Multiscale Modelling For Structures And Composites pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Kluwer Academic Pub

作者:Panasenko, G. P.

出品人:

页数:398

译者:

出版时间:

价格:159

装帧:HRD

isbn号码:9781402029813

丛书系列:

图书标签:

• Multiscale modelling
• Composites
• Structures
• Computational mechanics
• Material science
• Finite element method
• Homogenization
• Micromechanics
• Numerical analysis
• Engineering mechanics

结构与复合材料的多尺度建模 本书深入探讨了材料科学与工程领域中，从原子尺度到宏观尺度的多尺度分析与建模方法，尤其侧重于复杂结构和先进复合材料的性能预测与优化。 在现代工程实践中，材料和结构的性能往往取决于其在多个长度尺度上的相互作用。无论是金属合金的晶粒结构、聚合物基复合材料的纤维/基体界面，还是复杂结构件的疲劳损伤演化，都要求我们采用一种能够跨越不同尺度的分析框架。本书旨在系统地梳理和介绍处理这类问题的关键理论、数值方法和实际应用。 第一部分：多尺度建模的理论基础与框架 本部分首先为读者建立起理解多尺度现象的理论基石。我们将从基础的物理过程描述出发，探讨如何有效地在不同尺度间传递信息和建立耦合关系。 第一章：尺度分离与多尺度分析的必要性 尺度的层次性： 详细阐述了材料与结构体系中天然存在的尺度分层现象，例如原子/分子尺度、微观（晶体/纤维尺度）、介观（晶界/界面尺度）和宏观（结构件尺度）。 尺度耦合的挑战： 分析了在传统单尺度分析中遇到的局限性，特别是如何捕捉高频微观波动对低频宏观行为的反馈效应。 主流多尺度范式： 介绍并对比了不同的多尺度建模范式，包括： 串联（Sequential）方法： 强调信息从精细尺度向粗略尺度的单向传递。 并行（Concurrent）方法： 探讨如何在同一计算域内同时处理不同尺度的物理场。 混合（Hybrid）方法： 结合了串联和并行的优势，用于处理特定区域需要高分辨率分析的情况。 第二章：尺度间的数学桥梁：降尺度与升尺度技术 本章聚焦于实现尺度间信息转换的数学工具。 降尺度技术（从精细到粗略）： 重点介绍如何将高维、高频的微观信息有效嵌入到低维、低频的宏观本构关系中。内容涵盖： 代表性体积单元（RVE）的建立与周期性边界条件的应用。 统计力学方法在平均化过程中的作用，如Hill粘结模型和Hashin-Shtrikman界限。 基于均匀化理论的演化方法，包括经典的Voigt和Reuss假设，及其在非均匀材料中的修正。 升尺度技术（从粗略到精细）： 探讨如何利用宏观信息指导微观模型的构建，以及在宏观模型失效时，如何激活精细尺度的局部计算。这包括基于应力或应变场波动的区域细化策略。 第三章：计算框架：分子动力学与有限元法的集成 本章详细讨论了最常用的两种计算工具——分子动力学（MD）和有限元法（FEM）之间的接口技术。 原子尺度模拟（MD/DFT）： 简述了MD在描述材料初始阶段（如塑性源、缺陷生成）中的应用，以及密度泛函理论（DFT）在确定基础力场参数中的作用。 尺度映射与数据驱动的本构模型生成： 介绍如何利用MD模拟生成具有温度和应变率依赖性的、适用于连续介质模型的输入数据（如粘弹性参数、应变梯度信息）。 耦合算法： 深入分析了各种尺度的耦合算法，如原子/介观耦合（Quasicontinuum, QC方法）以及介观/连续体耦合（Coarse-Graining方法）。 第二部分：先进复合材料的多尺度分析 复合材料，特别是纤维增强和层合结构，是多尺度建模应用的典型领域。它们的性能高度依赖于纤维、基体和界面区的复杂相互作用。 第四章：纤维增强复合材料的微观损伤机制 本章专注于纤维与基体之间的相互作用及其导致的失效模式。 界面本构关系： 探讨描述纤维/基体界面的粘结强度、脱粘（Debonding）和滑动（Sliding）的本构模型，包括基于弹塑性或内聚力模型的描述。 损伤演化模拟： 阐述如何将微观尺度的脱粘和基体开裂转化为宏观层面的等效柔度或能量耗散。引入了基于内变量的损伤力学框架。 随机纤维排布与蒙特卡洛模拟： 针对随机取向或随机排布的纤维系统，介绍如何使用概率方法确定材料的有效属性，并评估制造缺陷（如孔隙、纤维团聚）对宏观强度的影响。 第五章：层合板与夹层结构的尺度效应 本章侧重于具有明显厚度方向变化的层状结构。 层间剪切应力的分析： 应用经典层合板理论（CLT）和更精确的层间剪切理论（如一阶剪切变形理论，FSDT），并探讨在多尺度框架下如何修正这些理论以纳入界面损伤。 冲击与穿透模拟： 针对高速冲击载荷，分析了从冲击物与表层基体接触到内部层间脱粘的能量传递路径。需要结合高精度、高分辨率的局部模型来模拟冲击区域。 多尺度有限元方法在层合板中的应用： 重点介绍如何在不显著增加整体计算成本的前提下，仅对关键区域（如孔洞边缘、焊缝或层间边界）进行网格细化，以精确捕捉应力集中。 第三部分：结构工程中的多尺度应用与预测 本部分将理论与应用相结合，展示多尺度方法在预测结构寿命和优化设计中的能力。 第六章：疲劳寿命与损伤累积的尺度效应 材料的疲劳寿命通常由微观尺度的裂纹萌生和扩展控制，但其在结构中的表现是宏观尺度的。 裂纹萌生机制的多尺度建模： 探讨在不同应力水平下，位错运动、晶界滑移或内含物附近的微裂纹是如何起始的。 裂纹扩展的均匀化处理： 介绍如何通过宏观载荷循环，结合微观尺度的损伤演化速率（如Paris定律的参数依赖性），实现对疲劳寿命的预测。这通常涉及周期性加载下的准静态多尺度迭代。 残余强度与断裂韧性的尺度依赖性： 分析在小尺寸试样和全尺寸结构件上，材料断裂韧性的差异性，并用多尺度方法解释这种尺寸效应。 第七章：结构优化与逆向工程 多尺度建模为结构优化提供了更深入的物理洞察力，超越了传统基于宏观弹性模量的设计。 拓扑优化与材料微结构设计： 介绍如何将材料的微观结构参数（如孔隙率、纤维体积分数、晶粒尺寸分布）作为优化变量，直接耦合到宏观结构的性能目标函数中。 逆向分析与材料识别： 利用实验观测到的宏观响应（如振动频率、整体刚度），通过多尺度逆向算法，推断出难以直接测量的微观材料参数（如界面粘结强度或晶界能）。 计算效率与代理模型（Surrogate Models）： 鉴于多尺度模拟的高昂计算成本，本章将讨论如何使用机器学习或响应面法构建基于物理的代理模型，实现快速的参数扫描和设计迭代。 本书内容全面，理论严谨，旨在为高级研究生、研究人员以及从事先进材料设计与结构分析的工程师提供一个深入而实用的参考指南。通过掌握这些跨尺度技术，读者将能够更准确地预测和控制复杂材料和结构在各种服役条件下的行为。

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