Trends in Computational Nanomechanics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Dumitrica, Traian 编

出品人:

页数:638

译者:

出版时间:2009-12

价格:$ 586.47

装帧:

isbn号码:9781402097843

丛书系列:

图书标签:

• 计算纳米力学
• 纳米材料
• 分子动力学
• 有限元分析
• 材料科学
• 纳米技术
• 计算方法
• 力学
• 材料建模
• 多尺度模拟

《计算材料力学前沿》 内容简介 《计算材料力学前沿》旨在深入探讨计算材料力学领域的最新进展和未来发展趋势。本书并非对某一特定方向的深入挖掘，而是着眼于整个学科的广度，呈现出计算材料力学在不同尺度、不同材料体系以及不同应用场景下的前沿研究成果。本书将为材料科学家、工程师、理论研究人员以及研究生提供一个全面了解该领域动态的平台。 本书涵盖的主题广泛，从微观尺度的原子和分子模拟，到宏观尺度的结构分析，再到介观尺度上的多尺度建模，全方位地展示了计算材料力学如何赋能材料的设计、性能预测和失效分析。 主要内容概述： 第一部分：计算材料力学的理论基础与方法论 第一章：现代计算材料力学概览 本章将概述计算材料力学的基本概念、核心理论及其在现代科学研究中的重要地位。我们将探讨从经典力学到量子力学在材料模拟中的应用，以及数值方法的演进对计算材料力学发展的推动作用。 第二章：第一性原理计算方法 本章聚焦于基于量子力学的计算方法，如密度泛函理论（DFT）。我们将详细介绍这些方法的原理、优势、局限性，并探讨其在预测材料电子结构、化学键合、能量和基本物理性质方面的最新应用，特别是在新材料的探索方面。 第三章：分子动力学模拟 本章深入探讨分子动力学（MD）模拟技术，包括其算法、力场构建以及在研究材料动态行为方面的应用。我们将展示MD如何用于模拟原子和分子的运动，从而揭示材料在不同温度、压力下的行为，以及扩散、相变、缺陷形成等过程。 第四章：粗粒化模拟与介观力学 针对需要跨越微观尺度研究的复杂系统，本章将介绍粗粒化（Coarse-grained, CG）模拟方法。我们将阐述如何将原子或分子模型进行简化，以有效地模拟介观尺度上的现象，如聚合物聚集、相分离以及软物质材料的行为。 第五章：数值模拟技术的进步 本章将关注计算材料力学中不断发展的数值技术，包括有限元方法（FEM）、边界元方法（BEM）以及其他新兴的数值求解器。我们将探讨这些方法在处理复杂几何形状、非线性材料行为以及大型工程问题中的最新进展。 第二部分：计算材料力学在关键材料体系中的应用 第六章：纳米材料的力学性能计算 纳米材料由于其独特的尺寸效应，展现出与宏观材料截然不同的力学行为。本章将详细介绍如何利用第一性原理、分子动力学和多尺度方法来研究纳米颗粒、纳米线、石墨烯、碳纳米管等纳米材料的弹性模量、强度、断裂韧性以及变形机制。 第七章：高分子材料的计算力学 高分子材料在日常生活和工业应用中扮演着重要角色。本章将聚焦于计算高分子材料的力学性能，包括聚合物链的构象、链段运动、网络结构形成以及玻璃化转变等现象的模拟，并探讨如何通过计算设计具有特定力学特性的高分子材料。 第八章：陶瓷与复合材料的计算分析 陶瓷材料以其高强度、耐高温等特性而闻名，而复合材料则结合了不同材料的优点。本章将介绍计算陶瓷材料中的微裂纹萌生与扩展，以及如何模拟复合材料的界面力学、增强体的协同效应和整体力学性能。 第九章：生物材料的力学模拟 生物材料在医疗器械、组织工程等领域具有广泛应用。本章将探讨如何利用计算材料力学来模拟生物大分子（如蛋白质、DNA）的力学行为，以及仿生材料的设计与性能预测，重点关注材料与生物体的相互作用。 第三部分：计算材料力学的前沿应用与未来展望 第十章：多尺度建模与耦合方法 许多材料的性能表现取决于多个尺度的相互作用。本章将深入探讨如何构建多尺度模型，将不同尺度的模拟结果进行有效耦合，以更准确地预测复杂材料体系的行为，例如从原子尺度缺陷到宏观结构失效的整个过程。 原子-介观尺度耦合： 探讨如何将分子动力学结果映射到粗粒化模型，或将第一性原理计算结果用于校准介观模型。 介观-宏观尺度耦合： 介绍如何利用介观模拟结果作为宏观有限元模型的本构关系，以实现对复杂材料在工程载荷下的行为预测。 第十一章：损伤、断裂与疲劳的计算力学 材料的失效是工程应用中的关键问题。本章将介绍如何利用计算方法模拟材料的损伤累积、裂纹萌生与扩展，以及疲劳寿命预测。我们将关注基于相场模型、内聚力模型以及离散单元法的先进技术。 第十二章：智能材料与响应性材料的计算设计 智能材料能够感知外界刺激并作出响应，在传感器、执行器等领域具有巨大潜力。本章将探讨如何利用计算材料力学来设计具有形状记忆、压电、热电等功能的智能材料，以及如何通过计算模拟优化其响应性能。 第十三章：机器学习与人工智能在计算材料力学中的融合 近年来，机器学习（ML）和人工智能（AI）在材料科学领域取得了显著进展。本章将重点介绍如何利用ML/AI技术加速材料模拟、预测材料性能、发现新的材料结构以及优化设计流程，例如通过ML预测力场参数、构建加速的模拟流程等。 第十四章：计算材料力学在可持续发展中的作用 本书的最后一章将展望计算材料力学在推动可持续发展方面的作用，包括绿色材料的设计、能源材料的优化、以及环境友好型制造工艺的开发。我们将探讨计算工具如何在减少材料浪费、提高能源利用效率、以及开发可再生材料方面发挥关键作用。 《计算材料力学前沿》为读者提供了一个深入了解当前计算材料力学研究格局的窗口，同时激发了对未来研究方向的思考。本书的读者群广泛，无论您是希望快速掌握计算材料力学最新进展的研究者，还是致力于将计算工具应用于材料设计和性能优化的工程师，都能从中获益良多。

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坦白讲，这本书的阅读门槛是存在的，但作者通过精妙的结构设计，使得跨越这个门槛的过程充满了发现的乐趣。它更像是为那些已经拥有一定物理或工程背景的读者准备的“进阶指南”，它假设你了解基本的微分方程，然后直接带你进入如何高效地用计算机“触摸”和“感受”物质的微观行为。我个人对其中关于“多尺度模拟中的信息损失”的讨论印象深刻。作者坦诚地指出了目前所有尺度耦合方法都面临的信息不匹配问题，并探讨了如何通过概率论和信息熵来量化这种损失。这种诚实的态度，使得整本书显得非常可信和权威。它不是一本承诺给你所有答案的书，而是一本告诉你如何构建一个能够提出正确问题的计算框架的宝典。对于渴望从“使用工具”进阶到“设计工具”的研究人员来说，这本书提供了必要的理论深度和工程视野。

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这本书的封面设计就给我一种扑面而来的科技感和未来感，深邃的蓝色调配上精准的几何线条，让人立刻联想到精密计算和微观世界。我原本是冲着对“计算”和“纳米”这两个词的好奇心来的，但阅读体验远超我的预期。它并非那种堆砌晦涩术语的教科书，而更像是一场思维的探险。作者在开篇就花了大量的篇幅，用非常形象的比喻解释了如何将复杂的物理模型转化为可解的数值方程，这对于我这种非专业背景的读者来说，是极其友好的入门引导。特别是关于原子尺度的离散化方法部分，作者没有直接抛出复杂的张量分析，而是通过类比宏观工程中的应力-应变关系，逐步引导读者理解在纳米尺度下，传统方法的局限性以及新兴的分子动力学模拟的必要性。我尤其欣赏其中关于计算效率和精度之间权衡的讨论，书中用多个案例展示了如何根据实际需求，在计算成本和模拟真实性之间找到最佳平衡点。整本书的行文流畅，逻辑层层递进，让人忍不住一口气读完核心章节，非常适合希望快速建立起计算纳入力学全局观的读者。

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读完这本书，我最大的感受是它极强的“动手性”和“前瞻性”。作者似乎不满足于仅仅停留在理论阐述上，而是花费了大量篇幅去讨论实际应用中的“坑”与“优化”。例如，在讨论有限元分析（FEA）在纳米结构中的应用时，作者并没有回避传统网格划分在处理尖锐边缘和不规则界面的困难，反而给出了几种创新的网格自适应策略。更让我惊喜的是，书中还专门开辟了一个章节讨论了高性能计算（HPC）和GPU加速在加速纳动力学模拟中的最新进展，这表明作者紧跟技术前沿，确保了内容的时效性。书中穿插的几个小案例研究——比如纳米压痕的模拟、碳纳米管的屈曲分析——都配有详细的参数设置和结果分析，如果能附带源代码或脚本就更完美了，但即便如此，这些案例也足以启发读者在自己的研究中尝试复现和改进。这本书无疑是推动下一代材料设计和结构优化工具箱的基石。

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这本书的深度远超乎我的想象，尤其是关于材料在极端条件下的多尺度建模部分，简直是一场理论与实践的完美交响乐。我过去接触过一些相关的文献，但大多是碎片化的，难以形成系统的认知框架。然而，这本书的结构非常清晰，它从最基础的量子力学计算（DFT）如何为宏观力学提供输入参数开始，逐步向上构建，直到描述出复杂结构件的整体响应。其中关于“跨尺度耦合”的章节，简直是全书的精华所在。作者详细剖析了几种主流的耦合技术，比如混合原子/连续体模型（Hybrid Atomistic/Continuum Models）的数学基础和编程实现难点。我特别关注了文中关于“缺陷演化”模拟的章节，书中展示的模拟结果和实验数据的对比分析令人信服，显示出计算模型在预测材料疲劳和断裂行为方面的巨大潜力。对于研究生或初级研究人员而言，这本书提供的不仅仅是知识，更是一种解决复杂工程问题的系统性思维方式。

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这本书的语言风格，说实话，一开始让我有些警惕，因为它用了太多看似复杂的数学符号。但很快我就发现，这些符号的出现是为了精确性，而非故弄玄虚。作者的叙事逻辑非常严密，他似乎总能预判读者在哪个环节会产生疑问，并提前在下一段落中进行解释。例如，在介绍非平衡态分子动力学（NEMD）时，面对复杂的正则系综和微正则系综之间的切换，作者通过一个生动的“能量注入与耗散”的类比，将抽象的统计力学概念具象化了。这本书最吸引我的地方，在于它打破了传统力学和计算科学之间的壁垒。它强调，理解“力学”的本质（如能量守恒、边界条件）比单纯掌握“计算”的技巧更为重要。这种对基础原理的坚守，使得书中的方法论具有更强的普适性和长久的价值，而非仅仅是追逐某个特定软件版本的功能更新。

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