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出版者:Springer

作者:Peter Wriggers

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2007-09-10

价格:USD 159.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781402064043

丛书系列:

图书标签:

• 接触力学
• 计算方法
• IUTAM研讨会
• 数值模拟
• 边界元法
• 有限元法
• 摩擦学
• 材料力学
• 固体力学
• 计算工程学

《接触力学计算方法》 引言 接触力学作为固体力学的一个重要分支，研究物体之间接触界面的力学行为，包括接触应力、接触变形、磨损、摩擦以及界面的粘附等现象。这些现象广泛存在于各种工程应用中，例如齿轮传动、轴承、轮胎与路面、生物假体、微电子器件以及高分子材料的界面等。准确地理解和预测这些接触过程中的力学响应，对于优化设计、提高性能、延长设备寿命以及确保结构安全至关重要。 随着计算机技术的飞速发展，数值计算方法在解决复杂的接触力学问题中扮演着越来越重要的角色。传统的解析方法往往难以处理接触问题中固有的非线性和复杂边界条件。数值方法，如有限元方法（FEM）、边界元方法（BEM）以及离散元方法（DEM），为求解这些挑战性问题提供了强大的工具。 本书内容概要 本书深入探讨了接触力学领域中关键的计算方法，旨在为研究人员、工程师和学生提供一个全面而深入的理解。本书聚焦于如何利用先进的计算技术来模拟和分析复杂的接触行为，其内容涵盖了从理论基础到实际应用的广泛范围。 接触力学基础理论：本书首先回顾了接触力学的基本概念和理论框架，包括接触压力的分布、接触区域的确定、接触界面上的变形行为以及接触问题的数学表述。我们将探讨Kelvin-Voigt模型、Maxwell模型等粘弹性接触模型，以及Hertz接触理论在弹性接触中的应用。此外，书中还将涉及摩擦学的基础知识，包括Amontons-Coulomb摩擦定律的局限性以及更先进的摩擦模型。 数值方法的理论与应用： 有限元方法（FEM）在接触力学中的应用：FEM是解决接触力学问题最常用的方法之一。本书详细阐述了如何将接触约束和接触算法集成到FEM框架中。我们将讨论不同的接触算法，如Penalty方法、Augmented Lagrangian方法、Lagrange乘子法等，以及它们在处理非线性接触边界条件上的优势和局限性。此外，书中还将涉及接触面离散化、单元选择以及求解非线性方程组的技术。 边界元方法（BEM）在接触力学中的应用：BEM因其能够仅对边界进行离散化而具有处理无限域和耦合问题的优势。本书将介绍BEM在接触力学中的基本原理，包括如何利用BEM求解弹性力学中的边界积分方程，以及如何将其与接触条件相结合。我们将探讨BEM在模拟长程接触、多体接触以及考虑材料损伤时的适用性。 离散元方法（DEM）在颗粒接触中的应用：DEM特别适用于模拟大量颗粒相互作用的系统，如散体材料、岩石力学和颗粒流。本书将介绍DEM的基本思想，包括如何对每个颗粒进行运动学和动力学分析，以及如何处理颗粒间的接触碰撞和摩擦。我们将讨论球形颗粒、非球形颗粒的建模，以及DEM在模拟复杂颗粒接触行为时的优势。 其他计算方法：除了上述主流方法，本书还将简要介绍其他在接触力学中具有潜力的计算方法，如光滑粒子动力学（SPH）以及基于模型的数值方法，并探讨它们在特定问题上的应用前景。 高级接触力学问题与计算挑战： 粘弹性与粘塑性接触：本书将深入研究粘弹性材料和粘塑性材料的接触行为，以及如何利用数值方法模拟这些复杂的非线性响应。我们将探讨迟滞现象、应力松弛以及材料的应变率敏感性对接触过程的影响。 摩擦与磨损模拟：摩擦和磨损是导致机械系统失效的重要因素。本书将介绍各种摩擦模型（如Archard磨损模型、RIE模式磨损模型）及其在数值模拟中的实现，并探讨如何结合接触力学和材料科学的知识来预测磨损行为。 多体接触与复杂几何接触：实际工程中经常会遇到多个物体同时接触的情况，以及具有复杂几何形状的接触界面。本书将讨论如何处理多体接触的耦合问题，以及如何对不规则几何形状的接触进行有效的建模和计算。 动态接触问题：在高速冲击、振动载荷等情况下，动态接触行为的研究尤为重要。本书将介绍处理动态接触问题的数值方法，包括时间积分方案和处理接触碰撞的算法。 耦合场问题：在某些应用中，接触行为会与其他物理场（如热、电、化学）产生耦合。本书将探讨如何进行多物理场耦合的接触力学分析，例如热-力耦合接触、电-力耦合接触等。 实际应用案例与前沿研究： 本书将通过一系列具体的工程应用案例，展示计算方法在解决实际接触力学问题中的威力。这些案例可能包括： 汽车工程：轮胎与路面的接触、刹车盘与刹车片的接触、发动机部件的接触磨损。 航空航天工程：连接件的接触疲劳、密封件的设计。 生物医学工程：人工关节的接触力学、骨骼与植入物的界面。 微机电系统（MEMS）：微型开关和连接器的接触可靠性。 材料科学：纳米材料的接触行为、界面力学。 本书还将展望接触力学计算方法的前沿研究方向，例如机器学习在接触预测中的应用、高效并行计算技术的发展等。 结论 《接触力学计算方法》为读者提供了一个深入探索接触力学计算世界的窗口。本书将理论、方法和应用有机结合，强调了数值计算在解决复杂工程问题中的关键作用。通过对本书的学习，读者将能够掌握分析和预测各种接触现象的先进计算工具，为他们在工程设计、科学研究以及技术创新方面奠定坚实的基础。

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最后，作为一个积极探索前沿知识的读者，我非常看重书籍所能带来的启示性和前瞻性。我希望这本书能够不仅仅是现有方法的集合，更能展现出计算方法在接触力学领域未来的发展趋势和可能突破的方向。也许书中会探讨一些新兴的计算技术，例如机器学习在接触预测中的应用，或者基于GPU（Graphics Processing Unit）的并行计算加速技术。能够了解到这些前沿的探索，将极大地激发我的创新思维，并为我未来的研究工作提供新的思路和方向。这本书的存在，本身就代表了学术界的最新进展，我期待能从中汲取养分，为我所从事的研究领域贡献力量。

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这本书的组织结构也让我颇为关注。作为一本汇集了多位作者研究成果的会议论文集，其内容的连贯性和逻辑性至关重要。我希望各个章节之间能够形成一个有机整体，能够循序渐进地引导读者进入接触力学的计算世界。也许会从基础概念的介绍开始，然后逐步深入到各种方法的原理和实现细节，最后再通过应用案例来展示其威力。我尤其看重那些能够提供清晰的推导过程和详细的算法描述的内容，这样我才能真正理解方法的精髓，并有机会将其应用到我自己的研究或工作中。如果书中能够提供一些代码示例或者伪代码，那就更加完美了，这将极大地降低理解和复现这些方法的门槛。

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我非常关注书中关于接触力学中材料模型和本构关系的处理。实际的接触问题往往涉及到复杂的材料行为，如弹塑性、粘弹性、损伤以及各向异性等。如何将这些复杂的材料模型有效地融入到计算框架中，并保证计算的稳定性和收敛性，是衡量一个计算方法优劣的重要标准。我期待看到书中可能包含的关于如何发展和实现先进材料本构模型的讨论，以及这些模型在接触力学问题中的验证和应用。例如，在预测疲劳寿命或评估结构鲁棒性时，准确的材料模型至关重要。如果书中能够提供一些关于如何处理非线性材料行为的数值算法，例如基于增量法的求解策略，我会觉得非常有价值。

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在接触力学领域，边界处理是一个永恒的难题。无论是解析方法还是数值方法，如何准确地描述和跟踪接触界面上的几何变化以及由此产生的力传递，都对计算结果的精度有着决定性的影响。我希望这本书能深入探讨这个问题，或许会介绍一些先进的接触检测算法，例如基于点-面、面-面或者更复杂几何体的接触识别技术。此外，如何有效地处理接触边界上的网格变形或重构，也是一个关键问题。一些多体动力学仿真软件在处理高速、大规模的碰撞问题时，对接触算法的要求极高。我期待在这本书中找到一些能够指导我如何选择和优化接触算法的见解，特别是在处理动态接触场景时，例如冲击、振动和摩擦相关的动态效应。

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当我翻开这本书时，一股浓厚的学术气息扑面而来，页码间的每一行字都仿佛凝聚着研究者们无数个日夜的智慧结晶。我特别关注那些可能介绍不同数值离散化技术的内容，比如有限元方法（FEM）、边界元方法（BEM）或者更新兴的无网格方法（Meshfree Methods）。在接触力学中，如何准确有效地处理接触界面上的边界条件，如何模拟非线性行为，以及如何应对数值计算中的奇异性问题，都是极具挑战性的。我希望这本书能够提供一些关于这些问题的深入探讨，或许会介绍一些最新的算法优化，或者是一些能够提升计算效率和精度的创新性技术。例如，在处理大变形、材料塑性、摩擦以及磨损等复杂现象时，不同的计算方法可能会展现出截然不同的优势和局限性。我非常期待能在这本书中找到关于这些方面的详细比较和分析，以便我能够根据实际问题的需求，选择最合适的计算工具。

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作为一个对数值稳定性非常敏感的读者，我非常关心书中介绍的计算方法在实际应用中的鲁棒性。接触力学问题本身就容易产生数值不稳定，比如接触点的跳变、摩擦力的突变以及因网格畸变引起的计算失败。我希望书中能够探讨如何提高数值算法的稳定性，可能包括一些正则化技术、隐式求解方法或者自适应网格技术。例如，在处理大规模离散元法（DEM）模拟时，选择合适的接触模型和时间步长对于获得可靠结果至关重要。我希望这本书能够为我提供一些关于如何避免或解决这些数值稳定性问题的宝贵经验和技巧。

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我对书中可能涵盖的算法在实际工程问题中的应用潜力充满好奇。接触力学在许多关键领域都扮演着核心角色，比如航空航天工业中的连接件和密封件、汽车工业中的轮胎与路面接触、生物医学工程中的关节置换和组织接触，以及制造业中的模具设计和磨削加工。我希望这本书能够展示一些具体的案例研究，通过实际的仿真结果来验证所介绍的计算方法。例如，它可能会讨论如何利用这些方法来预测零件的寿命，如何优化结构的设计以减少应力集中，或者如何模拟复杂摩擦现象下的能量耗散。能够看到这些理论方法如何转化为解决现实世界工程难题的有力工具，对我来说是极具启发性的。我期待的书籍内容，不仅仅是抽象的数学公式和算法描述，更是能够让我感受到计算力学在推动科技进步和社会发展中的实际价值。

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这本书的封面设计我相当欣赏，那种沉稳而专业的蓝调，搭配上金色字体，传递出一种严谨和学术的氛围。我第一次在书架上看到它时，就被它散发出的独特气质所吸引。作为一名对计算方法在工程领域应用抱有极大兴趣的读者，我一直都在寻找能够深入浅出地讲解复杂概念的书籍。这本书的标题——“IUTAM Symposium on Computational Methods in Contact Mechanics”——立刻点燃了我内心的好奇。虽然我对“IUTAM”这个组织并不陌生，知道它代表着国际理论与应用力学联盟的高端学术交流，但“计算方法”和“接触力学”这两个词组合在一起，让我对内容的深度和广度有了更高的期待。我猜想，这本书一定收录了来自世界各地顶尖研究者的最新成果和独到见解，尤其是在接触力学这个充满挑战的领域。接触力学本身就是一个极其复杂且至关重要的分支，涉及到固体、结构、材料等各个方面，而将其与计算方法相结合，更是将问题的解决推向了一个新的高度。我迫不及待地想知道，这本书会如何勾勒出这个领域的全貌，特别是那些能够帮助我理解和应用前沿计算技术的具体方法论。

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对于我来说，清晰的数学表述和严谨的理论推导是理解计算方法的基础。我希望这本书中的内容能够提供扎实的数学理论支持，并清晰地阐述各种方法的推导过程。这不仅仅是为了满足我的学术好奇心，更是为了让我能够深入理解方法的内在机制，从而在面对实际问题时能够灵活运用和改进。我期待看到书中对于不同接触算法在理论上的优缺点分析，以及它们在精度、效率和稳定性方面的比较。如果书中能够引用相关的经典文献和最新的研究成果，并清晰地指出当前研究的空白和未来的发展方向，那将更能体现其作为一本 symposium 论文集的价值。

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我还会特别关注书中对大规模计算和并行计算的讨论。随着工程问题的复杂度和规模的不断增大，传统的单机串行计算已经难以满足需求。接触力学中的许多问题，例如多体碰撞、复杂结构的模拟，或者大规模材料分析，都需要高效的并行计算策略。我期待这本书能够介绍一些如何在高性能计算平台上实现接触力学计算的方法，例如使用MPI（Message Passing Interface）或OpenMP（Open Multi-Processing）进行并行化。如果书中能够提及一些关于如何优化算法以适应并行计算环境的策略，例如数据分块、负载均衡等，那将非常有帮助。

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