像是对软件菜单和输入文件命令的逐条罗列，缺乏对这些选择背后物理意义和数值方法收敛性影响的深入剖析。例如，在讨论非线性几何问题时，我对作者如何选择不同的求解器（如牛顿-拉夫森迭代的步进策略）以及如何处理载荷增量导致的收敛困难抱有极大的兴趣。然而，书中只是简单地展示了输入卡片的设置，对于为什么选择某个特定的收敛容差，或者在迭代失败时应该如何调整阻尼参数或初始步长等关键决策点，几乎没有提供任何指导性的经验之谈。这使得读者在遇到实际中复杂的、非线性的“死锁”问题时，依然会束手无策，无法从书中获得解决问题的思维框架。

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如果说这本书有什么优点，那就是它的语言在基础概念的阐述上还算清晰，对于一个刚刚接触有限元分析或初次接触Nastran命令结构的人来说，它提供了一个可以遵循的入门路径。然而，作为一本面向“教程”定位的书籍，它严重缺乏那种能激发读者探索更复杂、更前沿分析技术的“引人入胜”的案例。我期待的实例是能展示如何将有限元分析与多物理场耦合（如热-结构耦合、流固耦合的基础设置）、或者如何进行高级的可靠性分析（如随机载荷下的寿命预测）。但这本书的内容似乎安于现状，聚焦于基础的静力学和模态分析，这些内容在其他更通用的有限元书籍中也已广为流传，并没有展现出其“新编”应有的对当前行业热点问题的关注和深入探讨。

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这本书的封面设计给人的第一印象是相当扎实和专业，那种深沉的蓝色调和清晰的字体排版，立刻就传达出一种严谨的技术手册的气质。我原本期望能从中学到一些关于现代有限元分析软件如ABAQUS或ANSYS的高级应用技巧，特别是那些在复杂工程问题中非常实用的接触、大变形以及非线性材料模型的处理流程。然而，当我翻开前几页时，发现它更侧重于基础理论的复习和对某个特定平台（即MD Nastran）的入门引导。虽然这对于初学者来说也许是好事，但对于我已经有一定基础，急需解决实际工程挑战的工程师来说，内容显得有些宏观和理论化，缺乏那些能让人眼前一亮的、具体的、能立刻上手解决问题的“干货”。比如，书中对预处理和后处理的介绍相对保守，没有深入探讨如何优化网格划分策略以应对尖锐角或薄壁结构，这在实际操作中往往是决定分析成败的关键步骤。总的来说，它更像是一本教科书的入门章节，而不是一本“实例教程”所应有的那种手把手、直击痛点的实战手册。

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阅读体验方面，这本书的排版虽然清晰，但其内容组织逻辑似乎有些跳跃，让人在试图构建一个完整的项目分析流程时感到困难。例如，在讲解某个结构动力学案例时，作者似乎在某一步骤突然切换到了另一个完全不相关的热传导问题参数设置上，这种不连贯性打乱了我对整个分析流程的连贯理解。我真正期待的是看到一个完整的、从几何建模到求解器设置，再到结果解读的闭环流程，尤其是在处理振动、模态分析这些需要精确时间步和频率设定的场景时，参数之间的相互依赖关系没有被阐述得足够透彻。我原本希望这本书能提供一套针对特定行业标准（比如航空航天部件的疲劳分析规范）的MD Nastran模板或脚本示例，但书中提供的更多是通用性的、几乎可以在任何有限元软件中找到的教科书式示例，缺乏针对特定软件平台深层功能的挖掘和利用。

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