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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Williams, James H.

出品人:

页数:876

译者:

出版时间:2006-12

价格:1458.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9780470133859

丛书系列:

图书标签:

动力学
应用动力学
工程力学
振动
控制系统
机械工程
数学建模
物理学
高等教育
教材

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具体描述

FUNDAMENTALS OF APPLIED DYNAMICS is a unique blend of both the modern and the historical, emphasizing dynamics with an analytical paradigm more commonly associated with the mechanics of solids. The distinction between momentum-based 2nd energy-based approaches is clearly drawn, and bold techniques are presented. This text presents engineering mechanics as a unified field and, though emphasizing dynamics, integrates topics from courses such as design, strength of materials, state-space systems analysis, mechanical behavior of materials, and the humanities that have not traditionally been a part of the dynamics curriculum in order to show students the relevance of what they are learning.

深入理解复杂系统的动力学行为：一本面向应用领域的研究性专著《Fundamentals of Applied Dynamics》是一部旨在为工程师、物理学家以及从事复杂系统建模与分析的专业人士提供坚实理论基础和实用工具的专著。本书的核心关注点在于如何运用经典力学、连续介质力学以及初步的控制理论框架，来精确描述和预测现实世界中各种工程和自然系统的运动规律、振动特性以及稳定性边界。本书并非仅仅重复传统的刚体动力学教科书内容，而是更侧重于“应用”二字所蕴含的工程挑战和前沿领域需求。它旨在弥合纯理论推导与实际工程问题之间的鸿沟，通过详尽的案例分析和现代分析方法，指导读者如何将抽象的物理定律转化为可计算、可验证的工程模型。第一部分：基础理论的再构建与深化本书首先从牛顿-欧拉方程和拉格朗日-哈密顿形式的力学原理出发，对动力学系统的基础进行深入回顾。然而，与基础教材不同的是，本部分强调了在非完整约束系统和时变参数系统中的应用。 1. 变分原理与广义坐标系：我们详细探讨了达朗贝尔原理在线性化和非线性系统中的应用，重点解析了如何使用广义坐标和约束力的处理方法，特别是在多体系统（如机器人机构或空间机构）的建模过程中，如何有效地构建最小化自由度下的运动微分方程。书中对准坐标（Quasi-coordinates）和约束条件（如滚动接触、柔性铰链）的数学描述进行了深入剖析，这是理解复杂机械系统自由度受限运动的关键。 2. 连续介质的动力学基础：动力学分析绝不能脱离材料的形变。本书用相当篇幅介绍了线弹性体和粘弹性体的基本本构关系，并将其转化为偏微分形式的运动方程。特别关注的是波传播现象，如材料中的冲击波和振动波在非均匀介质中的衰减和反射规律。我们引入了一维梁（欧拉-伯努利梁和铁木辛柯梁）的动力学模型，并展示了如何求解其固有频率和模态振型，这对于结构动力学设计至关重要。 3. 相对运动与参考系选择：在复杂的旋转机械和航空航天器动力学中，选择合适的参考系至关重要。本书系统梳理了牛顿参考系、惯性系与旋转参考系之间的变换，并详细推导了在非惯性系中引入科氏力（Coriolis Force）和离心力（Centrifugal Force）的精确表达式。针对高精度定位和控制系统，我们探讨了欧拉角（Euler Angles）、四元数（Quaternions）在描述和避免运动奇异性方面的优缺点及实际应用。第二部分：复杂系统的分析方法与工具这一部分是本书的精髓所在，它聚焦于将理论模型转化为可分析、可预测的数学工具。 4. 线性振动分析的进阶：尽管线性模型是起点，但其应用的深度决定了工程预测的准确性。本书超越了简单的自由振动，深入探讨了参数激励振动（Parametrically Excited Vibrations），特别是当系统的刚度或质量随时间周期性变化时所产生的帕拉梅尔不稳定性（Parametric Instability）现象，这在旋转机械的临界转速附近尤为重要。此外，书中对模态分析的结果如何用于模态叠加法进行瞬态响应计算给出了详细的计算流程和误差分析。 5. 振动控制与吸收策略：动力学最终要服务于控制。本书将动力学模型与主动和被动控制理论相结合。我们详细分析了调谐质量阻尼器（TMD）的设计原理，包括如何通过优化质量比和频率比来最大化能量吸收。对于主动控制，我们引入了线性二次型调节器（LQR）的基本概念，并展示了如何利用状态反馈来抑制特定振动模式，而非仅仅是消除自由振动。 6. 非线性动力学的定性分析：现实中的工程系统往往是非线性的。本书着重介绍非线性动力学分析的定性方法，而非纯粹的数值积分。这包括：相平面分析（Phase Plane Analysis）：针对二阶系统，通过绘制相轨迹来识别极限环、焦点和鞍点，从而判断系统的长期稳定性。庞加莱截面（Poincaré Mapping）：用于识别周期解、准周期解以及混沌行为（Chaos）的初步指标。多尺度法（Method of Multiple Scales）与平均化法：用于处理具有小非线性项的周期性激励或自激振动系统，以求出缓慢变化的包络线的演化方程。第三部分：应用案例与前沿挑战本书的最后部分将理论与具体的、具有挑战性的应用场景相结合，展示动力学分析的实际威力。 7. 旋转机械的动力学问题：重点分析了转子动力学（Rotor Dynamics）中的关键问题，如油膜轴承的动力学建模（引入非线性的动静压油膜力模型）、不平衡激励下的稳态响应，以及涡动（Whirl）与失稳（Bowing）的临界转速预测。书中清晰地展示了如何使用林哈德（Linhard）模型来分析柔性转子的受力。 8. 冲击、碰撞与接触动力学：真实世界中，系统间经常发生非光滑的接触。本书详细阐述了速度突变法和互补性问题（Complementarity Problem）在模拟多体碰撞中的应用。我们区分了可恢复的弹性碰撞和不可恢复的塑性碰撞，并引入了恢复系数（Coefficient of Restitution）的概念及其在不同材料接触时的适用性讨论。 9. 随机振动与可靠性评估：实际载荷（如风、地震、路面粗糙度）通常是随机的。本书介绍了随机过程理论在动力学中的应用，包括功率谱密度（PSD）的建立，以及使用均方值分析来预测结构在随机载荷下的最大位移和疲劳寿命。重点在于随机有限元法（S-FEM）的初步概念介绍，以应对材料和几何参数的不确定性。总结与目标读者本书的编写目标是培养读者在面对高复杂度、多学科交叉的工程系统时，能够从第一性原理出发，建立恰当的数学模型，并熟练运用现代分析技术进行性能评估和稳定性预测的能力。它不仅是理论知识的汇编，更是解决实际动力学难题的实用指南。本书适合研究生、高级工程师以及对机械系统、土木结构、航空航天载具的动态行为有深入研究需求的人员。通过系统学习，读者将能够驾驭从线性到高度非线性、从确定性到随机性的各类动力学挑战。