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页数:327

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出版时间:2010-1

价格:40.00元

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isbn号码:9787030266033

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高等结构动力学基础 ——系统分析、建模与响应预测 内容简介 本书旨在系统阐述高等结构动力学的基本原理、分析方法与工程应用。聚焦于现代结构系统在动态载荷作用下的响应特性，内容涵盖从基础理论推导到复杂工程问题求解的全过程。本书力求在理论深度与工程实践之间搭建坚实的桥梁，使读者能够深刻理解结构动力学在地震工程、航空航天、机械振动控制等领域的核心地位。 第一部分：绪论与基础理论 第一章：结构动力学概述与发展脉络 本章首先界定结构动力学的研究范畴，明确其在土木、机械、航空等工程学科中的交叉性与重要性。追溯结构动力学从经典刚体动力学向现代连续体动力学演化的历史路径。重点探讨确定性动力学与随机动力学的基本区别，并引入现代计算方法（如有限元法）在处理复杂动力问题中的地位。讨论模态分析的物理意义，为后续章节的理论构建奠定基础。 第二章：单自由度系统动力学 作为动力学分析的基石，本章深入研究单自由度（SDOF）系统的自由振动、受迫振动及瞬态响应。详尽推导并求解运动微分方程。特别关注阻尼效应（粘滞阻尼、库仑阻尼）对系统响应的影响，通过对数衰减率、振动系数等参数的分析，阐明能量耗散机制。本章对周期性载荷（如简谐激励）和任意瞬态载荷（如冲击载荷）下的精确解和近似解进行系统性阐述，并引入了著名的“峰值因子法”在工程估算中的应用。 第三章：多自由度系统（MDOF）动力学 本部分将分析的复杂性提升至多自由度系统。核心内容聚焦于系统的离散化模型建立——基于牛顿定律和拉格朗日量的方法。详细阐述质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵的构建过程。重点讨论特征值问题的求解——模态分析。系统地介绍齐次方程的特征值分解，确定系统的固有频率和振型，并讨论振型正交化的理论与实际意义。针对非比例阻尼系统，引入复模态分析的概念，揭示其在复杂工程结构中的适用性。 第四章：连续体动力学导论 本章将分析对象从离散系统推广到连续体系统（如梁、板、壳）。基于偏微分方程（PDE）的理论，推导经典梁的欧拉-伯努利梁方程和铁木辛柯梁方程。通过分离变量法和傅立叶级数展开，求解无阻尼、无激励下的连续体自由振动问题，获取连续体的固有频率谱和振型函数。讨论边界条件对模态特性的决定性影响。 第二部分：振动分析与数值方法 第五章：模态叠加法与响应分析 本章深入探讨模态叠加法（Mode Superposition Method）在求解大规模MDOF系统动力响应中的高效性。详细解释如何利用模态坐标进行降阶处理，并将复杂的时域响应分解为若干简单模态的线性组合。针对瞬态响应分析，介绍有效一阶积分和二阶积分方法的原理与适用范围，并对比它们在精度和计算效率上的权衡。讨论模态截断误差（Truncation Error）的评估与控制策略。 第六章：时域积分与直接积分法 当模态叠加法因阻尼形式复杂或需要精确捕捉高频模态而不再适用时，本章转向直接积分法。系统阐述中心差分法（Central Difference Method）、Newmark-$eta$ 法（包括隐式和显式）以及Wilson-$ heta$ 法的数学基础和稳定性条件。详细分析不同方法的能量守恒特性和数值耗散行为，指导工程师根据工程需求选择最合适的积分步长和算法。 第七章：频域分析与谐响应 针对周期性或准周期性激励（如旋转机械的离心力、风致激励），本章侧重于频域分析。介绍复模态理论在处理阻尼系统谐响应中的应用。重点讲解如何构建频率响应函数（FRF），并利用模态分析的结果，通过复模态叠加法或直接求解复代数方程组，获得系统在特定激励频率下的稳态振动幅度与相位。讨论共振现象的识别与规避设计。 第八章：有限元分析软件中的结构动力学 本章将理论方法与现代工程软件（如ANSYS, ABAQUS等）的操作相结合。讲解如何在FEA环境中准确定义质量、刚度和阻尼矩阵。重点讨论如何设置模态分析的求解器参数，如何正确提取有效模态数，并指导如何利用软件内置的瞬态动力学求解器进行非线性时程分析。讨论几何非线性（大变形）和材料非线性对动力响应的影响。 第三部分：随机振动与可靠性分析 第九章：随机振动理论基础 在许多实际工程环境中，载荷（如风、海浪、地震）具有随机性。本章引入随机过程理论，定义平稳随机过程、功率谱密度（PSD）函数。详细解释均方根值（RMS）和峰值因子在评估随机响应中的作用。运用维纳-霍夫曼（Wiener-Khintchine）定理，建立输入随机过程与输出随机响应之间的关系。 第十章：随机振动响应分析 本章应用随机振动理论分析结构响应。重点讨论随机场的空间相关性对整体响应的影响。针对地震工程应用，详细介绍地震动记录的理想化模型——基于反应谱的设计方法，以及随机过程的Monte Carlo模拟方法。通过分析系统的能量传递与耗散，评估结构在随机载荷作用下的疲劳损伤累积。 第十一章：结构可靠性与寿命评估 本章将动力学分析结果与结构可靠性理论相结合。介绍极限状态函数、可靠度指标（$eta$ 值）的概念。讨论时变可靠性问题，特别是随机载荷下结构的疲劳累积损伤模型（如Miner法则的动力学修正）。阐述基于概率密度函数的可靠性评估方法，为结构的安全性和寿命预测提供量化工具。 第四部分：高级主题与前沿应用 第十二章：主动与被动控制系统 本章探讨如何通过外部干预手段控制结构动力响应。详细介绍被动控制技术（如隔震、调谐质量阻尼器TMD）的工作原理及其对系统特征值的影响。针对主动控制，引入最优控制理论（如LQR），阐述传感器、控制器和执行器在主动质量阻尼（AMD）和主动支座控制中的集成设计。 第十三章：非线性动力学 本章涉及结构元件屈服、接触、大变形等引起的非线性问题。重点分析非线性振动系统的周期解（如Poincaré-Linstedt方法）和混沌现象。讨论非线性系统模态的定义困难，并强调利用时域积分法求解这类问题的必要性，以及如何识别和处理数值积分中的非物理解。 第十四章：冲击与爆炸响应分析 本章专题研究极高应变率下的结构响应。分析冲击波的传播特性、材料的应变率依赖性（Cowper-Symonds模型等）。讲解高精度冲击分析中应变梯度理论的应用，以及如何利用光滑粒子流体力学（SPH）等Lagrange-Euler混合方法处理极端载荷下的材料失效与侵蚀问题。 本书理论严谨，图文并茂，包含大量的推导过程和工程实例，旨在培养结构工程师和研究人员对复杂动态问题的精确理解和解决能力。

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这本书的精髓，我认为在于它对“工程应用”的重视程度。很多教材在理论阐述后往往草草收场，留给读者的多是半成品知识，但在这一点上，这本书的处理方式显得尤为高明。它在讲解完理论后，会紧密结合实际工程中的案例进行分析。比如，在讲述疲劳和蠕变时，作者并没有仅仅停留在描述这些现象的物理本质，而是详细分析了在桥梁结构设计、航空航天部件制造中，如何利用这些知识来评估和预测结构的使用寿命。我尤其欣赏其中穿插的“案例研究”部分，这些部分往往用加粗字体或独立的小节突出显示，内容翔实，数据详尽。通过这些案例，我深刻体会到，材料力学绝非孤立的数学游戏，而是关乎结构安全和工程可靠性的核心技术。每一次阅读，都像是完成了一次从理论到实践的完整闭环，极大地增强了我的工程直觉。这种注重实践导向的教学方法，无疑是这本书在众多材料力学著作中脱颖而出的关键所在。

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这本书的封面设计得非常朴实，封面上赫然印着“材料力学”四个大字，虽然没有花哨的图案，但给人一种严谨、扎实的学术气息。我拿到这本书后，第一感觉就是厚重，这通常意味着内容的深度和广度。当我翻开目录时，立刻被其中清晰的结构所吸引。从最基础的应力、应变概念引入，逐步过渡到材料的本构关系，再到梁的弯曲、扭转等经典问题，逻辑链条非常清晰。特别是它对各种材料模型，如线弹性、弹塑性等，都有详尽的数学推导和物理意义的阐述，这对于初学者来说无疑是极大的帮助。我记得我曾因为某个公式的推导过程而卡住，但这本书中的插图和注释非常到位，帮助我理清了思路，理解了力的作用下材料内部微观尺度的变化。这本书的排版也值得称赞，字体大小适中，公式居中且编号清晰，使得长时间阅读也不易产生视觉疲劳。它不仅仅是知识的堆砌，更像是一位经验丰富的老师，循循善诱地引导读者构建起完整的力学思维框架。读完前几章后，我对那些看似抽象的力学概念有了更具象的认识，这为后续更复杂的分析打下了坚实的基础。

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这本书的语言风格是那种典型的、毫不含糊的学院派叙事，严谨到近乎苛刻的地步。它不会使用过于口语化的表达来“讨好”读者，而是直接切入问题的核心，用最精确的术语来定义概念。对于初次接触这门学科的读者来说，这可能是一个小小的挑战，因为它要求读者必须保持高度的专注力。例如，在定义应力张量时，作者对张量分量的选取和坐标系的依赖性解释得一丝不苟，每一个符号的引入都有其严格的数学前提。然而，一旦你适应了这种叙事节奏，你会发现这种精确性带来的巨大益处——极大地减少了理解上的歧义。书中对基本假设的陈述也格外审慎，比如在应用胡克定律之前，会对材料的均匀性和各向同性进行充分的铺垫和讨论。这种对前提条件的“吹毛求疵”，恰恰是培养优秀工程师所必需的科学态度，它教会我们任何理论的适用范围都不是无限的，必须清楚边界条件。

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这本书在处理高级主题时的深度和广度，让我对它的评价非常高。当我越学越深，进入到屈服准则、断裂力学这些更前沿的领域时，我发现作者依然保持了极高的水准。例如，在介绍莫尔圆时，它不仅仅展示了二维情况下的几何构造，还进一步扩展到了三维应力状态下的球体表示法，这种对知识体系的完整性追求令人印象深刻。在讲述薄壁容器和厚壁圆筒的分析时，作者不仅给出了经典公式，还深入探讨了这些公式在实际制造公差下的误差影响。这使得这本书的适用范围远远超出了普通本科课程的要求，完全可以作为研究生阶段的参考书目。它成功地在“基础性”和“前沿性”之间找到了一个绝佳的平衡点，既能服务于入门者，又能满足进阶学习者的需求，体现了编者深厚的学术功底和对学科发展脉络的深刻洞察。

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这本书的配套资源和辅助材料，特别是那些习题的设计，简直是教科书级别的范本。我手中的版本虽然没有单独的练习册，但书后的习题部分已经足够份量和难度。这些习题的设计层次分明，从基础的直接应用公式，到需要综合运用多个章节知识的综合性大题，难度曲线设置得非常平滑合理。更妙的是，很多习题的设置并不是那种简单的代数运算，而是要求读者进行概念性的思考和判断，比如“请解释为什么在某个特定载荷条件下，我们必须采用平面应力假设而非平面应变假设？”这类问题，真正考验了对物理图像的掌握程度。我发现，当我尝试自己解答这些习题时，那些曾经感觉模糊的知识点，便如同被光照亮一般，瞬间清晰起来。相比于那些只有答案而无过程解析的参考书，这本书的习题更像是高质量的“小论文”任务，驱动我去深入挖掘背后的力学原理。

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