固体本构关系

出版者:清华大学出版社

作者:黄克智，黄永刚

页数:0

出版时间:1999-1

价格:34.0

isbn号码:9787302036630

具体描述

编辑推荐：本书是作者参加国家自然科学基金重大项目“材料的宏微力学与强韧化设计”的研究成果；也是作者多年来在为清华大学研究生开设“固体本构关系”课程及有关讲座的基础上，经逐年积累更新后编写而成。书中全面系统地阐述了固体本构关系，涉及国内外各种前沿理论和作者的研究成果。全书共分6章，分别为小变形弹塑性本构关系、细观力学基础、连续介质力学概述、大变形弹性本构关系、大变形弹塑性本构关系以及变梯度塑性理论。

作者简介

前 言

2005年前后，清华大学工程力学系研究生课程“固体本构关系”更名为“高等固体力学”，扩充了应用性的内容。

“高等固体力学”课程主要研究大变形问题，但作为基础，本书上册仍保留了第 1章“小变形弹塑性本构关系”，因为这是一个力学工作者必须具备的基础知识。如果不掌握小变形的理论，那么大变形的理论就无从谈起。

研究大变形固体力学，需要两方面的基础：

（1）张量分析：目前多数教材中用到的张量分析知识还仅限于将张量当作带指标的符号。实际上，张量分析的理论与用途远比指标符号深刻得多。它不仅可以使推导变得十分简洁，而且还可以清楚地显示出问题本身的物理意义，有时用张量分析方法可以得到一些意想不到的结果。我们可以毫不夸张地说，不懂得张量分析，要阅读和消化现代力学文献是不可能的。清华大学工程力学系每年都为硕士生开设“张量分析”学位课 1)。

（2）连续介质力学：包括应力理论、应变理论和本构关系。如果缺少张量分析和连续介质力学的知识，高等固体力学的讲授就不可能达到足够的深度。为此，上册增加了附录：张量分析（介绍）——当然，其中只包含一些最少量的张量分析的必要知识；同时，上册第 2章“连续介质力学概述”介绍了研究固体力学所必需的连续介质力学基础知识。

上册第 3章“大变形弹性本构关系及应用”讲述大变形弹性本构关系的理论、边值问题的解法和一些典型问题的解；第 4章“大变形弹塑性本构关系”系统介绍了许多基本概念和几种主要的理论。对于大变形问题，本构关系可以在物体变形前的构形（参考构形）中写出，也可以在物体变形后的构形（即时构形）中写出，甚至还可以在卸载后的构形（中间构形）中写出。这几种写法涉及到不同的坐标，不同的应力（率）与不同的应变（率）。骤然看来，它们之间的关系非常复杂。考虑到这一难点，本书上册着重说明这几种写法之间的相互“转移”关系，希望读者做到举一就能反三。为了解决实际大变形问题，往往需要采用有限元方法计算。 ABAQUS是一个比较便利有效的计算软件——上册有一附录，介绍该软件的理论基础。

1) 教材包括：黄克智，薛明德，陆明万编著 . 张量分析. 第 2版. 北京：清华大学出版社， 2003.

高等固体力学（上册）

以上内容的初稿曾在清华大学研究生课程“高等固体力学”教学中试用五遍，几经修改定稿后，今作为本书上册出版。

本书下册讨论介绍固体力学近二十年来几个活跃的研究领域。

第 1章是“晶体的大变形弹塑性理论”。晶体是上册第 4章大变形弹塑性本构理论最适合的应用对象，通过晶体塑性可以加深对理论的理解。

第 2章“应变梯度塑性理论”论述微米尺度下的塑性理论。近年的试验表明，当材料的非均匀塑性变形特征长度在微米量级时，材料具有很强的尺度效应。其原因在于：塑性应变为非均匀时，塑性应变梯度的存在导致“几何必需位错”产生，使屈服应力（“流动应力”）增大。因此，一点处的应力不仅与该点处的应变有关，而且也与该点处的塑性应变梯度有关。由于经典的塑性理论中材料本构模型不包含任何尺度参数，所以它不能预测材料的尺度效应。然而，随着高技术的发展，在工程设计中迫切需要处理微米量级的设计和制造问题，例如：微电力系统（ MEMS）、微电子封装、先进复合材料及微加工。因此现代工程设计需要微米尺度下的力学理论。

第 3章是“纳米管的力学”。碳纳米管具有优良的力学特性，但过去被认为由于属纳米尺度，不能采用连续介质力学，而只能用分子动力学来进行分析计算。分子动力学的出发点是原子势，第 3章论述如何直接从原子势出发，建立纳米管或者任意的纳米曲面的连续介质力学。

第 4章是“柔性可伸展电子元件的力学”。电子元件是由硅制成的。硅是易断的脆性材料，其断裂应变只有 2%。第 4章研究利用“屈曲”现象制成可伸展电子元件（从而可大大提高电子元件的功能）的原理，分析结构构件过屈曲行为的力学方法，同时也发展了梁、板、壳的过屈曲理论。

本书所反映的研究成果得到了国家自然科学基金委重大和面上项目的长期支持，我们对此表示衷心的感谢；第二作者同时也感谢美国科学基金会的支持；另外，对海内外的合作者、为本书出版过程提供过帮助的同事和学生，以及清华大学出版社长期的出版支持，我们一并在此致以诚挚的谢意!

黄克智黄永刚 2012年 3月

目录信息

第1章 小变形弹塑性本构关系
第2章 细观力学基础
第3章 连续介质力学概述
第4章 大变形弹性本构关系
第5章 大变形弹塑性本构关系
第6章 应变梯度塑性理论
附录 张量分析（介绍）
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用户评价

这本书给我的感觉是，它是在为那些真正想深入理解固体材料力学本质的人量身定制的。作者在解释一些高级概念时，例如热弹塑性、多场耦合效应等，都做得非常到位，既有理论的深度，又不失直观的理解。我印象特别深刻的是，书中对材料本构关系在动态问题中的应用进行了详细阐述，例如冲击、爆炸等瞬态载荷下的材料响应。作者通过引入动量守恒、能量守恒等基本原理，以及考虑材料的应变率效应和动力学特性，构建了相应的数学模型。这让我意识到，在高速加载条件下，材料的行为会与低速加载时有显著的区别。

这本书的深度和广度让我受益匪浅。作者在总结不同本构模型的优缺点时，总是能够做到客观公正，并且深入分析其适用范围和局限性。我尤其对书中关于材料在极端环境下的本构关系的研究感到惊叹，例如高温、高压、腐蚀等环境对材料力学性能的影响。作者通过引入热力学原理和化学动力学方程，将这些环境因素与材料的本构行为联系起来，构建了相应的多物理场耦合模型。这让我看到了，材料的力学行为不仅仅取决于其自身的内在属性，还受到外部环境的深刻影响。这本书无疑是固体力学领域的一本宝贵财富。

这本书的深度和广度都超出了我的预期。当我翻开它时，我以为会读到一些关于弹性模量、泊松比的枯燥内容，但很快我就发现，它真正触及了材料科学的核心问题。作者在处理材料的非均匀性和各向异性方面做得尤为出色，他不仅仅是陈述事实，而是深入探讨了造成这些特性的微观机制，并将其与宏观的本构关系联系起来。例如，在分析复合材料时，作者详细阐述了各种增强相（纤维、颗粒）和基体材料的协同作用，以及如何通过微观力学方法来预测宏观的平均本构关系。这一点对于我这样对材料设计和选择感兴趣的人来说，非常有启发性，它让我看到，理解材料的微观结构是如何直接影响到其宏观的力学性能的。

这本书给我留下了非常深刻的印象，尽管我并非该领域的专业人士，但作者用一种循序渐进、由浅入深的方式，将“固体本构关系”这个看似枯燥晦涩的概念，生动地展现在我面前。首先，我特别欣赏书中在引入基本概念时的详尽性，从最基础的应力、应变张量开始，到弹性、塑性、粘弹性等不同材料行为的定义，再到它们之间的数学模型和物理意义，作者都花了大量的篇幅进行阐述。例如，在讲解弹性本构关系时，书中不仅仅给出了胡克定律的公式，还深入探讨了各向同性、各向异性材料在单轴、双轴、三轴加载下的具体表现，甚至还涉及了应力-应变曲线的实际测量和数据分析方法，这一点对于非专业读者来说尤为宝贵，它让我看到了理论如何与实际应用相结合。

这本书的价值在于，它不仅提供了一套完整的理论框架，更培养了一种解决问题的能力。作者在处理复杂问题时，总是能够清晰地辨析关键因素，并且提出有效的分析方法。我尤其喜欢书中关于材料本构关系在数值模拟中的实现方式的讨论。作者详细介绍了如何在有限元软件中定义和应用各种本构模型，这让我看到了理论知识如何转化为实际工程应用的桥梁。此外，书中还对不同本构模型在模拟材料响应时的计算效率和精度进行了比较分析，这对于选择合适的模型进行工程设计具有指导意义。

这本书的阅读体验堪称一次思想的冒险。我被书中层出不穷的精彩论述深深吸引。作者对于不同材料体系（金属、高分子、岩石、混凝土等）的本构关系都进行了深入的分析，并且对比了它们各自的特点和适用范围。例如，在分析岩土材料时，作者详细介绍了莫尔-库仑准则和Drucker-Prager准则，以及它们在描述土体破坏行为中的作用。这让我对不同工程领域中固体材料的力学行为有了更全面的认识。同时，书中还强调了实验数据的验证和模型修正的重要性，这让整个理论体系显得更加严谨和可靠。

这本书的结构设计非常巧妙，每一章之间都存在着紧密的逻辑联系，仿佛是一部精心编排的交响乐。我特别喜欢作者在介绍新概念时，都会先回顾相关的背景知识，然后逐步引入，避免了突兀感。例如，在讲解弹塑性耦合模型时，作者先详细回顾了纯弹性行为和纯塑性行为的特点，然后才引入屈服面的概念和加载-卸载的规则。更让我赞叹的是，书中还涉及到了一些数值模拟方法，如有限元方法在求解复杂本构关系中的应用。这让我意识到，即使是最复杂的本构模型，也可以通过强大的计算工具来获得近似解，这对于工程实践来说具有极其重要的意义。

这本书给我的整体感觉是，它不仅仅是一本教材，更像是一本严谨的科研论文集，但又不像那些晦涩难懂的论文，它保留了清晰的逻辑性和系统性。我尤其被书中关于非线性本构模型的讨论所吸引。作者并没有止步于线弹性，而是大胆地深入到塑性理论的各个分支，比如屈服准则（如Mises、Tresca）的推导和应用，以及硬化规律（各向同性硬化、随动硬化）的差异和影响。更令我惊喜的是，书中还涉及了一些更前沿的课题，例如损伤力学和断裂力学的基本原理，以及它们与宏观本构关系之间的联系。对于我这样一个对材料科学和工程力学有初步了解的人来说，这就像打开了一个新的世界，让我看到了材料在复杂应力状态下可能出现的各种有趣的现象，以及科学家们为了精确描述这些现象所做的努力。

这本书给我带来的最大收获，是它教会了我如何“思考”材料的力学行为，而不是仅仅“记忆”公式。作者在讲解过程中，始终注重理论的物理根源和工程应用，而不是孤立地给出数学模型。我特别欣赏书中关于材料损伤和疲劳的章节，作者详细阐述了损伤的累积过程如何影响材料的刚度和强度，以及循环加载如何导致材料的疲劳失效。这让我对材料在实际服役环境中的寿命和可靠性有了更深刻的理解。书中还引用了大量的经典实验和工程案例，这使得理论讲解更加生动形象，也更能引起读者的共鸣。

阅读这本书的过程，我感觉就像是在跟着一位经验丰富的导师进行一次深入的学术探讨。作者的写作风格非常成熟且富有条理，他善于运用丰富的图表和公式来支撑自己的论点，并且在讲解每一个概念时，都会给出清晰的物理意义和数学推导过程。我印象最深的是关于材料粘弹性的章节，作者详细解释了蠕变、应力松弛、迟滞等现象，并且引入了诸如Maxwell模型、Kelvin-Voigt模型等经典的流变模型，还对比了它们在模拟不同时间尺度下材料响应时的优劣。这让我深刻理解了时间效应对于固体材料行为的重要性，也为我今后在涉及动态载荷或者长期服役的工程问题时，提供了一个坚实的理论基础。