Principles of Engineering Mechanics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Beatty, Millard F.

出品人:

页数:620

译者:

出版时间:2005-11

价格:$ 84.69

装帧:HRD

isbn号码:9780387237046

丛书系列:

图书标签:

• 工程力学
• 工程 mechanics
• 力学原理
• 静力学
• 动力学
• 材料力学
• 结构力学
• 工程基础
• 物理学
• 高等教育

经典工程力学教材的演进与前沿：一本面向现代工程师的深度导读 书名：《现代工程力学：理论、方法与应用前沿》 作者群： 艾伦·R. 史密斯（资深结构动力学专家）、李明（计算力学与材料科学交叉领域学者）、苏珊·K. 琼斯（流体力学与环境工程教授） 出版信息： 2024年秋季版，全球科技出版社 --- 内容简介：超越基础，直击工程实践的核心挑战 《现代工程力学：理论、方法与应用前沿》并非对传统入门教科书的简单重复，而是一本专为应对21世纪复杂工程问题而设计的深度参考书和教材。本书的核心目标是搭建起理论力学（包括静力学、运动学、动力学）与当前工程领域最前沿的计算方法、先进材料以及多物理场耦合问题之间的坚实桥梁。 本书的结构经过精心设计，旨在系统性地提升读者从经典力学原理推导出复杂系统行为的能力，并熟练运用现代工程工具解决实际难题。 第一部分：经典理论的深化与统一（Foundation Refinement） 本部分旨在夯实读者对经典力学原理的掌握，但重点在于提升理解的深度和适用性，尤其是在非线性与复杂约束条件下的分析。 第1章：刚体静力学的拓展与结构稳定性分析 本章深入探讨了平衡方程在三维复杂空间中的应用，特别是涉及柔性结构和接触力学的基础问题。重点引入了变分原理（如虚功原理和最小势能原理）作为统一静力学分析的工具，而非仅仅将其视为解题技巧。深入讨论了工程中常见的非线性约束（如摩擦、间隙）对静力平衡解的影响，并详细介绍了鲁棒性分析在初始结构设计阶段的重要性。此外，对桁架和框架结构的屈曲稳定性进行了细致的拓扑分析，引入了欧拉屈曲理论的更高阶修正项。 第2章：运动学与动力学基础的先进视角 本章不再局限于对质点和刚体运动的简单描述，而是侧重于刚体动力学与连续介质运动学的连接。我们详细阐述了四元数（Quaternions）在描述复杂空间姿态变换中的优势及其在控制系统中的应用。在刚体动力学部分，重点分析了陀螺效应在高速旋转机械（如涡轮机、惯性导航系统）中的影响，并引入了拉格朗日方程的广义坐标系处理，特别是处理移动或变形坐标系下的动力学问题。对振动理论进行了深化，从单自由度系统过渡到具有耦合效应的多自由度系统的模态分析。 第3章：材料本构关系与本构理论的扩展 本章是连接力学与材料科学的关键。我们详细回顾了线弹性本构理论，并引入了粘弹性、粘塑性材料的描述，特别是针对聚合物、复合材料和生物材料。重点讨论了率相关（Rate-Dependent）和历史相关（Path-Dependent）材料模型的构建方法。在张量表示法的基础上，深入探讨了各向异性材料的本构描述（如纤维增强复合材料）。本章还前瞻性地引入了损伤力学（Damage Mechanics）的基本概念，如Tanaka-Murakami模型，为后续的断裂分析打下基础。 第二部分：计算力学与数值方法（Computational Mechanics Core） 本部分是本书的基石，专注于将理论转化为可操作的工程仿真工具，强调现代数值求解器的原理与应用。 第4章：有限元方法的理论基础与高级应用 本章深入解析了有限元方法的变分形式和伽辽金法的严格推导，远超简单的能量法。重点讨论了单元选择（如四面体、高阶等参单元）对结果精度的影响。关键内容包括：单元的锁定现象（Locking Phenomena）及其避免策略（如减缩积分、混合公式），以及非协调单元的使用。在接触模拟方面，详细介绍了罚函数法、增广拉格朗日法和增量迭代策略在复杂多体接触问题中的实施细节。本章特别提供了关于网格无关性检验（Mesh Independence Study）的标准操作流程。 第5章：求解非线性问题与迭代技术 工程问题的非线性性是常态。本章系统梳理了求解静力学和动力学中的几何非线性和材料非线性问题所需的数值技术。详细讲解了牛顿-拉夫逊法及其变体（如BFGS），重点分析了收敛性准则和步长控制策略。对于强非线性问题，深入探讨了弧长法（Arc-Length Methods）在追踪平衡路径（包括后屈曲分析）中的应用。在动力学部分，详细比较了中心差分法、Newmark-β法和隐式（Implicit）求解器在稳定性和计算效率上的权衡，特别是在求解模态分析后的大规模瞬态问题时的选择依据。 第6章：离散化方法的拓展现：从FEM到XFEM与Meshless 为了应对传统FEM在处理裂纹扩展、材料脱粘等问题时的固有局限性，本章介绍了扩展有限元方法（XFEM）的基本思想，包括单位阶跃函数和尖锐位移函数的引入，以及如何通过Partition of Unity理论来近似解场。此外，还简要介绍了无网格方法（Meshless Methods）如光滑粒子流体动力学（SPH）和无网格拉格朗日法（MLPG）在处理极端变形和流固耦合问题中的潜力。 第三部分：动态系统与多物理场耦合（Dynamics and Coupling） 本部分聚焦于现代工程中最具挑战性的领域——时间依赖性问题、随机性处理以及不同物理场之间的相互作用。 第7章：随机振动与不确定性量化（UQ） 现实世界的载荷（如风荷载、地震波）和材料参数往往具有不确定性。本章从概率论和随机过程的角度出发，介绍如何建立随机载荷模型。重点讲解了随机有限元法（SFE），包括使用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）和概率白化技术（Probability Field Whitening）来处理结构系统的随机响应。本章还介绍了随机摄动法在处理小参数扰动下的线性系统近似解中的应用，以及如何使用可靠性指标（Reliability Indices）来评估结构的服役安全性。 第8章：高级结构动力学与非线性振动 超越线性模态分析，本章深入研究了参数激励振动（Parametric Excitation）——如材料弹性模量随时间变化的振动问题，并分析了参数共振现象。详细分析了非线性动力系统的混沌行为及其在机械系统中的识别方法。此外，专门辟出章节讨论冲击与爆炸载荷下的瞬态响应，引入了应变率依赖材料模型和侵蚀模型在显式动力学求解中的应用。 第9章：流固耦合（FSI）与热固耦合（Thermo-Mechanical Coupling） 这是多物理场分析的核心。流固耦合部分详细区分了单向耦合（流体影响结构，如风洞实验）和双向（或完全）耦合（结构变形影响流场，如心脏瓣膜动力学或涡轮机颤振）。重点讲解了ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）描述在FSI中的应用。在热固耦合方面，引入了傅里叶定律与弹性力学的耦合，分析了高温环境下的蠕变（Creep）和热应力集中问题，并探讨了焦耳热效应在高速电磁设备中的影响。 第四部分：前沿案例与工程优化（Frontier Applications） 第10章：增材制造（3D打印）中的力学挑战 本章将力学原理应用于新兴制造技术。重点分析了增材制造过程中，由于快速加热和冷却导致的残余应力和变形问题，涉及材料的热粘塑性行为。讨论了如何利用多尺度建模方法来预测打印过程中的微观孔隙率对宏观力学性能（如疲劳寿命）的影响，并介绍了拓扑优化在设计轻量化、高强度增材制造零件中的最新算法。 第11章：疲劳、断裂与寿命预测的高级模型 本章从微观结构演变的角度重新审视疲劳问题。超越经典的S-N曲线，重点介绍了弹塑性断裂力学，特别是基于小裂纹增长的CTOD（裂纹尖端张开位移）和J积分方法。详细阐述了Paris法则的修正形式，以及如何将随机载荷纳入疲劳寿命的概率预测中。针对先进结构，引入了寿命累积模型，如Miner法则在复杂载荷谱下的局限性及其替代方案。 --- 本书特色： 深度与广度并重： 兼顾了经典理论的严谨推导与现代工程计算方法的实践应用。 跨学科视角： 强调力学与其他领域的交叉（材料科学、计算数学、概率论）。 丰富的案例分析： 包含大量源自航空航天、土木工程、生物力学和先进制造的真实工程案例，并附带详细的数值解步骤。 强调工具适用性： 教导读者如何批判性地选择和使用商业有限元软件（如ABAQUS, ANSYS）中的高级功能模块，而不是仅仅停留在基础操作层面。 适用读者： 本书面向已具备基础工程力学知识（如大学本科高年级学生、研究生）的读者，是工程师、研究人员进行专业深化和解决复杂工程问题的理想参考书。

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