Computational Inelasticity pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Simo, J. C./ Hughes, Thomas J. R.

出品人:

页数:406

译者:

出版时间:1998-8

价格:$ 134.47

装帧:HRD

isbn号码:9780387975207

丛书系列:

图书标签:

• Inelasticity
• 使劲嚼
• Computational
• Computational Mechanics
• Finite Element Method
• Inelasticity
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• Material Modeling
• Numerical Analysis
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《材料力学行为探索：从弹性到塑性及其更深层次的机制》 引言 材料的变形行为是工程设计与科学研究中至关重要的一环。从宏观结构的稳定性到微观材料失效的预测，我们都需要深入理解材料在受力状态下的响应。传统的材料力学主要聚焦于材料的弹性变形，即当载荷移除后，材料能完全恢复其原始形状。然而，在许多实际工程应用中，材料会经历远超弹性的变形，进入塑性甚至更复杂的非弹性区域。理解和模拟这些非弹性行为，对于开发高性能材料、设计可靠的结构以及预测复杂工程系统的长期性能至关重要。本书将带领读者深入探索材料力学行为的深层机制，超越简单的弹性理论，全面剖析非弹性变形的各个方面。 第一部分：基础理论与弹性变形的边界 本部分将为读者奠定坚实的理论基础，并清晰界定弹性变形的范畴。我们将从应力与应变的经典定义出发，回顾线弹性材料的本构关系，包括胡克定律在各向同性与各向异性材料中的应用。重点将放在弹性变形的假设条件和其局限性上，例如小变形理论的适用范围，以及材料在应力集中区域可能出现的早期非弹性迹象。 应力与应变： 深入探讨真实应力、工程应力、主应力、偏应力以及各种应变度量（如正应变、剪应变、对数应变）。理解应力张量和应变张量的物理意义及其在描述材料内部力学状态中的作用。 弹性本构关系： 详细阐述线弹性材料的应力-应变关系，包括杨氏模量、泊松比、剪切模量和体积模量之间的相互联系。探讨各向同性材料和各向异性材料的本构方程及其系数的物理意义。 能量原理与弹性变形： 介绍弹性应变能的概念，以及它在求解结构力学问题中的应用，如虚功原理和最小势能原理。理解这些能量原理如何反映弹性变形的内在规律。 屈服准则的引入： 明确指出弹性变形的终结标志——屈服。介绍几种经典的屈服准则，如冯·米塞斯屈服准则和特雷斯卡屈服准则，并阐述它们在不同材料和载荷条件下的适用性。理解屈服曲面在应力空间中的几何意义。 第二部分：塑性变形的机制与理论 塑性变形是材料力学行为研究的核心内容之一。本部分将深入剖析塑性变形的微观机制，并介绍描述宏观塑性行为的各项重要理论。我们将关注塑性变形的不可逆性，以及其对材料宏观性能的影响。 塑性变形的微观机制： 深入探讨金属材料中的位错滑移和孪晶变形机制。解释位错的产生、运动与交互作用如何导致宏观塑性流动。对于多晶材料，将讨论晶界滑移和晶粒取向对整体塑性行为的影响。 流动法则与关联性： 介绍塑性本构理论中的关键概念——流动法则。区分关联性流动法则和非关联性流动法则，并解释它们在描述塑性应变增量方向上的差异。 强化理论： 详细阐述材料在塑性变形过程中出现的强化现象。涵盖各种强化机制，如加工硬化（位错缠结）、固溶强化、沉淀强化和晶粒细化强化。介绍相应的数学模型，如随动强化模型、随动硬化模型和各向同性硬化模型。 应变硬化与应变软化： 区分应变硬化（塑性变形导致材料强度增加）和应变软化（塑性变形导致材料强度降低）的现象，并分析其各自的物理根源和工程意义。 塑性应力-应变关系： 建立描述材料在塑性区域的应力-应变关系，包括塑性模量、切线模量等概念。介绍实际测试中获取塑性应力-应变曲线的方法，并讨论其在工程计算中的应用。 卸载与加载路径： 分析材料在塑性变形过程中经历卸载和再次加载时的行为。解释预塑性变形对后续加载响应的影响，以及塑性变形过程中加载路径的依赖性。 第三部分：非弹性变形的扩展与复杂现象 除了经典的塑性变形，材料还可能表现出更复杂的非弹性行为。本部分将扩展讨论这些现象，包括蠕变、应力松弛、疲劳以及损伤力学等。 蠕变： 深入研究材料在恒定应力或应变作用下随时间发生的缓慢变形。分析高温和长期载荷对材料蠕变行为的影响。介绍不同的蠕变模型，如指数蠕变模型、双曲线正弦蠕变模型和幂律蠕变模型。讨论蠕变损伤与断裂。 应力松弛： 解释材料在恒定应变下，其应力随时间逐渐降低的现象。分析应力松弛与蠕变之间的联系，以及其在预应力结构设计中的重要性。 疲劳： 详细研究材料在循环载荷作用下发生的损伤和断裂。介绍疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂过程。讨论影响疲劳寿命的因素，如应力幅、应力比、表面状态和环境因素。介绍常用的疲劳寿命预测方法，如S-N曲线法和断裂力学法。 损伤力学： 引入损伤力学的概念，用于描述材料内部微观结构（如微裂纹、空洞）的累积和发展如何影响材料的宏观力学性能。讨论损伤变量的定义、演化方程及其在预测材料失效中的应用。 其他非弹性行为： 简要介绍其他相关的非弹性现象，如应变率敏感性、热塑性、超塑性以及形状记忆效应等，并阐述其产生机理和潜在的应用前景。 第四部分：数值方法与仿真技术 理解材料的非弹性行为不仅需要理论基础，更需要强大的数值工具来模拟和预测。本部分将重点介绍有限元方法（FEM）在处理非弹性问题中的应用。 有限元方法基础： 回顾有限元方法的基本原理，包括单元离散、形函数、单元刚度矩阵的组装以及节点载荷的建立。 非弹性问题的有限元建模： 阐述如何在有限元框架下集成非弹性本构模型。详细介绍增量法的思想，如何处理非线性问题，包括荷载增量法、位移增量法以及弧长法等。 本构模型在有限元中的实现： 讨论如何将前面介绍的各种非弹性本构模型（如屈服准则、流动法则、强化模型）转化为数值算法，并嵌入到有限元求解器中。重点介绍增量型本构关系和子增量步的计算。 弹塑性有限元分析： 详细讲解弹塑性有限元分析的流程，包括应力-应变更新、屈服检验、塑性修正以及收敛性判别。 复杂非弹性问题的仿真： 探讨如何使用有限元方法模拟更复杂的非弹性现象，如蠕变、疲劳损伤累积以及材料失效等。介绍相关的数值算法和技术。 多尺度模拟： 简要介绍多尺度模拟的概念，即将微观层面的材料行为模型与宏观层面的有限元分析相结合，以更全面地理解材料的非弹性响应。 结论 本书旨在为读者提供一个全面而深入的材料非弹性行为研究框架。通过对基础理论、塑性变形机制、复杂非弹性现象以及数值仿真技术的系统阐述，希望读者能够建立起对材料力学行为的深刻理解。这种理解不仅是理论上的，更是能够应用于解决实际工程问题，指导材料设计与开发，并确保工程结构的安全可靠。掌握非弹性力学，意味着我们能够更有效地驾驭材料的潜能，应对日益复杂的工程挑战。

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我将这本书视为一本面向未来研究的参考书。它最大的价值在于前瞻性，尤其体现在对计算效率和多物理场耦合的探讨上。作者并未局限于传统的单场力学分析，而是用相当大的篇幅讨论了如何将热传导、电磁效应等引入到非线性弹塑性框架中进行求解。书中对于如何处理不同物理场之间的非线性耦合项的数值处理策略，提供了非常细致的指导，例如在半隐式方案中如何平衡稳定性和精度。我特别欣赏作者对“非局部模型”的介绍，这对于解决材料尺寸效应和描述裂纹萌生过程的精细化模拟至关重要。不同于许多只关注静力问题的书籍，这本书在处理高频动态响应和材料阻尼效应时，也展示了其深度和广度。阅读它，就像是在与一位站在计算力学前沿的学者进行深度对话，他不仅告诉你现在最好的方法是什么，更在引导你思考未来十年内哪些计算瓶颈需要被突破。对于致力于开发下一代先进材料仿真工具的研究团队来说，这本书提供的理论框架和数值指导，具有不可替代的参考价值。

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如果说市面上的很多计算力学书籍是告诉我们“如何使用软件”，那么这本书更像是揭示了“软件背后的原理，以及原理的局限”。我对其中关于非线性迭代收敛性的讨论印象最为深刻。作者没有回避牛顿法在处理强非塑性问题时的收敛缓慢甚至不收敛的问题，而是详细阐述了多尺度和次迭代策略（如线搜索、修正牛顿法）的工程实现细节。书中对Jacobian矩阵的构建和求解效率的优化，给出了许多实用的技巧，这些都是通常在标准的本科课程中难以接触到的高阶知识。我尤其欣赏作者在处理大变形与应变梯度效应耦合问题时的处理思路，这对于模拟复合材料或微结构材料的力学响应至关重要。他将微分几何的工具巧妙地融入到有限元框架中，使得推导过程虽然复杂，但逻辑链条异常清晰。总而言之，这本书为那些希望从“模型使用者”转型为“模型构建者”的人提供了一张详尽的蓝图，它要求读者付出极大的智力投入，但回报也是巨大的知识深度。

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初次翻开这本书时，我最大的感受是它的“实在感”。这不仅仅是一本堆砌公式的教科书，更像是一位经验丰富的大师手把手在教你如何驾驭复杂的计算工具。作者在介绍有限元公式化过程中，对于单元选择和积分点的布置策略给予了大量的篇幅，这在很多标准教材中是被一笔带过的部分。然而，在实际的工程模拟中，单元的选择错误往往是导致结果失真的罪魁祸首。书中通过好几个经典的“陷阱”案例，生动地展示了剪切锁定、体积锁定等病态现象，并清晰地指出了在不同几何模型下，哪种单元类型（如四面体、六面体、混合插值）能够提供更优的性能。更难能可贵的是，它没有将焦点仅仅停留在线弹性或小变形的范畴内，而是大踏步迈入了动态冲击、接触模拟这些高难度领域。对于接触算法的介绍，作者详尽地对比了罚函数法、增广拉格朗日法以及摩擦模型的实现细节，这为我解决实际装配和碰撞问题提供了坚实的理论后盾。阅读过程中，我时不时会停下来，对照着自己过往的仿真结果进行反思，这本书极大地提升了我对数值模拟结果可靠性的判断标准。

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这本书的行文风格是那种带着古典学术气息的严谨，但又在关键处点缀着现代计算的锐气。它不像某些入门书籍那样用大量简化模型来取悦初学者，而是直接切入到问题的本质——即如何用离散化的方法精确描述材料在极端条件下的行为。我特别留意了书中关于“状态变量”和“历史依赖性”处理的章节。作者对于如何有效地在有限元框架中追踪和更新内部变量，特别是如何保证这些变量在时间步长变化时的一致性，提出了自己独到的见解和优化方案。这种对“如何保持物理一致性”的执着，使得这本书超越了一般的数值方法手册。此外，对于材料模型的选择，书中没有强行推崇某一种模型，而是系统地回顾了经典粘塑性、内聚力模型（Cohesive Zone Model）的局限性，并提出了如何根据实际失效模式（如脆性断裂、韧性撕裂）来构建混合模型的建议。读完之后，我感觉自己对“选择合适的本构模型”这件事的理解，从一种经验性的猜测，上升到了基于严格数学和物理基础的系统性决策。

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这部关于计算非线性材料力学的著作，简直是该领域的一本里程碑式的作品。我花了整整一个夏天才啃完这本书，期间无数次被作者那严谨的逻辑和庖丁解牛般的分析深度所折服。首先，它在理论基础的构建上，丝毫没有敷衍了事，从连续介质力学的基本假设到本构关系的精细推导，每一步都力求无可指摘。特别是对于塑性流动法则和损伤演化模型的阐述，书中不仅给出了经典的公式，更深入剖析了这些模型背后的物理意义，这一点对于真正想在有限元分析中实现可靠模拟的研究人员来说，至关重要。书中对数值方法，尤其是时间积分方案和空间离散化的讨论，体现了作者深厚的工程实践经验，他并未满足于仅仅介绍算法，而是深入探讨了不同方法在处理强非线性问题（比如大变形、应变率敏感性）时的收敛性和稳定性问题，并辅以大量的对比实例。我尤其欣赏作者在论述过程中，总是能够将抽象的数学语言与具体的物理现象联系起来，使得复杂的概念不再高不可攀。这本书无疑是为那些希望深入理解并可能需要自行开发高级非线性求解器的研究生和高级工程师量身定做的案头必备工具书，它的知识密度之高，绝对值得反复研读。

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