Multiscale Modeling in Solid Mechanics pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Aliabadi, M. H. Ferri 编

出品人:

页数:334

译者:

出版时间:

价格:$ 184.19

装帧:

isbn号码:9781848163072

丛书系列:

图书标签:

Multiscale Modeling
Solid Mechanics
Computational Mechanics
Finite Element Method
Homogenization
Material Modeling
Continuum Mechanics
Microstructure
Numerical Analysis
Mechanics of Materials

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具体描述

This unique volume presents the state of the art in the field of multiscale modeling in solid mechanics, with particular emphasis on computational approaches. For the first time, contributions from both leading experts in the field and younger promising researchers are combined to give a comprehensive description of the recently proposed techniques and the engineering problems tackled using these techniques. The book begins with a detailed introduction to the theories on which different multiscale approaches are based, with regards to linear homogenization as well as various nonlinear approaches. It then presents advanced applications of multiscale approaches applied to nonlinear mechanical problems. Finally, the novel topic of materials with self-similar structure is discussed.

固体力学中的多尺度模拟一本全面探索从原子到宏观尺度的固体力学建模方法的专著作者： [此处可填入作者姓名，为保持通用性，此处留空] 出版社： [此处可填入出版社名称] 本书深入剖析了固体力学领域中至关重要的多尺度建模方法。在现代工程和材料科学中，理解材料行为需要在原子尺度、微观结构尺度以及宏观工程尺度之间建立有效的桥梁。传统的单一尺度分析方法已越来越难以捕捉材料在复杂载荷、温度变化或制造过程下展现出的全部物理特性。本书正是在此背景下应运而生，旨在为研究人员、高级工程师和研究生提供一个清晰、详尽且具有高度实践指导意义的参考框架。全书结构严谨，逻辑清晰，从基础理论出发，逐步深入到前沿的数值实现与应用。我们不局限于任何单一的模拟技术，而是系统地整合了量子力学、分子动力学、相场方法、晶体塑性以及有限元分析等多种尺度工具，并重点阐述了它们之间如何耦合与信息传递。第一部分：基础与尺度的概念框架本部分奠定了多尺度分析的理论基石。首先，我们回顾了固体力学的基本假设和连续介质力学的主流理论，为后续的尺度拓展做好铺垫。原子尺度的量化基础：详细介绍了第一性原理计算（如密度泛函理论，DFT）在确定材料基本力学响应（如弹性常数、缺陷形成能）中的核心作用。探讨了如何通过这些高精度计算结果来构建更粗糙尺度模型的输入参数。同时，也涵盖了半经验势函数（如嵌入原子法EAM、嵌入对相互作用II/III型IMEP/IMEP-III）的构建和适用范围，它们是连接量子精度和计算效率的关键。介观尺度的挑战与方法：重点讨论了分子动力学（MD）模拟。我们不仅阐述了牛顿运动方程在大量原子集合上的求解技术，更侧重于如何设计有效的模拟盒子、处理边界条件以及进行统计力学分析以提取宏观可观测量的细节。对介孔结构、晶界行为以及位错动力学在MD尺度下的模拟方法进行了深入分析。尺度的衔接：提出了著名的尺度分离原理。详细讨论了如何界定不同尺度的有效性范围（即“尺度窗口”）。随后，引入了尺度耦合的理论基础，包括信息如何从微观尺度“传递”到宏观尺度，以及如何处理不同模型之间在时间尺度和空间尺度上的不匹配性。第二部分：关键中间尺度的模型构建本部分聚焦于介于原子世界和工程世界之间的关键尺度——微观结构尺度，这是决定材料宏观性能的关键环节。晶体塑性与微观结构演化：详细阐述了晶体塑性有限元（CPFE）模型的构建。这包括对滑移系统几何学、晶体取向演化的描述，以及如何将微观应力状态转化为宏观应变率。我们提供了如何从MD或实验数据中提取硬化率函数和临界分切应力的实用指南。相场方法在演化过程中的应用：相场理论是描述界面、裂纹萌生与扩展的强大工具。本章深入探讨了无界面相场（Phase-Field）模型在模拟塑性区展宽、相变驱动的形变以及疲劳裂纹扩展中的具体数学框架和数值实现。重点分析了相场参数的选择如何影响裂纹尖端的能量释放率和韧性。复合材料与多相结构：针对具有复杂微结构的材料（如纤维增强复合材料、多孔介质），我们介绍了有效介质理论（EMT）和微观机械学模型。讨论了如何通过局部平均化技术（如自洽模型SCM）来预测多相材料的宏观本构关系，以及如何应对相界面处的应力集中问题。第三部分：多尺度模拟的数值实现与耦合策略有效的多尺度分析依赖于鲁棒的数值方法和有效的耦合策略。本部分是本书的实践核心。耦合策略的分类与细节：详细比较了主要的耦合范式： 1. 直接映射（Direct Mapping）：阐述了将原子模拟结果直接作为连续介质模型输入参数的方法。 2. 尺度均匀化（Homogenization）：重点分析了多尺度有限元（MsFEM），它允许在宏观单元内部进行局部的、基底驱动的微观计算，显著提高了大尺度模拟的精度。 3. 迭代耦合（Iterative Coupling）：介绍了如子尺度迭代法（Sub-scale Iterative Method），其中微观和宏观模型在界面上进行信息交换和修正，以保证能量和应力的连续性。时间尺度的处理：讨论了如何使用介观动力学（Mesoscopic Dynamics，如蒙特卡洛模拟或基于概率的事件驱动方法）来弥补MD模拟的时间尺度限制，使其能够捕捉到跨越微秒到毫秒尺度的蠕变或应力松弛现象。数据驱动的建模：鉴于复杂的材料行为难以用解析模型完全描述，本书引入了机器学习（ML）在多尺度建模中的作用。探讨如何利用高维度的DFT或MD数据训练出快速、高精度的势函数（ML-Potentials），或直接建立从微观形貌到宏观响应的代理模型（Surrogate Models）。第四部分：前沿应用与案例研究最后一部分展示了这些先进建模技术在解决实际工程问题中的强大能力。极端条件下的材料响应：案例研究涵盖了高温蠕变、辐照损伤以及超快加载（如冲击和爆炸）下的材料行为。展示了如何利用耦合的原子-介观模型来预测材料在这些极端条件下的失效机制。增材制造（3D打印）中的残余应力控制：探讨了如何结合热-力-微结构耦合模型，模拟从粉末熔化、凝固到冷却过程中产生的复杂应力梯度和缺陷演化，从而指导工艺参数的优化，以获得低缺陷、高强度的打印部件。疲劳与断裂的跨尺度预测：深入分析了从原子尺度的键断裂概率到微观裂纹萌生（通过相场），再到宏观裂纹扩展（通过Cohesive Zone Model）的完整链条。总结：本书不仅是一本理论教材，更是一份连接不同尺度的行动指南。它强调了跨学科合作的必要性，并为读者提供了工具箱，以应对未来固体力学领域中日益复杂的材料设计和性能预测挑战。通过对这些前沿方法的系统阐述，读者将能构建出更精确、更具预测性的固体力学模型。