具体描述
The book presents an updated state-of-the-art overview of the general aspects and practical applications of the theories of thin structures, through the interaction of several topics, ranging from non-linear thin-films, shells, junctions, beams of different materials and in different contexts (elasticity, plasticity, etc.). Advanced problems like the optimal design and the modeling of thin films made of brittle or phase-transforming materials will be presented as well.
《经典与前沿：非薄壳结构理论解析》 本书致力于探索那些在工程实践中与“薄结构”概念相去甚远，却同样具有深远影响的结构力学领域。我们将视角从轻巧、柔韧的薄壳与薄板，转向那些依靠其自身刚度和质量来承担载荷、抵抗变形的宏大构件与复杂体系。本书旨在为读者提供一个系统、深入的理论框架，以理解和分析这些“非薄”结构所展现出的独特行为与设计挑战。 第一章：体块与实体结构的力学基础 本章将从最基本的力学原理出发，重新审视材料的宏观行为。我们将重点关注体块结构（如实心梁、块体、填充结构）在承受载荷时，应力与应变如何分布于整个构件的体积之内，而非仅仅集中在表面。内容将涵盖： 连续介质力学回顾： 重点强调应力张量、应变张量在三维空间中的完整表达，以及它们之间的本构关系（如线弹性、弹塑性）。将深入讨论泊松比、杨氏模量等材料参数在体块结构中的意义，以及不同材料（金属、混凝土、岩石、土壤）在宏观尺度下的力学特性。 三维应力状态与失效准则： 介绍胡克定律的三维形式，以及如冯·米塞斯（von Mises）和崔卡（Tresca）等失效准则在预测块体材料失效时的应用。我们将分析应力集中在几何突变处（如孔洞、尖角）的三维效应，这与薄结构表面的应力扩散机制截然不同。 几何不变性与刚度： 探讨如何通过构件的几何形态（如截面形状、长细比）来保证其在承受载荷时的刚度，以抵抗过度的变形。我们将分析实心梁在弯曲、剪切、扭转中的应力分布，重点突出其内部受力协同作用，这与薄壳结构依靠曲面几何来实现高效受力的原理形成对比。 质量效应与惯性力： 对于尺寸巨大或密度极高的结构，其自身重量（自重）所产生的应力将是设计中的关键考量。本章将深入分析自重应力分布，并初步引入惯性力在动力载荷（如地震、风振）下的影响，为后续动力学分析打下基础。 第二章：连续体梁与整体框架的力学分析 本章将聚焦于在工程中扮演重要角色的连续体梁、框架结构以及其他大型整体构件。我们将超越单纯的弯曲理论，深入探讨这些结构在承受复杂载荷组合时的整体行为。 梁理论的深化： 除了经典的欧拉-伯努利（Euler-Bernoulli）梁理论，我们将引入更精确的铁木辛柯（Timoshenko）梁理论，考虑剪切变形的影响，这对于短粗梁或承受集中载荷的情况尤为重要。同时，还将讨论横截面扭转、剪切中心等概念，分析实心截面梁与空心截面梁在扭转载荷下的力学差异。 框架结构的力学： 分析由梁和柱组成的二维及三维框架结构。我们将运用力法、位移法等经典方法，计算框架节点处的力矩、剪力和轴力，并分析整体结构的位移模式。重点讨论框架的整体稳定性和侧向刚度，这对于高层建筑和桥梁至关重要。 空间梁与杆件理论： 扩展至三维空间中的杆件分析，研究受弯、受压、受扭的复杂受力情况。我们将介绍坐标变换、刚度矩阵等概念，为分析复杂空间结构（如塔架、桁架）奠定基础。 局部与整体屈曲： 对于受压的实体构件（如柱、墙体），屈曲是重要的失效模式。本章将讨论柱的整体屈曲（如欧拉临界载荷），以及墙体、板件的局部屈曲。我们将分析屈曲与构件的长细比、边界条件、材料性能的关系，并介绍防止屈曲的设计原则。 第三章：块体与复合材料结构的力学行为 本章将深入研究由离散块体单元组成的结构（如砌体结构、散粒体堆积）以及具有复杂微观结构的复合材料，它们的力学行为与均质连续体存在显著差异。 散粒体与块体堆积的力学： 分析砂石、土壤、混凝土块等散粒体材料在自重、外部荷载作用下的应力分布、变形特征和潜在的失稳机制（如滑动、倾覆）。我们将讨论颗粒间的接触力、摩擦作用以及宏观力学性质（如内摩擦角、黏聚力）的测量与应用。 砌体结构的力学： 深入研究砖石、石块等砌体结构在承受各种载荷时的力学行为。重点关注砌缝的作用、材料的抗拉强度低导致其主要依靠受压承载的特点，以及连接方式对整体强度的影响。我们将分析砌体结构的抗剪、抗弯、抗震性能，并介绍增强砌体结构稳定性的技术。 复合材料的宏观力学： 探讨纤维增强复合材料、夹层结构等宏观上被视为均质但微观上由不同材料组成的结构。我们将介绍各向异性材料的力学描述，以及层合板理论（Laminated Plate Theory）在分析其力学行为时的应用。重点分析纤维方向、基体材料、界面结合对宏观力学性能（如强度、刚度、断裂韧性）的影响，以及不同于均质材料的失效模式。 多尺度分析方法： 介绍如何运用多尺度分析方法来理解这些复杂结构。我们将初步探讨从微观（如颗粒接触、纤维-基体界面）到宏观（整体构件）的力学行为关联，为更精细化的建模与设计提供思路。 第四章：实体结构中的复杂应力状态与加载效应 本章将聚焦于实体结构中更为复杂的应力分布和加载情境，这些情境往往是薄结构理论所不直接涵盖的。 接触力学与应力边界： 深入分析实体构件之间、构件与基座之间、以及工具与工件之间的接触问题。我们将讨论接触区域的应力集中、应力梯度，以及接触边界上的载荷传递机制。这对于设计连接节点、分析磨损与疲劳至关重要。 大变形与非线性分析： 当载荷足够大，或材料本身的非线性特性显著时，实体结构的变形将不再是线性的。本章将介绍大变形理论，以及在塑性、屈服、损伤等非线性本构模型下，实体结构应力-应变关系的演化。我们将探讨如何通过数值方法（如有限元法）来模拟这些复杂的非线性行为。 热应力与温度效应： 探讨温度变化对实体结构内部产生的应力与变形。我们将分析材料的热膨胀系数、热传导率等参数，以及在温度梯度作用下，厚重构件内部可能出现的复杂热应力状态，这对于锅炉、发动机、大型桥梁等结构的设计至关重要。 动力载荷下的实体结构响应： 进一步深化对动力载荷的讨论。我们将分析冲击载荷、振动载荷对厚重结构的影响，介绍材料的动载响应特性（如冲击韧性、疲劳寿命），以及如何通过动力学分析来评估结构在动态环境下的安全性和可靠性。 第五章：非薄结构的设计原则与前沿展望 在掌握了上述理论基础后，本章将回归工程实践，总结非薄结构的设计原则，并展望该领域的未来发展方向。 强度、刚度与稳定性的综合设计： 探讨如何在设计中权衡强度、刚度、稳定性和经济性。我们将分析不同结构形式（如实心梁、箱型梁、桥墩、挡土墙）在满足性能要求时的优劣势。 失效模式的辨识与控制： 强调对可能出现的失效模式（如屈服、断裂、屈曲、滑动、疲劳）进行全面辨识，并提出相应的控制策略。 现代设计方法与工具： 介绍现代计算机辅助设计（CAD）和有限元分析（FEA）软件在实体结构设计中的应用。我们将讨论如何利用这些工具进行精细化建模、仿真分析和优化设计。 新兴材料与结构形式： 展望非薄结构领域的新材料（如高性能混凝土、先进复合材料）和新型结构形式（如仿生结构、自愈合材料结构）的发展趋势。 跨学科融合与工程挑战： 讨论实体结构力学与其他工程学科（如土木工程、机械工程、航空航天工程、材料科学）的交叉融合，以及未来可能面临的重大工程挑战（如超大型基础设施、极端环境下的结构设计）。 本书旨在为结构工程师、机械工程师、材料科学家以及对复杂结构力学感兴趣的读者提供一份详实、权威的参考。通过深入理解非薄结构所展现出的独特力学行为，读者将能够更有效地进行设计、分析和创新。
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